Soutenance mémoire
MS MICRO
Fonctionnement
MSM étant un code de calcul stationnaire (il n’y a aucune dérivée temporelle dans la modélisation) il ne permet pas de faire de la prévision sans apport extérieur d’information prévisionnelle (en pratique on utilise comme vent incident une valeur issue d’un modèle prévisionnel méso-échelle). Cependant son avantage est le temps de calcul relativement court pour de la micro-échelle (pour une grille carrée de 256 points de côté espacés chacun de 200 mètres la résolution se fait en quelques secondes). Il permet donc d’effectuer un posttraitement sur des fichiers de prévisions générés par le code utilisé par EC, GEM-LAM, qui eux sont à méso-échelle (2500 mètres pour les fichiers utilisés). Les entrées et sorties du code sont stockées dans des fichiers de standard .fst (aussi appelé .std) pour plus d’informations sur le format .fst on peut consulter le site de RPN.COMM à l’adresse http://collaboration.cmc.ec.gc.ca/science/rpn.comm/weblog/index.php (utilisateur : science ; mot de passe : science)
Pour ce faire on place une grille micro-échelle au-dessus de chaque point méso-échelle. Le profil de vent d’entrée de MSM sera généré par une extrapolation du vent de sortie de GEMLAM sur un profil logarithmique correspondant à la rugosité amont de MSM (celle de la zone plate entourant le domaine simulé).
Différentes options permettent de paramétrer l’exécution du code ; une nous est particulièrement utile pour la réalisation du coupleur ; il s’agit de l’option flat_Z0 qui permet de ne pas prendre en compte les effets des changements de rugosité (le terrain réel est remplacé par un terrain de même topographie, mais de rugosité constante correspondant à la rugosité amont). C’est en activant cette option que nous obtenons la solution MSM pour la topographie qui sert d’entrée au coupleur. Une autre option utilisée est d_topo qui permet de choisir si on utilise comme topographie le champ micro-échelle ou la différence entre le champ micro-échelle et le champ méso-échelle. L’utilisation habituelle de MSM choisit comme champ topographique la différence entre le champ méso-échelle et le champ microéchelle.
Nous obtenons en sortie des champs de vitesse ainsi qu’un speed-up défini comme étant le rapport de la vitesse en ce point sur la vitesse amont .Des sorties additionnelles peuvent être demandées en le précisant dans les paramètres d’entrées.
Caractérisation
Pour illustrer le fonctionnement de MSM une simulation pour un simple saut de rugosité est tout d’abord effectuée, et ce à plusieurs hauteurs. La rugosité varie de 0.001 mètre à 1.5 mètre, ce qui représente une transition entre un plan d’eau (lac ou mer) avec un terrain forestier (de plus 1,5 mètre représente le maximum de rugosité utilisé). On peut voir sur la figure 3.1 la vitesse en mètres par seconde pour des hauteurs variant entre 5 et 100 mètres. Si on peut voir un net impact dû au changement de rugosité à cinq mètres d’altitude (trait plein), avec une réduction de la vitesse d’environ un mètre par seconde presque instantanément, on peut également constater que l’impact du saut de rugosité s’amenuise à mesure que l’altitude augmente. À 20 mètres il y a encore quelques variations dont l’écart maximal n’est que de l’ordre de 0.2 mètre par seconde à environ 3000 mètres du saut, tandis qu’à 50 et 100 mètres le vent est quasiment constant. Ceci s’explique par la modélisation de MSM. En effet la longueur de mélange est proportionnelle à la somme de l’altitude et de la longueur de rugosité.((En considérant l’ordre de grandeur de la rugosité à un, on peut constater qu’à partir d’une altitude dépassant une dizaine de mètres l’effet de la rugosité ne rentre plus en compte dans le calcul de la longueur de mélange, celle-ci étant trop faible par rapport à l’altitude.
La figure 3.1 illustre également l’effet de la résolution par les séries de Fourier. Celles-ci impliquent deux choses, la première est due à l’obligation d’avoir un domaine infiniment périodique dans les deux directions horizontales, ce qui implique d’avoir une bande de terre plate fictive autour de domaine réel (de l’eau dans notre cas). Ceci est illustré par l’accélération du vent à la droite de la courbe (visible très clairement à cinq mètres). Le second effet des séries de Fourier finies (avec un nombre de termes limité) est la perturbation sinusoïdale des courbes ; ce phénomène est appelé l’effet de Gibbs et prend sa source aux discontinuités. La courbe à cinq mètres présente de nombreuses oscillations de faible amplitude, tandis que les autres courbes présentent, elles, des oscillations de longueur d’onde et d’amplitude supérieures. Ceci est dû au fait que la résolution ne se fait que pour les premiers termes de la série. On peut également remarquer que la symétrie du domaine (le saut de rugosité est situé au centre) implique une symétrie dans les oscillations des courbes autour du point de discontinuité.
