Ces travaux de thèse se sont déroulés au sein du laboratoire du CNRM-GAME (Météo-France/CNRS), au sein du groupe GMME et de l'équipe MESONH. Je tiens tout d'abord à remercier chaleureusement Joël Poitevin pour avoir soutenu ma candidature au financement de thèse, pour m'avoir encouragé à passer le concours spécial d'ingénieur à Météo-France, et pour m'avoir permis de continuer la thèse en tant que stagiaire fonctionnaire. Je souhaite remercier profondément mon directeur de thèse, Didier Ricard,

more »

... ainsi que ma codirectrice Christine Lac pour leur grande disponibilité et leur soutien surtout lors de la rédaction du manuscrit, qui a été pour moi une tâche difficile. Je les remercie aussi pour le temps consacré à des discussions quasi quotidiennes sur des questions scientifiques. Une chose est sure, je suis fier d'avoir réalisé ma thèse à leur côté. En bref, un gros merci ! Je suis sincèrement reconnaissant envers mes rapporteurs Jean-Luc Redelsperger et Joan Cuxart qui ont pris le temps d'évaluer ce travail en un temps relativement court et d'avoir posé des questions qui permettent d'alimenter le débat. Merci à Sylvain Coquillat d'avoir présidé ce jury et à Jean-Yves Granpeix pour l'intérêt qu'il porte à ce travail. Je tiens à remercier la direction du laboratoire de m'avoir proposé un poste permanent au CNRM dans l'équipe MOSAYC. Je remercie également Eric Martin pour son accueil au sein de l'équipe MOSAYC et de m'avoir autorisé à utiliser mon temps de travail afin de terminer cette thèse. De façon plus générale, je remercie également tous ceux qui de près ou de loin, m'ont aidé ou aiguillé dans mon travail. Merci à Jean Philippe Lafore, mais aussi à Patrick Mascart qui m'ont lors du premier comité de thèse donner des conseils avisés pour la poursuite de cette thèse. Merci à Fleur Couvreux et à Françoise Guichard pour leur aide lors de la préparation de la soutenance. Je remercie également Juan Escobar pour son aide précieuse sur l'utilisation du modèle Méso-NH en mode grand grille, sans quoi cette thèse n'aurait pu se faire. Un grand merci aux membres de l'équipe MESONH : Jeanine Payart, Gaelle Delautier, et Sebastien Riette ainsi qu'aux différents membres de l'équipe MICADO. Je pense en particulier à Odile et Romain pour leurs aides lors du pot de thèse. Merci à Julien, Rachel et Benoit avec qui j'ai partagé le bureau pour les agréables moments passés en leur compagnie et à Régine pour son aide administrative indispensable. Je remercie ma famille, particulièrement mes parents pour leur irremplaçable et inconditionnel soutien. En fin merci à toi, Candice pour ta patience. Tu as su me supporter pendant ces années de thèse. Cette aventure a débuté par la naissance de notre première fille Léana, et elle se termine par un nouvel heureux évènement, la naissance de notre deuxième fille, Hanaé. Cette thèse est dédiée à Candice, à Léana et à Hanaé. III IV Abstract The limited-area atmospheric models provide nowadays kilometer-scale forecasts and within a few years hectometer-scale forecasts. A these fine scales, the convective motions and turbulent processes strongly interact, the former being considered explicitly resolved and the latter being located in the gray zone of turbulence. This thesis aims to document the sensitivity to horizontal resolution of modeling deep convection at kilometer and hectometer scale, to evaluate, and to improve the parameterization of subgrid turbulence in convective clouds. In the first part, a sensitivity study to the horizontal resolution with nonhydrostatic models AROME and Meso-NH is performed for an idealized case of deep convection. All simulations exhibit the same scenario with an initial cell which is divided into a supercell and a multicell system. The 4-km resolution simulations would require deep convection scheme to represent some of the convective motions. The differences between the simulations with 1-km and 2-km grid spacing are higher than those between the 1-km and 500-m runs, emphasizing that the 1-km resolution appears necessary to start well predict convective structures. Diffusive effects are stronger with the AROME model, as smaller scale features are discernible with the Meso-NH model for the same resolution. L'évaluation diagnostique de