Couche limite et micrométéorologie Le problème de fermeture Fermeture d’ordre 0 : Couche neutre Couche convective Couche nocturne stable

Contenu Les régimes de similitude  couche de surface (M-O cas limites) neutre très instable (convection libre) très stable (indépendance de z)  couche externe convective instable quasi-neutre stable continue stable sporadique

Similitude de M-O : limites asymptotiques Similitude de la couche neutre On considère le comportement limite dans les cas : Neutre : z/L = 0  Neutre : z/L = 0  Convection libre : -z/L >> 1  Similitude locale : z/L >> 1 Dans le cas neutre, avec z/L = 0, la longueur de Monin-Obukhov n’est plus une échelle importante et les fonctions de similitude deviennent constantes. neutre 0 stableinstable +2-2

Similitude de M-O : limites asymptotiques Similitude de la couche neutre On considère le comportement limite dans les cas : Neutre : z/L = 0  Neutre : z/L = 0  Convection libre : -z/L >> 1  Similitude locale : z/L >> 1

Similitude de M-O : limites asymptotiques Similitude de la convection libre On considère le comportement limite dans les cas :  Neutre : z/L = 0 Convection libre : -z/L >> 1  Convection libre : -z/L >> 1   Similitude locale : z/L >> 1 Dans très instable avec -z/L >> 1, selon Monin et Obukhov, les contraintes de surface représentées par u* ne sont plus une cause importante du comportement de l’écoulement. L’analyse dimensionnelle montre que dans ce cas

Similitude de M-O : limites asymptotiques Similitude de la convection libre On peut aussi définir les échelles caractéristiques de la convection libre locale : vitessetempératurelongueur Paramètres pertinents Grande instabilité :

z 0 à 50 m u Lf 0 à 0.5 m/s  Lf 0 à 2.0 K q Lf 0 à 5 g/kg Similitude de M-O : limites asymptotiques Similitude de convection libre locale vitessetempératurelongueur Garratt, 1999 Dans le cas de la convection libre les vents sont faibles. Seule le profil de température et diagnostiqué

Grande stabilité : Les mouvements verticaux sont largement freinés. Les fluctuations verticales sont petites. La taille des tourbillons va dépendre plus de la stabilité (L) que de la distance au sol (z). Celle-ci n ’est plus un paramètre pertinent. ’indépendance locale de zz less theory On parle alors d’indépendance locale de z (z less theory). Cette théorie est valable dans des cas très stables et assez loin du sommet de la couche stable h et quand z > L. Similitude de M-O : limites asymptotiques On considère le comportement limite dans les cas :  Neutre : z/L = 0  Convection libre : -z/L >> 1 Similitude locale (z-less) : z/L >> 1  Similitude locale (z-less) : z/L >> 1

Grande stabilité : Similitude de M-O : Z-less Comportement observé dans la couche de surface dans une mince couche L  z << h. Les constantes de proportionnalité sont très difficiles à obtenir à cause de la difficulté à obtenir de mesures assez précises. En dehors de la couche de surface on observe aussi une similitude indépendante de z mais qui dépend des flux locaux et non de ceux de la surface.

Structure de la couche limite atmosphérique selon sa stabilité (Deardorff, 1978) Structure de la couche limite atmosphérique

Régime convectif z/L < -0,5 couche limite convective couche de mélange La structure de la couche limite convective est dominée par la flottabilité. Les profils verticaux du vent moyen et de la température moyenne sont quasi-uniformes. Pour cette raison la couche convective s'appelle aussi couche de mélange. La couche de mélange est limitée au sommet par une inversion de température. Régime instable -0,5  z/L < -0,02 couche instable convection libre Dans la couche instable le mélange vertical est moins efficace que dans la couche de mélange et le vent varie avec la hauteur, mais la flottabilité est plus importante que le cisaillement du vent: convection libre Régime neutre -0,02  z/L < 0,02 quasi-neutre Une couche quasi-neutre observée dans la couche limite couplée à la surface. Exemples : dans le cas instable les jours de vents forts et ensoleillés ou la couche limite nuageuse.Dans le cas légèrement stable cette couche appartient À ne pas confondre avec la couche résiduelle à la couche limite stable. À ne pas confondre avec la couche résiduelle.

