Couche limite atmosphérique Chapitre 7 : Conditions frontières (1) 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 E. Monteiro

Contenu Flux turbulent effectif Bilan d'énergie à la surface Bilan radiatif radiation de courte longueur d'onde Radiation de longue longueur d'onde Exemple de bilan radiatif E. Monteiro

Conditions frontières : surface Jusqu'à maintenant on a calculé les flux comme s’ils étaient contrôlés rien que par l ’interaction entre la turbulence et les gradients moyens de la quantité transportée. À la surface les flux de chaleur latente et de chaleur sensible sont contrôlés par l ’énergie disponible à la surface et les échanges entre la surface et l ’air se font par échange moléculaire et non turbulent... Le flux de vapeur d ’eau, en absence de précipitation est contrôlé par le flux d ’eau des couches profondes du sol vers la surface. E. Monteiro

Conditions frontières Atmosphère libre Surface de la planète E. Monteiro

Transferts de chaleur et humidité à la surface E. Monteiro

Stationnarité Les mesures de flux faites au niveau de l ’abri (2 m) représentent le flux effectif E. Monteiro

Bilan d ’énergie à la surface Fig. 1 Water and energy exchanges at the atmosphere-land interfaces (NOAH LSM). Fig. 1 illustrates the water and energy exchanges at a snow-free atmosphere-land surface interface. The sensible and latent heat fluxes at the interface directly affect atmospheric circulation via horizontal temperature gradient in the PBL, and moisture supplies for the precipitation processes in the atmosphere. The atmosphere-land surface feedback is, in general, strongest during the warm season when the solar forcing is strong and vegetation is active. In cold regions, frozen ground affects water intra-soil water transfer and surface runoff. Due to its important, land surface models became a part of NWP models in most weather prediction agencies (e.g., NCEP, ECMWF). Latent Heat Flux Sensible Heat Flux Mike Ek, OSU E. Monteiro

Bilan d ’énergie à la surface Le premier forçage sur les surfaces continentales est l ’absorption d ’énergie par le sol : Variations diurnes de la température Variations diurnes des flux turbulents La température de la surface est déterminée par le bilan de tous les flux d ’énergie à la surface : Énergie disponible Eau disponible E. Monteiro

Bilan d ’énergie à la surface E. Monteiro

Bilan hydrique à la surface E. Monteiro

Bilan énergétique à la surface E. Monteiro

Variations du bilan de surface E. Monteiro

Rayonnement solaire, K ( < 4 ) Types de rayonnement Rayonnement solaire, K ( < 4 ) Rayonnement tellurique, I ( > 4 ) E. Monteiro

Interaction entre les radiations électromagnétiques et les constituants atmosphériques Les composants atmosphériques interagissent avec les ondes électromagnétiques par: absorption (tellurique + solaire) émission (tellurique) diffusion (solaire) E. Monteiro

Effets saisonniers : l’écliptique Écliptique : plan de l’orbite de la Terre au tour du Soleil Axe des pôles L’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre par rapport à l’écliptique est égale à 23,45 ˚ qui est égale à la latitude de du Tropique du Cancer Équateur terrestre Plan de l’écliptique E. Monteiro

Effets saisonniers : l'angle de déclinaison solaire Cette équation est une approximation puisque on considère que l’orbite terrestre est circulaire. E. Monteiro

Effets saisonniers : coordonnées du Soleil Au fur et à mesure que la Terre tourne au tour de son axe, l’angle d’élévation local ou altitude du soleil, , varie. Cet angle dépend : De la latitude De la longitude De l’heure du jour  L’azimut, , est l’angle horizontal entre la direction du Soleil et le nord.    L’angle zénithale,  est l’angle complémentaire à l’angle d’élévation du Soleil. E. Monteiro

Effets saisonniers : l'angle d'élévation du soleil,  E. Monteiro

Effets saisonniers : azimut,  Position du soleil à Vancouver, aux solstices et équinoxes. Latitude = 49,25 ˚ N Longitude = 132,1 ˚ W. E. Monteiro