la paramétrisation actuelle, à partir des champs de référence, montre que la production thermique de turbulence est largement sous-estimée au sein des nuages. La structure en contre-gradient des flux turbulents n'est pas non plus reproduite, la formulation locale en K-gradient n'étant pas adaptée. Des paramétrisations alternatives de ces flux verticaux sont alors testées. La formulation basée sur TTE (énergie turbulente totale) ne permet pas une amélioration significative. La formulation basée sur des gradients horizontaux, à partir de Moeng et al. (2010Moeng et al. ( ,2014, offre une meilleure représentation de la production thermique de turbulence dans le nuage, grâce à une bonne représentation des zones à contre-gradient. L'évaluation "online" à 1 km confirme l'amélioration, avec une diminution significative des vitesses verticales dans les nuages convectifs, et une augmentation de la turbulence sous-maille. mots clés : convection profonde, turbulence, zone grise, échelles kilométrique et hectométrique, LES, paramétrisation VII VIII Le premier chapitre rappelle tout d'abord les différents modes élémentaires d'organisation de la convection profonde. Le second chapitre est consacré à l'état de l'art sur la paramétrisation de la turbulence, ainsi qu'à l'interaction de la convection et de la turbulence. Le 3 e chapitre présente ensuite les outils numériques utilisés au cours de cette thèse, les modèles non-hydrostatiques AROME et Méso-NH. Dans le 4 e chapitre, une étude de sensibilité à la résolution horizontale est menée avec ces deux modèles de méso-échelle pour des simulations de systèmes convectifs idéalisés, ainsi qu'une étude de sensibilité aux schémas de turbulence sous-maille version 1D versus version 3D avec le modèle Méso-NH utilisant le schéma de turbulence de Cuxart et al. (2000). Les défauts de ce schéma au sein des nuages convectifs sont mis en évidence. Le 5 e chapitre affine le diagnostic sur les défauts de certains flux turbulents en exploitant les champs issus d'une simulation LES de référence d'un système convectif à 50 m de résolution. 4 Des alternatives au schéma actuel sont aussi testées en mode diagnostique à partir des champs de la LES moyennés à la résolution kilométrique. Le 6 e chapitre évalue différentes paramétrisations de la turbulence sur les simulations idéalisées du même système convectif à 1 km, par comparaison à la simulation LES de référence. Les tests portent sur la longueur de mélange, puis sur de nouvelles formulations de certains flux turbulents. Enfin, les différents résultats obtenus au cours de cette thèse sont résumés et quelques perspectives de recherche sont présentées. 6 Chapitre 2 Organisation de la convection profonde Dans l'atmosphère, les phénomènes convectifs profonds prennent des formes diverses et couvrent une gamme d'échelles très grande, allant du cyclone tropical au cumulonimbus isolé. Les orages sont des phénomènes potentiellement dangereux car ils peuvent être associés à de fortes précipitations, à de la grêle, des éclairs avec des impacts de foudre, de fortes rafales de vent et des tornades dévastatrices. Avant de s'intéresser à la turbulence dans les nuages convectifs dans la partie suivante, nous rappelons, dans ce chapitre, les modes d'organisation de la convection profonde sous forme de cellule isolée, de système multicellulaire et de supercellule. Les différentes manifestations de la turbulence atmosphérique Dans l'atmosphère, la turbulence est très présente dans la couche limite, c'est-à-dire dans la partie de l'atmosphère qui subit le plus l'influence de la surface (continentale ou océanique). En effet, la surface, chauffée par le rayonnement, transmet une partie de son énergie à l'atmosphère. Localement, des mouvements verticaux se développent car des parcelles d'atmosphère acquièrent une flottabilité plus importante que l'air environnant. De plus, le cisaillement vertical du vent lié à l'influence du frottement de la surface génère une turbulence d'origine dynamique. Au-dessus de cette tranche d'atmosphère qui atteint 1000 à 2000 m en moyenne, le fluide atmosphérique est essentiellement laminaire, c'est-à-dire un écoulement régulier dans lequel deux parcelles voisines à un instant donné restent voisines aux instants suivants.