Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut des infrastructures, des ressources et de l'environnement ICARE (Laboratoire des systèmes énergétiques LASEN)

Maximisation numérique et mesures acoustiques des précipitations

Goulpié, Pascal ; Sarlos, Gerassimos (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2940.

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    Summary
    Knowledge of extreme precipitation phenomena is of crucial importance to the safety of civil engineering works and for electricity production management in a country of lakes and mountains like Switzerland. In order to study the distribution in space and the evolution of strong rain episodes, the work presented here relies on the complementary approaches of field observation and numerical simulation. The experimental portion of this project relies on a novel, acousticbased, rain metrology instrument. Based on the results, a methodology for the determination of raindrop size distribution (disdrometer facility) and rainfall rate (rain gauge facility) has been developed and is described in the present dissertation. In addition, numerical modelling and simulation methods were developed with the aim of calculating — for a given watershed topography — the Probable Maximum Precipitation (PMP). The method relies on the separation of the different phenomenological contributions and on the climatic characterization of atmospheric situations leading to extreme rain events. Boundary and initial conditions are represented by theoretical profiles of the wind speed, wind direction, temperature, and water contents, turbulent energy and dissipation rate variables. The numerical model calculates the consequent wind and rain fields within the simulation domain for the desired atmospheric situation. The hydrodynamic code (CFX4) is based on the finite volume approach and is particularly adapted to complex geometries, allowing an excellent representation of the topography. The code is partially open and several specific atmospheric models were implemented. Microphysics schemes considered are Kessler's warm classic scheme (1969) and the Caniaux detailed scheme (1993). The latter includes solid ice particles, aggregates and graupel and allows the simulation of convective as well as orographic cloud system precipitation cycles. Sensitivity studies of the results with respect to the dominant parameters of each situation, lead to a maximisation procedure successfully applied to convective as well as frontal precipitation. The work shows that the maximisation method consisting of maximising severe events into critical events can be more effective than using statistical approaches. Use of this method compensates for the relative lack of measurement facilities in many regions.
    Résumé
    Pour un pays de lacs et de montagnes tel que la Suisse, la connaissance des phénomènes de précipitations extrêmes est un enjeu tant de sécurité des infrastructures que de gestion de la production d'électricité. Afin d'étudier les distributions spatio-temporelles des précipitations intenses, la présente recherche s'appuie sur deux approches complémentaires que sont les observations sur le terrain et la simulation numérique. La partie expérimentale traite d'un instrument de mesure des caractéristiques de la pluie doté d'un principe original de fonctionnement : à partir des signaux acoustiques générés par les gouttes sur la coque résonnante de l'instrument, le travail consiste à déterminer les distributions de tailles et l'intensité de précipitation (resp. disdromètre et pluviomètre). La recherche en modélisation numérique vise à calculer, pour un bassin versant, la précipitation maximale probable (PMP). La méthode repose sur la séparation des contributions phénoménologiques et sur la caractérisation climatologique des situations atmosphériques à précipitations intenses. Les conditions de bords et initiales sont représentées par des profils analytiques des variables vitesse, direction, température, contenus en humidité, et énergie et dissipation turbulente. Le modèle numérique calcule, dans le domaine de simulation, les vents et les précipitations consécutifs au type de situation météorologique visée. Le code de calcul hydrodynamique (CFX4) est basé sur la méthode des volumes finis spécialement adaptée aux géométries complexes et offre ainsi une excellence prise en compte de la topographie. Grâce à l'accès aux stratégies de résolution des calculs, des modèles spécifiques de l'atmosphère ont été intégrés aux simulations. Les paramétrisations microphysiques retenues sont le schéma classique de Kessler (1969) et le modèle détaillé de Caniaux (1993). Ce dernier inclut les espèces solides de glace, grésil et agrégats, et permet de représenter le cycle des précipitations de systèmes nuageux aussi bien convectifs qu'orographiques. Les études de sensibilité des simulations aux principales caractéristiques des situations ont mené à une procédure de maximisation qui est appliquée de manière satisfaisante aux cas de précipitations frontales et orographiques. La méthode de maximisation d'événements météorologiques en événements critiques se révèle ici performante par rapport aux méthodes statistiques et permet de pallier aux manques relatifs de mesures dans de nombreuses régions.