Numerical simulation of a condensation trail evolution and its interaction with the atmospheric turbulence.
Simulation numérique de l’évolution d’une traînée de condensation et de son interaction avec la turbulence atmosphérique.
Résumé
Due to the rapid growth of commercial air traffic started in the 90’s, the environmental impact of aircraft emissions has become now a topic of academic research and practical interest in the community of atmospheric chemistry modelers. The incorporation of these emissions into climate models is a difficult task because of the complex physical and chemical transformations occurring in the plume of the aircraft, and the large range of scales involved. The objective of this thesis is two-fold : the first one is to contribute to the elaboration of a new parameterization that models the effect of non-linear aircraft plume NOx chemistry on atmospheric ozone. The second objective is to evaluate the distribution of ice particles within the contrails in order to quantify their radiative impact. To this end, we developed a numerical model of the dynamical and microphysical processes of a generic contrail, from its early phase of formation up to its interaction with the atmosphere. It is based on the MesoNH model coupled with a specific microphysical module. Afterwards, we analyzed in detail the vortex regime up to 340 s after emission time, and performed the first simulation to date of the following diffusion regime where the plume interacts with atmospheric turbulence. In the first vortex regime, the model reproduces the main features of the wake dynamics (such as formation of vorticity ring, linear growth of the short and long wavelength instabilities, formation of a secondary wake induced by the baroclinic torque) and an evolution of the ice particle distribution in good agreement with the measurements obtained for young contrail. In the diffusion regime, we force the model simulation with a synthetic sustained turbulent flow that mimics the real atmospheric turbulence at the tropopause level. The contrail simulation was run up to 30 min, and the results are in good agreement with the available experimental data, which validates, a posteriori, the simulation strategy adopted through this work. Finally, it is concluded that our model is suitable to evaluate in the future the impacts of aircraft emission on the atmospheric chemistry and radiative balance.
Depuis les années
90 , au vu de l'augmentation continuelle du transport commercial aérien,
le problème de son impact sur le climat est devenu un sujet de recherche important. Les
émissions d'un avion ne peuvent pas être prises en compte simplement dans un modèle de
grande échelle, car elles subissent des transformations physicochimiques suite aux fortes
interactions avec la dynamique du sillage induit par l'avion. L'utilisation de paramétrisa-
tions est donc nécessaire, et leur développement représente un réel challenge quant à la
multitude des échelles mises en jeu.
L'objectif de ce travail est double. Il s'agit, d'une part, de participer au développement
d'une nouvelle paramétrisation qui prend en compte l'eet de réservoir induit par le sillage
sur la chimie des NO x
et les non-linéarités de la chimie de l'ozone. D'autre part, il s'agit
également d'évaluer les paramètres de granulométrie des particules de glace dans le sillage
en vue d'en calculer l'impact radiatif.
A cette n, nous avons mis au point un modèle numérique capable de résoudre l'évolution
de la traînée de condensation (
i.e.
contrail) formée derrière un avion depuis sa phase de
formation jusqu'au régime d'interaction avec l'atmosphère en s'intéressant au couplage
dynamique-microphysique. Ce modèle combine le modèle MesoNH
avec un schéma mi-
crophysique spécique à notre problème. Nous avons ainsi mené une étude détaillée de
la phase de vortex de l'évolution d'un contrail, et réalisé une première simulation de la
phase d'interaction avec l'atmosphère (régime de diusion), où le forçage par la turbulence
atmosphérique prédomine. Sur le régime de vortex ( t
cipales caractéristiques dynamiques du sillage (
i.e.
≤ 340 s ), nous avons résolu les prin-
formation des anneaux de vorticité,
développement linéaire des instabilités de courte et grande longueur d'onde, formation
d'un second sillage par le torque barocline) et trouvé un comportement des particules de
glace proche du celui donné par les mesures eectuées sur de jeunes contrails. Ensuite,
pour la phase de diusion, la modélisation d'une atmosphère turbulente soutenue nous a
permis de simuler un contrail âgé de
30 min
dont les caractéristiques sont en bon accord
avec les mesures expérimentales disponibles. Les résultats obtenus, notamment dans la
phase de diusion, sont originaux et confortent la méthodologie mise en oeuvre.
En conclusion, le modèle que nous avons mis au point montre donc un comportement
très satisfaisant, et ouvre des perspectives très intéressantes pour évaluer l'impact des
émissions d'un avion sur la chimie atmosphérique et le bilan radiatif.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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