Couplage bidirectionnel feu-atmosphère pour la propagation des incendies de forêt : modélisation, incertitudes et sensibilités

Les incendies de forêt font partie des phénomènes naturels destructeurs représentant un enjeu écologique majeur et un problème pour la sécurité des populations. La propagation d'un incendie aux échelles géographiques (i.e. pour un incendie de plusieurs dizaines voire centaines d'hectares) peut être modélisée en adoptant une description simplifiée du feu, sous la forme d'un front unidimensionnel se déplaçant sur surface combustible hétérogène, et en l'intégrant au sein d'un modèle de météorologie locale. Lorsque le modèle atmosphérique et le modèle de feu s'échangent des informations comme le vent de surface et les flux de chaleur générés par l'incendie, on parle de modèle couplé feu-atmosphère. Dans ces travaux de thèse, le modèle de feu Blaze a été développé et intégré au modèle de météorologie de méso-échelle MésoNH afin de reconstruire la chronologie détaillée d'un incendie et de fournir ainsi un cadre d'étude des interactions entre un incendie et la micro-météorologie. Le modèle couplé MésoNH-Blaze a été validé sur le brûlage dirigé FireFlux I, un feu de prairie d'une trentaine d'hectares. La réponse du modèle couplé MésoNH-Blaze à différents choix de modélisation et différents scénarios atmosphériques a été étudiée pour quantifier les incertitudes associées aux quantités d'intérêt (la position et les flux de chaleur sensibles du front de feu par exemple) et identifier les paramètres les plus influents. Les résultats ont montré une influence significative de la turbulence atmosphérique sur la vitesse de propagation et le vent induit par le feu. L'étude de sensibilité a également montré l'impact de la vitesse de propagation à la tête du front de feu à la vitesse du vent de surface, à l'indice foliaire et à la température d'inflammation de la paramétrisation de Balbi. Les flux de chaleur sensible et latente sont quant à eux principalement influencés par la charge de combustible mort et la teneur en humidité du combustible mort, respectivement. Dans sa version standard, le modèle atmosphérique MésoNH repose sur l'hypothèse anélastique. Celle-ci permet de supprimer les ondes acoustiques dans l'atmosphère en négligeant les variations horizontales et temporelles de densité de l'air dans l'équation de conservation de la masse. La validité de cette hypothèse est discutable au voisinage des zones de flammes sujettes à d'importants dégagements de chaleur. La version compressible de MésoNH, qui ne fait pas d'hypothèse sur la densité de l'air dans l'équation de continuité, développée précédemment pour l'atmosphère sèche, a été étendue à l'atmosphère humide dans le cadre de cette thèse. Elle a tout d'abord été appliquée sur des cas dynamiques simplifiés. Puis une comparaison entre les systèmes anélastique et compressible a été réalisée à l'aide du modèle couplé MésoNH-Blaze sur le cas FireFlux I. Les résultats ont montré que les effets compressibles deviennent importants à très haute résolution spatiale (10 m), en induisant une accélération du vent horizontal à l'avant du front de feu qui tend à accélérer la propagation du front de flamme, et en déclenchant une activité ondulatoire augmentant l'énergie spectrale des plus courtes longueurs d'onde. Ces structures de fine échelle nécessiteront une validation approfondie, mais montrent un certain degré de réalisme. Le système MésoNH-Blaze fournit un cadre numérique pour mieux comprendre les processus atmosphériques associés à un incendie tels que la dynamique de panache.Wildfires are among the destructive natural phenomena that represent a major ecological challenge and a problem for public safety. Fire spread on geographical scales (i.e., for a wildfire of several tens or even hundreds of hectares) can be modelled by assuming a simplified description of the fire, in the form of a one-dimensional front moving over a heterogeneous combustible surface, and by embedding it within a local weather model. When the atmospheric model and the fire model exchange information such as surface wind and heat fluxes generated by the fire, it is referred to as a coupled fire-atmosphere model. In this thesis work, the fire model Blaze was developed and integrated with the mesoscale meteorological model MésoNH in order to reconstruct the detailed chronology of a fire and thus provide a framework for studying wildfire and micro-meteorology interactions. The coupled MésoNH-Blaze model has been validated on the FireFlux I prescribed burn, a tall grass fire of about 30 hectares. The response of the coupled MésoNH-Blaze model to different modeling choices and atmospheric scenarios was studied to quantify the uncertainties associated with the quantities of interest (the position and sensitive heat fluxes of the fire front for example) and to identify the most influential parameters. The results showed a significant influence of atmospheric turbulence on the propagation speed and the wind induced by the fire. The sensitivity study also showed the impact of the propagation speed at the head of the fire front on the surface wind speed, the leaf area index and the ignition temperature of the Balbi's parameterization. Sensitive and latent heat fluxes are mainly influenced by the dead fuel load and the moisture content of the dead fuel, respectively. In its standard version, the atmospheric model MésoNH is based on the anelastic assumption. This allows to suppress acoustic waves in the atmosphere by neglecting horizontal and temporal variations in air density in the mass conservation equation. The relevance of this hypothesis is questionable in the vicinity of flame zones subject to important heat releases. The compressible version of MésoNH, which does not make a specific assumption on air density in the continuity equation, previously developed for the dry atmosphere, has been extended to the humid atmosphere in this thesis. It was first applied on simplified dynamic cases. Then a comparison between anelastic and compressible systems was performed using the coupled model MésoNH-Blaze on the FireFlux I case. The results showed that the compressible effects become important at very high spatial resolution (10 m), by inducing a horizontal wind acceleration in front of the fire front which tends to accelerate the fire rate of spread, and by triggering a wave motion activity increasing the spectral energy of the shortest wavelengths. These fine-scale structures will require further validation but show a certain degree of realism. The MésoNH-Blaze system provides a numerical framework to better understand the atmospheric processes associated with a fire such as plume dynamics