Équation de transfert monochromatique pour les radiations de courte longueur d'onde ou solaires Notes de cours de SCA 5002 E. Monteiro

Transmissivité de l ’atmosphère Au sommet de l'atmosphère : À la surface : Transmissivité de l'atmosphère E. Monteiro

Transmissivité de l ’atmosphère La transmissivité de l ’atmosphère pour les courtes longueurs d ’onde est la fraction de la radiation solaire qui atteint la surface. Burridge and Gadd, 1974  est 'angle d'élévation du soleil et C la fraction de ciel couverte par les nuages E. Monteiro

Transmissivité de l ’atmosphère La radiation solaire qui atteint la surface est: r = 23.45 ° (Tropique de Cancer) d = jour julien dr = 173, solstice d ’été (HN) dy = 365.25 E. Monteiro

Albédo de la surface L ’albédo de la surface représente la fraction d ’énergie solaire réfléchie par la surface. Type de surface albédo ----------------------------------------------------- océan 0.05 - 0.5 forêt tropicale 0.07 - 0.15 conifère 0.1 - 0.19 feuillus 0.14 - 0.2 sol foncé mouillé 0.1 sable mouillé 0.1 - 0.25 sable sec 0.2 - 0.4 neige fraîche 0.65 - 0.95 vieille 0.45 - 0.65 L ’albédo dépend: 1) de l’angle d ’incidence des rayons solaires 2) de l’état d ’humidité de la surface 3) de la hauteur et type de la végétation E. Monteiro

Albédo de la surface E. Monteiro

Albédo de la surface choux frisé chêne épinette E. Monteiro

Albédo de la surface E. Monteiro

Interaction entre la radiation tellurique et l ’atmosphère solaire tellurique Pour bien calculer le transfert radiatif il nous faut bien connaître la distribution de tous les «gaz à effet de serre»

Équation de transfert monochromatique pour les radiations de longue longueur d'onde ou telluriques (terrestres et atmosphériques) Notes de cours de SCA 5002 E. Monteiro

Radiation net de grand longueur d ’onde à la surface Exemple de paramétrage: Burridge and Gadd, 1974 E. Monteiro

Radiation émise par la surface Type de surface émissivité ----------------------------------------- océan 0.95 forêt tropicale 0.98 conifère 0.98 feuillus 0.96 sol foncé mouillé 0.98 sable mouillé 0.98 sable sec 0.90 - 0.95 neige fraîche 0.95 vieille 0.90 E. Monteiro

E. Monteiro

Radiation nette à la surface Le jour La nuit E. Monteiro

Radiation nette à la surface Le rayonnement net à la surface est le résultat des contributions de : La radiation solaire incidente K La radiation solaire réfléchie K La radiation IR émise par l'atmosphère I  La radiation IR émise par la surface I  Q* Les flux sont positifs quand dirigées vers le haut. E. Monteiro

Exemple de bilan de surface Trouvez l'erreur ... E. Monteiro

Types de modèles de transfert radiatif Spectraux (line by line models) Par bande (band method) Corps gris (flux emissivity or graybody) Cobel : schéma radiatif de courtes longueurs d ’onde : une bande schéma radiatif de longues longueurs d ’onde : 232 bandes (presque spectral) E. Monteiro

Résumé Les variations de température et d'humidité ressenties à la surface sont la conséquence du cycle solaire : réchauffement pendant le jour et refroidissement pendant la nuit. Les cycles diurne et annuel sont déterminés respectivement par la rotation diurne et par l'orbite de la Terre au tour du Soleil. Le rayonnement court est émis par le Soleil et se propage jusqu'à la surface terrestre. Une partie est absorbée et une autre est réfléchie vers l'espace. La partie absorbée est la source énergétique de la planète. La surface émet du rayonnement infrarouge vers l'atmosphère et reçoit de celle-ci du rayonnement IR. La somme de tous les flux radiatifs n'est pas nulle. Le résultat cumulatif de tous les flux radiatifs constitue le rayonnement net reçue à a surface (gain si < 0, ou perte si > 0 avec notre convention). E. Monteiro