Composition du jury

Riwal Plougonven, Professeur – Ecole Polytechnique (LMD): Président
Yelva Roustan, Chargé de recherche – Ecole des Ponts Paristech / EDF (CEREA): Rapporteur
Frédéric Chevallier, Directeur de recherche – Institut Pierre-Simon Laplace / CEA (LSCE): Rapporteur
Christine Lac, Directrice de recherche – Météo-France (CNRM): Examinatrice
Emmanuel Audusse, Maıtre de conférences – Université Sorbonne Paris Nord (LAGA): Examinateur
Thomas Dubos, Professeur – Ecole Polytechnique (LMD): Directeur de thèse
Sylvain Mailler, Ingénieur des Ponts, des Eaux et Forêts – Ecole des Ponts ParisTech (LMD): Co-encadrant de thèse

Résumé

La distribution d’aérosols et de gaz trace dans l’atmosphère résulte de l’émission d’espèces gazeuses et particulaires primaires, ainsi que de leur transport, de leur sédimentation et de leurs transformations (photo)chimiques. La modélisation de ces processus dans l’atmosphère peut s’aborder au travers de modèles de chimie-transport d’échelle globale ou régionale.
Le modèle CHIMERE, développé en grande partie au LMD (Mailler et al., 2017), est un modèle de chimie-transport régional, récemment étendu aux échelles hémisphériques, qui permet d’aborder ces phénomènes sur une grande gamme d’échelles, allant de l’échelle d’une ville à celle d’un hémisphère. Il est toutefois difficile d’utiliser ce modèle pour représenter les interactions entre phénomènes de petite échelle (pollution de la couche limite urbaine) et de grande échelle (transport à l’échelle continentale ou hémisphérique) de panaches fins de gaz et d’aérosols, issus par exemple d’émissions de panaches volcaniques, de feux de forêt, ou d’aérosols désertiques. Cette limitation est un effet de l’impossibilité d’utiliser le modèle sous sa forme actuelle avec un domaine à maille non structurée, seul type de maillage permettant une réelle variation de la résolution en fonction de zones d’intérêt définies par le modélisateur (zones urbaines, zones d’émission). Cette limitation est commune à la totalité des modèles de chimie-transport existants à l’heure actuelle, pouvoir la lever serait donc un important pas en avant pour la compréhension des interactions d’échelle dans le domaine de la chimie atmosphérique.
Une façon de lever ces limitations serait de remplacer le maillage cartésien de CHIMERE par un maillage non-structuré. En effet les maillages non-structurés permettent de faire varier la résolution dans l’espace et de concentrer les ressources de calcul dans les quelques régions clés (p.ex. près d’une éruption volcanique) où une haute résolution spatiale est réellement nécessaire. Introduire une telle flexibilité multi-échelle représenterait un pas important pour la modélisation des interactions d’échelles en chimie atmosphérique, et permettrait potentiellement des percées dans la compréhension de ces interactions.
DYNAMICO, le modèle de circulation générale atmosphérique développé récemment au LMD et au LSCE (Dubos et al., 2015) est basé sur des maillages de Voronoi non-structurés sphériques. L’objectif de cette thèse est de contribuer à l’évaluation de méthods numériques empruntées à DYNAMICO pour le transport à grand échelle de panaches fins. A cette fin nous comparons la performance numérique de schémas de transport formulés sur maillage non-structuré (Dubey et Dubos, 2015) à celle de schémas similaires formulés sur un maillage cartésien sphérique évitant les pôles. Des schémas d’ordre varié et avec différents traitements de l’intégration temporelle sont implémentés pour chacun des deux types de maillage. Un jeu de cas-test est utilisé pour évalué différentes propriétés des paires maillage-schéma. Différentes métriques permettent d’étudier les propriétes de stabilité, monotonocité, convergence et diffusion numérique. Alors que l’on pouvait s’attendre à une meilleure performance des schémas cartésiens par rapport à aux schémas non-structurés de complexité similaire, nous trouvons qu’un schéma de la famille des schémas de Van Leer a une performance comparable à un schéma similaire sur maillage cartésien, schéma qui est proposé par défaut par le modèle CHIMERE de façon opérationnelle. Au-delà de ces expériences numériques bidimensionnelles idéalisées, nous comparons la performance de ces deux schémas dans un contexte tridimensionnel réaliste inspiré de l’éruption du volcan Puyehue en 2011. Ce nécessaire jalon doit être complété par des expérience à résolution variable pour mener à une évaluation complète des mérites de la modélisation multi-échelles pour les applications en chimie-transport.

The distribution of aerosols and trace gases in the atmosphere results from the emission of primary gaseous and particulate matter, as well as their transport, sedimentation and (photo-)chemical transformations. Understanding and quantifying these processes in the atmosphere can be addressed through the use of global-scale or regional-scale chemistry-transport numerical models.
CHIMERE is a chemistry-transport model developed mainly at LMD (Mailler et al., 2017). Initially targeted to urban and regional scales, it was recently extended to hemispheric scales in order to address these processes on a wider range. While theoretically possible, it is impractical to use this model to represent interactions between small-scale processes (e.g. pollution in the urban atmospheric boundary layer) and large-scale processes (e.g. intercontinental transport) controlling sharp plumes of gas and aerosols, resulting for instance from massive emissions by volcanic eruptions, forest fires and desert aerosol tempests. Indeed such studies requiring both large domains and high resolution have a prohibitive numerical cost due to the formulation of CHIMERE on a regular Cartesian mesh. This limitation is shared by all currently operational chemistry-transport models (CTMs). Additionally, traditional Cartesian longitude-latitude meshes pose a numerical singularity at the poles, where the longitude lines converge.
One way to lift these limitations would be to replace CHIMERE’s Cartesian mesh by a fully unstructured mesh. Unstructured meshes support variable resolution in space, allowing computational resources to be focused in those few key regions (e.g. volcanic eruption) where high spatial resolution is really required. Allowing such multi-scale capacity would be a significant step forward in the modelling of scale interactions in atmospheric chemistry, and would potentially allow breakthrough for the understanding of such interactions.
DYNAMICO, the atmospheric general circulation model recently developed at LMD and LSCE (Dubos et al., 2015) supports unstructured spherical Voronoi meshes. It is the goal of this PhD project to contribute to the assessment of the viability of numerical methods borrowed from DYNAMICO for large-scale transport of sharp plumes. To this end, we compare the numerical performance of transport schemes formulated on spherical unstructured meshes (Dubey and Dubos, 2015) with schemes formulated on Cartesian spherical meshes avoiding the poles. Schemes of various order and different treatments of time integration are implemented in each mesh framework. A suite of test cases is used to evaluate different properties of the mesh-scheme pairings. Various metrics are used to study stability, monotonicity, convergence and numerical diffusion. While it could be anticipated that Cartesian schemes perform better than their unstructured counterpart of similar complexity, we find that a scheme of the Van Leer family on the unstructured mesh has a comparable performance to a similar scheme on a Cartesian mesh, which is the default scheme used operationally by CHIMERE. Beyond these idealized two-dimensional numerical experiments, we compare the performance of the two schemes in a realistic, three-dimensional setting mimicking the eruption of the Puyehue volcano in 2011. This necessary milestone is to be complemented by experiments with variable-resolution meshes leading to a full assessment of the merits of multi-scale-modelling chemistry-transport applications.