Etude in-situ des écoulements catabatiques sur pente alpine forte en situation anticyclonique

Katabatic winds are very frequent gravity flows on the Earth’s surface, but are still not well understood or modeled, especially when developing on steep slopes. In-situ winter measurements, using a 10 m mast equipped with sonic anemometers and thermocouples on a snow-covered alpine slope of 30°, allow to study the wind speed and temperature profiles as well as the turbulent quantities of these gravity flows. Sensors embedded under a tethered balloon complete the velocity and temperature profiles, and give an estimate of the ambient stratification. This measurement campaign, carried out in February 2019, is unique because it gives access for the first time to slope-normal velocity, and to near-surface velocity measurements (using a 3D pitot). These data are complementary to a preliminary measurement campaign conducted in November 2012 on stony soil at the same site, using a 7 m mast. They should allow to progress in the understanding of the turbulent processes in the atmospheric boundary layer in complex relief.A model for the evolution of integral quantities along the slope, inspired by the scientific literature, is developed from the height-integrated heat and momentum equations. The integral velocity increases according to a power law 1/3 of the distance from the top, until it reaches a maximum value and then decreases. The model also allows to estimate the surface heat flux, and its evolution along the slope. Finally, we show an oscillation of the velocity norm over a period of the order of 20 minutes, related to the ambient stratification.Measurements made with a high frequency (1250 Hz) 3D pitot near the surface show a logarithmic velocity law, with a minor correction related to gravity effects. The inner region of the jet is not a constant flux layer, and the use of an analytical model developed in the literature allows to reproduce the behavior of the turbulent momentum flux under the maximum wind speed, consistent with the data. Finally, the inertial subrange of the velocity spectra made from the pitot data is fully resolved.Furthermore, turbulent measurements within the katabatic jet show that buoyancy can generate turbulence kinetic energy (TKE) in the upper part of the profile, whereas it usually acts as a TKE sink, under thermally stable conditions in the turbulent boundary layers. The 2019 measurement campaign provides access to the data in the coordinate system of the topography : the slope-normal velocity is negative in the lower part of the jet, and becomes positive in the middle of the jet. An analytical model, based on the momentum equation, allows to find slope-normal velocity consistent with the measurements in the lower part of the jet. The data in the topographic coordinate system also allow to estimate some terms of the TKE budget, rarely accessible on steep slopes with in-situ measurements, such as the TKE advection on z. In addition to the TKE budget, the determination of the shear and buoyancy terms of the turbulent momentum flux budget equation allows us to redefine the stress Richardson number, never used in the katabatic wind literature. This stress Richardson number is a complementary stability parameter to the flux Richardson number defined from the TKE budget. The turbulent fluxes vary with the gradient Richardson number Ri, with a ratio of turbulent diffusivity to turbulent viscosity varying from almost 1.4 (Ri ≈ 0) to 0.5 (Ri ≥ 0.5). A mixing efficiency parameter is introduced, considering the production or consumption of TKE by the turbulent sensible heat flux parallel to the surface.Les vents catabatiques sont des écoulements gravitaires très fréquents à la surface de la Terre, mais assez mal compris ou modélisés lorsqu’ils se développent sur pente forte. Des mesures nocturnes et hivernales sur une pente alpine enneigée de 30° permettent d’étudier les profils de vitesse de vent et de température de l’écoulement catabatique, ainsi que ses quantités turbulentes, à l’aide d’un mât de 10 m équipé d’anémomètres soniques et de thermocouples. Des sondes embarquées sous un ballon captif complètent les profils de vitesse et de température, et donnent une estimation de la stratification ambiante. Cette campagne de mesures, réalisée en février 2019, est inédite, dans la mesure où elle donne accès pour la première fois à la vitesse normale à la surface, et à des mesures de vitesse en proche surface (grâce à un pitot 3D). Ces données sont complémentaires d’une campagne de mesures préliminaire réalisée en novembre 2012 sur un sol pierreux sur le même site, à l’aide d’un mât de 7 m. Elles devraient permettre de progresser dans la compréhension des processus turbulents dans la couche limite atmosphérique en relief complexe.Un modèle d’évolution des quantités intégrales le long de la pente, inspiré de la littérature scientifique, est développé à partir des équations de chaleur et de quantité de mouvement intégrées sur la hauteur du jet catabatique. La vitesse débitante augmente suivant une loi en puissance 1/3 de la distance depuis le sommet, jusqu’à atteindre une valeur maximale, puis décroı̂t. Le modèle donne également accès à une estimation du flux de chaleur en surface, et de son évolution le long de la pente. On montre enfin une oscillation de la norme de la vitesse sur une période de l’ordre de 20 minutes, en lien avec la stratification ambiante.Les mesures réalisées au pitot 3D à haute fréquence (1250 Hz) en proche surface montrent une loi logarithmique de vitesse, avec une correction mineure liée aux effets de la gravité. La région interne du jet n’est pas une couche à flux constant, et l’utilisation d’un modèle analytique développé dans la littérature permet de reproduire le comportement du flux turbulent de quantité de mouvement sous le maximum de vitesse de vent, en cohérence avec les données. Enfin, la zone inertielle des spectres de vitesse réalisés à partir des données du pitot est entièrement résolue.Par ailleurs, les mesures turbulentes au sein du jet catabatique montrent que la flottabilité peut générer de l’énergie cinétique turbulente (TKE) dans la partie haute du profil, alors qu’elle agit habituellement comme un puits de TKE, en conditions thermiquement stables dans les couches limites turbulentes. La campagne de mesures de 2019 permet d’accéder aux données dans le repère de la topographie : la vitesse normale à la surface est négative dans la partie basse du jet, et devient positive au milieu du jet. Un modèle analytique, basé sur l’équation de quantité de mouvement, fournit des vitesses cohérentes avec les mesures dans la partie basse du jet. Les données dans le repère de la topographie permettent aussi d’estimer certains termes du bilan de TKE rarement accessibles sur forte pente avec des mesures in-situ, tels que l’advection de TKE sur z. En plus du bilan de TKE, la détermination des termes de cisaillement et de flottabilité de l’équation bilan du flux turbulent de quantité de mouvement permet de redéfinir un nombre de Richardson de cisaillement turbulent. Ce nombre de Richardson de cisaillement turbulent est un paramètre de stabilité complémentaire au nombre de Richardson de flux défini à partir du bilan de TKE. Les flux turbulents varient avec le nombre de Richardson de gradient Ri, avec un ratio de diffusivité turbulente sur la viscosité turbulente variant de presque 1.4 (Ri ≈ 0) à 0.5 (Ri ≥ 0.5). Un paramètre d’efficacité de mélange est introduit, prenant en compte la production ou la consommation de TKE par le flux turbulent de chaleur sensible parallèle à lasurface