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Thèse M2C, Rouen

Du 1 septembre 2022 au 31 août 2025

M2C UMR 6143 Université de Rouen
Contact : luminita.danaila@univ-rouen.fr

Dans le contexte de changement climatique, il est parfois difficile de distinguer les influences anthropiques, de la variabilité naturelle, tant celle-ci est complexe et pourtant si importante qu’elle peut masquer les effets des activités humaines sur le climat. C’est notamment le cas pour la variabilité de la circulation atmosphérique, que les modèles numériques actuels ne reproduisent pas correctement. L’une des raisons est l’impossibilité pour ces modèles de simuler les processus physiques sur l’ensemble des échelles spatio-temporelles où elles se produisent et notamment comment différents processus à différentes échelles interagissent. Le but de la thèse est de comprendre le lien entre les grandes échelles spatio-temporelles des mouvements cohérents de l’atmosphère et les statistiques à l'échelle régionale des différents champs turbulents (vitesse, température, humidité, précipitations), et notamment les événements rares ou extrêmes.

Interaction entre les grandes échelles spatio-temporelles et les fluctuations extrêmes de température et précipitations

Encadrants : L. Danaila, N. Massei
Dispositif de financement : Ministère

Résumé. Dans le contexte de changement climatique, il est parfois difficile de distinguer les influences anthropiques, de la variabilité naturelle, tant celle-ci est complexe et pourtant si importante qu’elle peut masquer les effets des activités humaines sur le climat. C’est notamment le cas pour la variabilité de la circulation atmosphérique, que les modèles numériques actuels ne reproduisent pas correctement. L’une des raisons est l’impossibilité pour ces modèles de simuler les processus physiques sur l’ensemble des échelles spatio-temporelles où elles se produisent et notamment comment différents processus à différentes échelles interagissent. Le but de la thèse est de comprendre le lien entre les grandes échelles spatio-temporelles des mouvements cohérents de l’atmosphère et les statistiques à l'échelle régionale des différents champs turbulents (vitesse, température, humidité, précipitations), et notamment les événements rares ou extrêmes. Afin de comprendre ce transfert entre les différentes échelles, il est proposé d’utiliser une approche en deux étapes.  
Il s’agit de:
1) Analyse de données. Des statistiques des fluctuations des champs turbulents, conditionnées par l’activité des grandes échelles (jet stream, par exemple), seront calculées. Ces statistiques concernent des champs filtrés à différentes échelles spatio-temporelles (via des incréments, ondelettes, etc.). Plus en détail, il s’agit des moments d’ordre :
● deux (énergie du signal), 
● trois (reflétant l’intensité de la cascade d’énergie, ou encore la vitesse à laquelle l’énergie transite entre les différentes échelles), et
● quatre (traduisant l’intermittence interne, ou encore la probabilité d’avoir des fluctuations rares, mais très fortes du signal). Ce dernier indicateur est essentiel dans la détection des évènements rares et/ou extrêmes.  
Les données vont être obtenues à partir de observations spatiales, ou des sorties de simulations numériques.  

La simple connaissance des statistiques ne suffit pas à identifier les processus physiques qui régissent la dynamique des différentes échelles, leurs interactions, et leur impact sur les évènements rares et extrêmes. Pour pallier à ce problème, nous avons besoin d’un cadre théorique. Grâce aux données obtenues, un modèle analytique sera développé et validé, qui nous permettra de tester différents scénarios de dynamique atmosphérique (blocking, écoulement zonal). 
2) La partie théorique est destinée à obtenir des équations de transport des statistiques (à l’ordre 2, 3 et 4) à chaque échelle spatio/temporelle pour les grandeurs turbulentes filtrées à l’échelle en question, pour des scénarios de dynamique atmosphérique (blocking, vent zonal). Ces équations de transport seront obtenues en partant des premiers principes (Navier-Stokes pour le champ de vitesse, advection-diffusion pour la température, etc.). Les moments d’ordre 2 signifient l’énergie du champ turbulent à l’échelle du filtrage, ceux d’ordre 3 correspondent au flux d’énergie à travers les échelles, et ceux d’ordre 4 donnent une indication sur le phénomène d’intermittence interne, reliée à une probabilité élevée des évènements rares et de forte intensité. Dans un premier temps, les équations de transport seront validées avec les statistiques calculées avec des données. Un point délicat dans cette étape consiste à proposer des modèles fiables de certains termes en fonction de l’inconnue, aussi appelé fermeture des équations. Cette compétence se base sur l’expérience antérieure du groupe de recherche pour les écoulements académiques. Dans un deuxième temps, les équations de transport seront ensuite résolues (analytiquement, ou numériquement) pour des fonctions de structure (i.e. des moments à différentes échelles spatio/temporelles) de différentes grandeurs (vitesse, température). Ces modèles analytiques pourront être conditionnés par des scénarios de dynamique atmosphérique (blocking, vent zonal), afin de prédire les probabilités d’apparition de phénomènes rares et/ou extrêmes.  

La valeur ajoutée du projet consiste en l’approfondissement de la compréhension de la physique impliquée dans les variabilités mesurées dans divers systèmes fluides. L’approche développée ici pour l’atmosphère pourra être étendue à d’autres systèmes fluides dans différents cadres d’application (hydrologie, océanographie, surcotes marines, écoulements autour d’hydroliennes). La partie théorique de la thèse peut être généralisée pour conduire à l’amélioration des modèles d’extrêmes, concernant les fortes pluies, sécheresses, orages, inondations etc., dans le contexte particulier du changement climatique.

Ces actions sont en cours d'initiation en partenariat avec différentes équipes (The Univ. of West England, Bristol, CAWR Coventry Univ., UMR BioGéosciences Univ. Bourgogne Franche-Comté). La thèse bénéficiera de la collaboration avec K.P. Chun, de L'Université de West England à Bristol, R.U.

Rôle du doctorant: Le doctorant participera activement à la totalité des étapes décrites ci-dessus, avec pour objectif, après une période de familiarisation, d’apporter sa propre contribution et ses idées tant d’un point de vue technique (Calcul des statistiques, résolution des équations de transport) que scientifique (compréhension des processus climatiques en jeu, conséquence des événements extrêmes pour les populations).

Mots clefs : Écoulements turbulents atmosphériques, grandes échelles, petites échelles, fonctions de structure, fluctuations rares et fortes, température, précipitations, évènements extrêmes.

Compétences des candidats : Mécanique des fluides, Turbulence, Programmation (Matlab, Python), Anglais.