Domaine des classes de similitude : cas instable Région indépendante de L h = z i Région indépendante de z i Holslag and Nieuwstadt, 1986

Couche convective ou de mélange La couche limite convective ou de mélange est limitée par la hauteur de la couche limite, z i, que devient un paramètre important dans la définition de cette couche. Les autres paramètres importants sont le flux de chaleur sensible à la surface et le paramètre de flottabilité. En résumé : La hauteur z La hauteur de la couche limite z i Le flux de chaleur sensible à la surface, F H,s Le paramètre de flottabilité  =g/  0 Ces paramètres permettent a définition des échelles de la couche convective : vitessetempératurelongueur

Couche limite convective vitessetempératurelongueur z i 200 à 2000 m w * 2 m/s  *,ML 0,1 K q *,LM 0,1 g/kg

Couche limite convective Les gradients de vitesse et de la température sont constants dans la couche de mélange convective. Les flux et les variances sont données par la théorie de similitude et dépendent de z/z i z/z i Sans entraînement

Régime stable continu 0,02  z/L < 0,2 turbulence continue Dans le régime stable de turbulence continue la couche limite est crée par la turbulence d'origine mécanique. Le profil de la vitesse du vent montre un maximum (le jet de bas niveau). Ce niveau sert souvent d'indicateur du sommet de la couche limite stable. Régime stable intermittent z/L > 0,2 stable sporadique Dans le régime stable sporadique la stabilité est telle que seule une mince couche proche de la surface est turbulente. La plupart de l'écoulement est laminaire avec quelques foyers de turbulence intermittents crées par des ondes de gravité.

Domaine des classes de similitude : cas stable Holslag and Nieuwstadt, 1986 Intermittence: Vents faibles ou très grande stabilité

Similitude locale : turbulence continue Les forces de flottabilité contribuent à diminuer la turbulence, qui reste faible et indépendante de la distance à la surface. Les échelles doivent être dépendants des flux locaux qui eux dépendent de z. vitessetempératurelongueur Paramètres importants :

Similitude locale : turbulence continue Les fonctions de similitude ont la même forme que les fonctions de Monin-Obukhov mais la variable indépendante est z/L L et les échelles de vitesse et de température sont u L et  L Dans la couche de surface L L = L L L 0 à 50 m u L 0 à 0.3 m/s  L 0 à 2.0 K q L 0 à 5 g/kg

Grande stabilité : Similitude indépendante de z vitessetempératurelongueur Si la couche est continuellement turbulente il est encore possible de trouver des fonctions de similitude. Dans cette couche la distance à la surface n'est plus un paramètre important

Grande stabilité : Similitude locale (z less similarity)

Similitude de Monin Obukhov ou similitude de la CS Similitude de Monin Obukhov ou similitude de la CS : applicable seulement dans la couche de surface et quand il y a du vent. Très utilisé dans toutes les applications dans la couche de surface Similitude de la couche de mélange Similitude de la couche de mélange : applicable dans la couche de mélange diurne Similitude locale Similitude locale : Couche stable Couche stable : les caractéristiques de l'écoulement dépendent de caractéristiques locales qui dépendent de z (des petits tourbillons) Couche stable indépendante de z Couche stable indépendante de z : La couche stable qui n'est plus influencée directement par a surface. Convection libre locale Convection libre locale : transports d'origine thermique mais limités par la surface Résumé

À noter que : Les processus dans la couche limite stable sont mal connus à cause des difficultés à faire des mesures fiables. La turbulence est faible et les ondes de gravité et les effets locaux créent une grande incertitude dans les mesures. De plus, la couche stable est moins stationnaire que la couche convective ou la couche de surface. Très proche de la surface (z/L ~ 0) les profils de vent et de température sont logarithmiques. Les régimes convectif et stable sporadique n'existent jamais proche de la surface.

Application des théories de similitude Monin-Obukhov L'application de la théorie de Monin-Obukhov est limitée à la couche de surface. L'écoulement quasi-stationnaire au dessus de la couche de surface est décrit par théorie de similitude locale la théorie de similitude locale dans le cas stable thermique. convections libre locale la couche de mélange Dans le cas thermiquement instable, quand les vents sont faibles, proche de la surface on utilise la théorie de similitude de la convections libre locale. Encore un cas difficile à étudier puisque les mesures sont difficiles. Au dessus de la couche de surface se forme la couche de mélange dont les fonctions de similitude dépendent uniquement de z/z i, où zi est la hauteur de la couche limite. similitude de Rossby Parfois, dans la partie supérieure de la couche limite (la couche externe) on utilise la théorie de similitude de Rossby. Cependant elle est incapable de prédire le profil vertical des quantités qui caractérisent l'écoulement dans la couche externe. Cette théorie permet d'établir des relations qui relient les flux de surface aux paramètres qui caractérisent l'écoulement quasi-géostrophique de l'atmosphère libre.