Couche limite atmosphérique Micro météorologie Définition La couche limite atmosphérique est la partie de l’atmosphère en contact avec la surface terrestre, directement influencée par la présence de celle-ci

SCA7025 Professeure: Eva Monteiro, Jean-Pierre Blanchet Bureau: PK-2345, PK-2515 Téléphone: 6807, 3316 courriel: eva@sca.uqam.ca

Micrométéorologie Étude des phénomènes atmosphériques et processus à la petite échelle : micro et locale Le domaine de la micro météorologie est limité aussi aux phénomènes observés dans la couche limite atmosphérique

Bibliographie An Introduction to Boundary Layer Meteorology par R. B. Stull Les théories de la turbulence dans la couche limite atmosphérique par G. de Moor Introduction à la micrométéorologie par A. Poggi The structure of atmospheric turbulence par J. L. Lumley et H. A. Panofsky Introduction to micrometeorology par S. Pal Arya Boundary Layer Climates par T. R. Oke

Devoirs et participation: 40% Examen intra : 20% Examen final : 20% Évaluation Devoirs et participation: 40% Examen intra : 20% Examen final : 20% Travail de session : 15% La présentation: Cette présentation vous donnera l ’oppotunité de développer qui vous intéresse spécialement. Minimum 10 page. Forme, selon un document scientifique (document à venir) Laboratoire numérique avec le modèle de couche limite COBEL

Buts de ce cours Comprendre : 1) ce qui est la couche limite atmosphérique (CLA) 2) l ’importance des processus ayant lieu dans la CLA 3) la relation entre la CLA et l ’atmosphère libre 4) l ’intérêt de l ’étude de la CLA

Cours d’aujourd’hui Échelles météorologiques Couches dans la troposphère Définition de couche limite et ses caractéristiques Forçages dans la couche limite Comparaison entre la couche limite et l ’atmosphère libre Définition de micro-météorologie Applications

Échelles des phénomènes atmosphériques Globalement, l’atmosphère évolue comme un écoulement turbulent dont l’énergie cinétique se répartit selon un spectre continu au sein duquel se produisent des transferts d’énergie entre les échelles. Pourtant il existe au sein de ce continuum des structures identifiables que sont les phénomènes atmosphériques.

Équations qui gouvernent le mouvement d ’un fluide Équation de conservation de quantité de mouvement Équation de conservation d ’énergie Équation de continuité

Échelles Échelles atmosphériques: Échelles temporelles : de 1 a 108 s. Les structures météorologiques et les processus qu’elles mettent en cause occupent une gamme d’échelles très étendue; entre une gouttelette de nuage de quelques microns et une perturbation d’échelle synoptique, l’espace de phénomènes s’étale sur plus de 10 ordres de grandeur. Échelles atmosphériques: Échelles temporelles : de 1 a 108 s. Échelles spatiales : de 10-2 à 108 m Dans le but de faire l ’étude des phénomènes, les scientifiques les ont classés selon leur échelle spatiale: Micro échelle 10-2 à 103 m Échelle locale 102 à 5 x 104 m Méso échelle 104 à 105 m Macro échelle 105 à 108 m Ce cours étudie les phénomènes à la micro-échelle.

