Wintertime Stable Boundary-Layer Processes in Alpine Valleys

Processus de la couche limite atmosphérique stable hivernale en vallée alpine La dynamique de la couche limite atmosphérique d'une vallée alpine est influencée par le relief environnant et par l’écoulement de grande échelle qui la surmonte. La paramétrisation de cette circulation atmosphérique requiert donc de caractériser finement ces effets. C'est l’objectif de ce travail de thèse : comprendre l’influence du relief environnant une vallée sur les bilans de masse et de chaleur au travers d’une section de cette vallée, par conditions stables et sèches et lorsque le vent synoptique est faible mais non négligeable. Le travail s’appuie sur des simulations numériques.Plusieurs vallées idéalisées ont tout d’abord été considérées: une vallée infiniment longue (bidimensionnelle) et une vallée tridimensionnelle, qualifiée de supérieure, ouvrant soit sur une plaine (cas “vallée-plaine”), soit sur une autre vallée, qualifiée d’inférieure. Cette seconde vallée est soit plus large (cas “drainage”) ou plus étroite (cas “quasi-stagnation”).Dans les vallées tridimensionnelles, deux régimes principaux ont été identifiés, quelle que soit le cas considéré : un régime transitoire, avant que le vent de vallée (descendant) ne se développe, puis un régime quasi-stationnaire, quand le vent de vallée est complètement développé. La présence d’une vallée inférieure réduit la variation de température le long de la vallée, de sorte que le vent de vallée y est plus faible que dans le cas vallée-plaine. En conséquence, la durée du régime transitoire augmente et est maximum pour le cas quasi-stagnation. Lorsque la vallée inférieure est très étroite, la variation de température peut même changer de signe, conduisant à un vent de vallée montant, de la vallée inférieure vers la vallée supérieure. Durant ce régime transitoire, le taux de refroidissement moyenné sur le volume de la vallée est maximum, sa valeur dépendant du cas considéré. En conclusion, les cas drainage et quasi-stagnation conduisent à une couche limite dans la vallée supérieure plus froide et plus profonde que dans le cas vallée-plaine.Dans le régime quasi-stationnaire, le taux de refroidissement moyenné sur le volume de la vallée est plus faible que dans le régime transitoire et varie peu en fonction du cas considéré. En effet, lorsque la vallée inférieure devient plus étroite, le réchauffement lié aux effets advectifs diminue car la vitesse du vent de vallée diminue, de sorte que la contribution (refroidissante) du flux de chaleur sensible diminue également. La conservation de la masse dans la couche limite de la vallée supérieure est assurée par un équilibre entre la convergence des vents de pente au sommet de la couche limite (alimenté par un courant de retour au-dessus (et en sens inverse) du vent de vallée descendant) et la divergence du vent de vallée, les effets de subsidence loin des parois de la vallée jouant un rôle négligeable.Le cas réaliste de la vallée de l’Arve autour de Passy durant une période d’observation intensive de la campagne de mesures PASSY-2015 a permis de caractériser l’impact des vallées environnant Passy sur les bilans de masse et de chaleur dans la vallée. Une couche d’air froid persistante se forme en fond de vallée, suite à l’advection d’air chaud associée au passage d’une crête anticyclonique au-dessus de l’Europe. Les écoulements le long des vallées tributaires présentent une grande variabilité durant la phase persistante de l’épisode, dépendant de la variabilité de l’écoulement à grande échelle, et ont un impact majeur sur l’intensité de la couche d’air froid et la hauteur de l’inversion qui la surmonte. La forte stratification près du sol conduit à leur décollement au-dessus du fond de vallée, les empêchant d'y pénétrer. L’évolution de l’écoulement à grande échelle durant l’épisode a un profond impact sur la dynamique proche du fond de vallée. Durant la nuit en effet, la canalisation de cet écoulement réduit la variation de température le long de la vallée contrôlant le vent de vallée, favorisant la stagnation de l’air.