Thèse Préservation des Vergers de Savoie Face aux Gelées Printanières. Rôle du Vent Catabatique sur le Processus de Gelée Radiative en Coteau. H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : STEP - Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes Laboratoire de recherche : Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels Direction de la thèse : Christophe BRUN ORCID 000000027895378X Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-07T23:59:59 Le dérèglement climatique actuel se traduit par une recrudescence des phénomènes météorologiques extrêmes et leur amplification. Parmi ceux-ci, les gelées printanières impactent de plus en plus souvent le développement des arbres fruitiers. Le projet présent se propose d'utiliser en synergie la variété d'approches dont le LEGI est spécialiste (numérique, expérimentale, théorique) pour comprendre finement les processus de refroidissement à l'oeuvre dans les vergers lors d'épisodes de gelées et analyser le mélange turbulent nécessaire pour le contrer.
Les objectifs du projet sont de deux ordres :
- étudier le phénomène de gelées printanières pour mieux comprendre les processus thermodynamiques et aérodynamiques mis en jeu et leur interaction en relief alpin, en situation d'inversion thermique courante lors d'épisodes météorologiques anticycloniques.
- analyser l'efficacité des moyens de lutte mis en oeuvre sur le terrain, les modéliser, les évaluer et proposer des solutions alternatives :
valorisation de la topographie alpine et des vents catabatiques associés pour augmenter le mélange turbulent en utilisant des moyens passifs (murets, haies)
génération de nuages de vapeur d'eau pour réduire ou bloquer les échanges radiatifs à la surface
Les approches mises en oeuvre pour l'étude sont diverses et complémentaires et s'appuient toutes sur l'expertise du LEGI dans le domaine de la mécanique des fluides appliquée à la géophysique d'une part (équipe MEIGE) et à la modélisation numérique HPC de la turbulence d'autre part (équipe MoST) :
- études in situ des phénomènes de gelées printanières dans les vergers de Savoie
- modélisation numérique 3D HPC des épisodes météorologiques d'intérêt à l'échelle du verger, dans le contexte régional et des processus en configuration idéalisée
- analyse théorique des instabilités hydrodynamiques et thermiques mises en jeu dans les processus de mélange turbulent à l'échelle de la couche de surface en coteau.
Tout en étant fortement ancré dans des activités de recherche fondamentale sur la turbulence, le projet se veut au plus prés d'une problématique sociétale et à ce titre mettra en jeu des collaborations étroites avec différents acteurs de la problématique des gelées printanières :
- arboriculteur de la SCEA des vergers de la Ferme du coteau en Savoie
- réseau de la chambre d'agriculture Mont-Blanc Savoie
Afin de mener à bien ce projet, la partie expérimentale in situ sera prise en charge dans le cadre d'une thèse de doctorat encadrée par un EC et une chercheuse de l'équipe MEIGE du LEGI. C'est l'objet de ce projet de décrire comment la thèse centrée sur l'observation de la turbulence in situ contribuera à une partie du projet de recherche et devrait permettre, d'une part d'améliorer la compréhension des processus en jeu dans l'interaction des vents catabatiques en coteau avec les gelées radiatives dans les vergers, d'autre part de proposer des solutions efficaces et quantifiables pour contrer ces gelées. Le dérèglement climatique se traduit par une recrudescence de phénomènes extrêmes météorologiques tels que les gelées printanières qui impactent de plus en plus souvent le développement des arbres fruitiers. La phase de
débourrement de la végétation devient plus précoce en fin d'hiver puis le gel radiatif agit sur la floraison du fruit. Les vergers de pommes et les