Circulation de grande échelle Circulation de petite échelle Conversion du flux solaire en énergie interne Génération de flux de chaleur Génération d’énergie potentielle, des gradients thermiques verticaux et horizontaux Circulation de grande échelle Convergence intertropical Mousson Circulation de Hadley Ondes baroclines Cyclones tropicaux etc. Circulation de petite échelle Circulation thermique liée à l’instabilité convective Instabilité de cisaillement (~50% de la dissipation) Effet de friction dans la couche limite planétaire (~50% de la dissipatipon) Transfert de chaleur à la source froide Maintien de l’énergie Cinétique des mouvements horizontaux de grande échelle (~98% de l’énergie cinétique totale) Maintien de l’énergie cinétique des mouvements de petite échelle (~2% de l’énergie cinétique totale) Contribution à l’énergie interne de l’atmosphère (mouvements moléculaire) Cascade inertielle Les mouvements atmosphériques Pour percevoir les liens entre les phénomènes imbriqués d’échelles diverses ainsi que leur importance relative on peut se référer à une description schématique simplifié du cycle d’énergie mécanique associé à la circulation atmosphérique générale (le terme de circulation générale est utilisé pour désigner, au sens large, la description statistique complète des mouvements de l’atmosphère autour de la terre). À l’origine de la circulation, on trouve le flux d’énergie solaire qui, converti en chaleur entretient les sources chaudes de la machine thermique atmosphérique. Entre la base de l’atmosphère et la troposphère supérieure, qui se comporte comme un puit de chaleur, s’établissent des gradients de température verticaux. Parallèlement, les différences de flux de chaleur, en fonction de la latitude (différences entre le flux solaire au sol entre les régions équatoriales et polaires) mais aussi en fonction de la distribution géographique des propriétés thermiques et radiatives des sols (forêts tropicales, glaces polaires, mers, déserts, etc.) et de l’atmosphère (aérosols, gaz, nuages, etc.), créent dans les régions stables stratifiés qui occupent la plus grande partie du volume de l’atmosphère des gradients thermiques horizontaux d’échelle planétaire ou synoptique. L’énergie potentielle emmagasinée dans ces gradients thermiques est continuellement transformé en énergie cinétique des mouvements (ou circulations d’échelles diverses opérant les transferts de chaleur des sources chaudes vers les sources froides. (cycle de Carnot). Cet apport d’énergie à la circulation générale compense les pertes dues à la dissipation par friction qui, en permanence, transforme l’énergie de mouvements du fluide en énergie interne des mouvements moléculaires par l’intermédiaire des mouvements de petite échelle et de leur dégradation. Schéma simplifié des transferts d’énergie mécanique associés à la circulation générale de l’atmosphère. Les cercles entourent les processus tandis que les rectangles encadrent leurs résultats. H. Sauvageot, 1982

Échelles atmosphériques: Échelles temporelles : de 1 a 108 s. Échelles spatiales : de 10-2 à 108 m Dans le but de faire l ’étude des phénomènes, les scientifiques les ont classés selon leur échelle spatiale: Micro échelle 10-2 à 103 m Échelle locale 102 à 5 x 104 m Méso échelle 104 à 105 m Macro échelle 105 à 108 m Ce cours étudie les phénomènes à la micro-échelle.

? Échelles Les mouvements et phénomènes atmosphériques ont des échelles de temps et d ’espace très variables. Les prévisionnistes s ’intéressent surtout aux phénomènes à l ’échelle … Cependant les phénomènes de petite échelle affectent directement nos vies! Nous ne pouvons pas faire des prévisions à petite échelle (trop petite pour les modèles actuels, les mouvements sont chaotiques et imprévisibles…) ? Échelles atmosphériques: Échelles temporelles : de 1 a 108 s. Échelles spatiales : de 10-2 à 108 m Dans le but de faire l ’étude des phénomènes, les scientifiques les ont classés selon leur échelle spatiale: Micro échelle 10-2 à 103 m Échelle locale 102 à 5 x 104 m Méso échelle 104 à 105 m Macro échelle 105 à 108 m Ce cours étudie les phénomènes à la micro-échelle.

Définition de couche limite Définition de couche limite atmosphérique: La surface terrestre est la frontière inférieure de l ’atmosphère et interagit avec les couches inférieures de l ’atmosphère en changeant les caractéristiques de celles-ci. La couche limite atmosphérique peut être définie comme la partie de la troposphère qui est directement influencée par la présence de la surface terrestre. Échelle La hauteur de la couche limite est très variable. On peut considerer comme valeurs typiques ceux qui se situent entre 100 et 3000 m La hauteur de la stratosphère est typiquement un ordre de grandeur supérieur à la hauteur de la couche limite. Rapport entre l ’épaisseur de la troposphère et le rayon de la Terre: 10 / 6400 ~ 0.001 = 0.1 % Rapport entre l ’épaisseur de la CLA et le rayon de la Terre: 1 / 6400 ~ 0.0001 = 0.01 % Couche limite : la couche atmosphérique où les effets de la surface se font sentir dans une échelle de temps de moins d ’une heure ...