Dans son fonctionnement normal, MSM permet de simuler des champs de rugosité bien plus complexes qu’une simple marche associée à un champ de topographie. Comme expliqué dans la première partie de ce chapitre il opère par superposition en calculant séparément la perturbation due à la topographie et celle due à la rugosité. Pour caractériser son fonctionnement sur des champs géophysiques plus complexes, une simulation pour la zone géographique d’Amqui est ensuite réalisée. Les figures suivantes montrent le champ de vitesse normalisée complet (figure 3.2), celui uniquement dû à la rugosité (figure 3.3) et celui uniquement dû à la topographie (figure 3.4).
On peut voir sur la figure 3.2, à la périphérie du domaine, la trace de la bande de terrain plat et de rugosité constante. Le cadre blanc marque la zone dans laquelle le domaine géophysique utilisé par MSM représente réellement le site (il exclut la bande de terrain plat et de rugosité constante), le cadre noir lui contient la zone habituellement exploitée des résultats de MSM. On voit également que le changement de rugosité à la frontière de cette bande engendre un brusque changement de vitesse. En observant la décomposition des perturbations entre la rugosité et la topographie (figures 3.3 et 3.4), on observe que la topographie a bien plus d’influence que la rugosité, le « speed-up » dû aux variations d’altitude (figure 3.4) varie entre 0,7 et 1,6, soit plus de 125 % de variation entre la plus grande et la plus petite vitesse alors que celui dû aux variations de surface (figure 3.3) ne varie que de 0.7 à 1,25 soit près de deux fois moins. Ces simulations étant réalisées à 10 mètres, cela s’explique comme pour le saut de rugosité simple par la modélisation choisie pour la longueur de mélange. Les champs de rugosité et de topographie sont donnés aux figures 3.5 et 3.6, ces champs proviennent directement du fichier de définition géophysique, par conséquent il ne représente pas la zone de terrain plat et à rugosité constante sur les bords. Sur le champ de topographie, on peut voir des valeurs négatives qui sont dues à l’option d_topo, cela signifie que l’altitude du champ micro-échelle est inférieure à l’altitude du champ méso-échelle.
La figure 3.7 représente la vitesse normalisée due à la rugosité correspondant à une ligne de la région d’Amqui (la ligne correspondante est indiquée en blanc sur la figure 3.3), le profil de rugosité est représenté en ligne pointillée. On peut remarquer une accélération au-dessus du lac, mais celle-ci est très localisée et très brusque, autrement la vitesse est quasiment constante malgré de fortes variations de rugosité.
Enfin pour estimer la précision de MSM les erreurs moyennes, quadratiques et quadratiques débiaisées (erreur quadratique de la prévision moins l’erreur moyenne) sont calculées pour les 24 cas de calibration répartis sur l’année 2005. Ces erreurs sont présentées sur les figures 3.8 à 3.13. Les formules utilisées sont les suivantes :où ܧ (݊)݉est l’erreur moyenne sur les 48 heures de prévision du LAM pour le cas n, ܧ݉ݍ (݊)l’erreur quadratique et ܧ݉ݍ (݊)݀l’erreur quadratique débiaisée (erreur quadratique moins erreur moyenne). ܰݐ correspond au nombre de pas de temps réalisés (17, les fichiers de sorties du LAM étant disponibles toutes les trois heures).
A noter qu’en pratique on ne prend pas en compte le premier cas (pour ݐ=0 car le LAM est en phase d’initialisation, les résultats obtenus ne sont donc pas crédibles), le premier cas pris en compte est pour ݐ=3.
On remarque que pour la station d’Amqui le LAM est plus performant que MSM (on peut voir que l’erreur moyenne, figure 3.6, oscille autour de zéro avec une amplitude d’un demimètre par seconde tandis que MSM obtient une erreur autour de 0.6 mètre seconde avec un maximum à 1.3). Pour l’erreur quadratique (figure 3.7) on observe la même tendance avec le LAM donnant des résultats nettement meilleurs que MSM, par contre lorsque l’on ôte l’influence de l’erreur moyenne sur l’erreur quadratique (figure 3.8), la supériorité du LAM devient moindre.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 MS Micro
1.2 Abrupt Change of Surface Condition
1.3 Wind Atlas Analysis and Application Programme (WAsP)
1.4 Système de Prévision Éolien
1.5 Projet ANEMOS
1.6 Modèle statistique
1.7 Modèle de référence
CHAPITRE 2 DONNÉES UTILISÉES
2.1 24 cas de calibration
2.2 Stations de mesure d’Environnement Canada
2.3 Données issues de mâts de mesure
CHAPITRE 3 MS MICRO
3.1 Théorie
3.2 Fonctionnement
3.3 Caractérisation
CHAPITRE 4 ABRUPT CHANGE OF SURFACE CONDITIONS
4.1 Théorie
4.2 Fonctionnement
4.3 Caractérisation
CHAPITRE 5 COUPLEUR MSM/ACSC
5.1 Théorie
5.2 Fonctionnement
5.3 Caractérisation
5.3.1 Influence du 47
5.3.2 Influence de la rugosité initiale
5.3.3 Influence de la décomposition en deux composantes distinctes
5.3.4 Présentation des résultats
CHAPITRE 6 Cap Nord, comparaison avec GMOS (J. Bedard)
6.1 Présentation des données
6.2 Condition de la simulation
6.3 New Reference Model modifié
6.4 Présentation des résultats
CONCLUSION
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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