vignobles en coteaux sont parmi les plus touchés. Les épisodes anticycloniques de gelée, récurrents depuis avril 2017, ont conduit à de lourds dégâts. Les solutions adoptées sont variées : brasiers dans les vergers, fumées en amont des coteaux, turbines aérodynamiques ou hélicoptères en vol stationnaire. Elles s'appuient d'une part sur la redistribution du bilan d'énergie radiatif nocturne en surface en flux de chaleur sensible au niveau des vergers, d'autre part sur la valorisation du mélange turbulent généré par des sources aérodynamiques locales et sa contribution aux transferts de chaleur au sein de la basse couche de l'atmosphère. Bien que clairement identifiés, ces phénomènes thermiques et dynamiques sont en forte interaction et leur couplage a été peu étudié, d'autant qu'il s'agit d'une couche limite atmosphérique sur pente mêlant des processus complexes, localisés et intermittents, très proches de la surface, associés à des vents thermiques descendants. Les gelées printanières en coteau sont principalement gouvernées par le couplage entre refroidissement à la surface et écoulement gravitaire associés au vent catabatique turbulent sur pente. On étudiera le phénomène par des mesures in situ pour mieux comprendre les processus thermiques et dynamiques mis en jeu et leur interaction en relief de pente, en situation anticyclonique d'inversion thermique. On associera des approches complémentaires d'analyse expérimentale, théorique de stabilité linéaire et numérique de simulation de la turbulence (DNS, LES) afin de couvrir l'ensemble des régimes de nombre de Reynolds depuis la transition à la turbulence jusqu'à des régimes pleinement développés et réalistes. Le nombre de Froude du forçage gravitaire peut correspondre au régime de stabilité de la couche atmosphérique et permettre de critiquer les lois de similitude de Monin-Obukhov, à l'oeuvre pour quantifier les effets relatifs de flottabilité sur la turbulence. Ces deux paramètres universels (Re, Fr) peuvent s'exprimer en fonction des conditions aux limites thermiques et orographiques (angle a de la pente, refroidissement en surface Hs, stratification thermique ambiante N). Il s'agira de préciser les liens entre chacun de ces paramètres et les régimes de turbulence correspondant. La prise en compte de la vapeur d'eau sera limitée à son rôle de scalaire passif dans son couplage à la température et son influence sur le bilan de chaleur à la surface par changement de phase. On proposera des paramétrisations de la turbulence pertinentes pour ces couches limites gravitaires, validées sur la base des résultats expérimentaux et numériques avant d'être intégrées dans les modèles méso-échelle prédictifs. Le savoir-faire acquis dans ce projet pourra bénéficier à l'étude de solutions pratiques de lutte contre les gelées radiatives en coteau, en particulier au niveau local dans les vergers de Savoie concernés par l'étude in situ. L'observation in situ est la première étape vers l'analyse physique des phénomènes y compris concernant les propriétés de la turbulence dans les vents catabatiques. Les vents de pente dans les coteaux en épisode nocturne de gelée génèrent des couches limites fortement turbulentes, justifiant que l'étude couvre l'ensemble des régimes de transition à la turbulence jusqu'à des régimes turbulents pleinement développés. On étudiera in situ dans les vergers et en soufflerie naturelle sur pente alpine les processus thermiques et dynamiques à l'oeuvre dans des situations nocturnes de gelée radiative en présence de vent catabatique induit. Ces études expérimentales seront couplées à des approches numériques de modélisation de la turbulence et théoriques de caractérisation du taux de croissance des instabilités. Par ailleurs, la modélisation numérique régionale sur terrain réel devient accessible avec l'utilisation du calcul intensif HPC couplé à des paramétrisations de la turbulence à petite échelle et à des modèles de paroi. Cette partie permettra de replacer l'étude des processus catabatiques dans le contexte réaliste de prévision des épisodes de gelée in situ.
On s'intéressera à des situations de couche limite sèche avant de généraliser l'étude aux effets d'humidité spécifique dans l'évolution de température virtuelle et la redistribution du bilan radiatif en flux turbulent de chaleur sensible et chaleur latente. On analysera aussi la capacité du brouillard de vapeur d'eau à réduire le transfert radiatif par altération de l'émissivité du mélange d'air.

Le/la doctorant.e recruté.e sur les 3 ans de projet aura une formation en géophysique de l'atmosphère et/ou mécanique des fluides et sera chargé.e de la mise en place, la réalisation et l'analyse des mesures in situ des épisodes de gelées printanières dans les vergers en coteaux de Savoie. Il/elle participera à la recherche et la validation scientifique de solutions contre les gelées.Il/elle aura également une expertise sur les propriétés et processus de turbulence dans les fluides et en particulier en écoulements géophysiques.