Définition de couche limite atmosphérique: La surface terrestre est la frontière inférieure de l ’atmosphère et interagit avec les couches inférieures de l ’atmosphère en changeant les caractéristiques de celles-ci. La couche limite atmosphérique peut être définie comme la partie de la troposphère qui est directement influencée par la présence de la surface terrestre. Échelle La hauteur de la couche limite est très variable. On peut considerer comme valeurs typiques ceux qui se situent entre 100 et 3000 m La hauteur de la stratosphère est typiquement un ordre de grandeur supérieur à la hauteur de la couche limite. Rapport entre l ’épaisseur de la troposphère et le rayon de la Terre: 10 / 6400 ~ 0.001 = 0.1 % Rapport entre l ’épaisseur de la CLA et le rayon de la Terre: 1 / 6400 ~ 0.0001 = 0.01 %

Caractéristiques de la CLA Couche essentiellement turbulente Signature de la turbulence Intensité de la turbulence Spectre de turbulence Vitesse moyenne La figure montre des mesures du vent faites proche de la surface. On note certaines caractéristiques dans ce signal La vitesse du vent varie de façon très irrégulière; signature de la turbulence. Ce comportement aléatoire distingue le mouvement turbulent du mouvement ondulatoire. Nous pouvons détecter un comportement moyen de la vitesse du vent.La moyenne n’est pas complètement aléatoire. Les valeur possibles pour la vitesse ne sont pas sans limites. La variance, ou l’écart type du signal vont permettre la quantification de l’intensité de la turbulence Il semble avoir plusieurs mouvement, d’échelles différentes que se superposent pour former le signal.

Écoulement laminaire versus turbulent Écoulement laminaire: Haut degré de régularité dans l ’espace et dans le temps Écoulement turbulent: 1. Grand nombre de Reynolds 2. Structure spatio-temporelle complexe 3. Écoulement non reproductible 4. Écoulement de grande vorticité 5. Fluctuations du rotationnel 6. Grande dissipation d ’énergie 7. Grande capacité de diffusion

Écoulement laminaire versus turbulent

Origines de la turbulence Équation de conservation de quantité de mouvement (Navier Stokes)

Types de turbulence Selon les forçages on a: Turbulence dynamique advection Turbulence thermique flottabilité

Forçages Cisaillement du vent Transfert de chaleur

Forçages Cisaillement du vent Les petits tourbillons caractéristiques de la couche limite se forment par plusieurs procédés: Le longue d ’une région de cisaillement -->> Dans une région de cisaillement les vents changent rapidement d ’intensité où de directions

Couche limite dynamique

Couche limite dynamique

Couche limite thermique

Forçages Instabilité thermique Sommet de la CLA

Couche limite thermique

Couche limite thermique

Nuages de couche limite Les cumulus de bon temps

Nuages de couche limite Les brouillard

Nuages de couche limite Les strato-cumulus

Orages Phénomène de meso échelle Change les caractéristiques de la couche limite … pourquoi ?

Applications Qualité de l’air : Transport et diffusion des polluants; déposition des polluants sur la surface terrestre et surfaces d’eau; prévisions de qualité d’air locale ou régionale; sélection des sites d’emplacement des usines et d’autres sources de pollution; sélection de sites de surveillance de qualité de l’air; opérations agricoles comme épandage d’insecticides et autres; opérations militaires.

Applications Meso-météorologie : couche limite urbaine et île de chaleur; brise de mer et de terre; vents locaux; développement de «fronts» et de dépressions. Macro-météorologie : prédictibilité atmosphérique ; prévisions à long terme; localisation des stations météo; circulation générale et modélisation climatique.

Applications Agro-météorologie et foresterie : prévision des températures de surface et de gel au sol ; température et humidité du sol; évapotranspiration ; bilan radiatif au dessus de la canopée; protection des cultures des vents et du gel; mesures de protection pour prévenir l’érosion: effets des pluies acides.

Applications Planification et gestion urbaine : chauffage et climatisation; effets des vents sur les structures; protection contre le vent, l’accumulation de neige; mesures de control de pollution.

Applications Océanographie physique : prévision des raz de marée; prévisions de l’état de la mer; dynamique de la couche de mélange maritime; mouvements de la glace dans les océans; modélisation de la circulation océanique; navigation.