Couche limite atmosphérique et micrométéorologie

Chapitre I (rappels) Définition de la couche limite atmosphérique Comparaison entre l’atmosphère libre et la couche limite Comment délimiter la couche limite Nuages de la couche limite Couche limite dynamique versus couche limite thermique. 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

Chapitre I (suite) -Turbulence et hypothèse de Taylor - Variables thermodynamiques - La structure de la couche limite sur les continents - Couche limite convective diurne - Couche limite nocturne - Étude de la couche limite : approches - Applications - Équations de la couche limite

Turbulence Vitesse verticale de l’air (m/s) Rapport de mélange en vapeur d’eau (g/kg) Température potentielle (0C) 4 km 8 km

Turbulence: hypothèse de Taylor Les mesures temporelles sont équivalentes aux mesures spatiales.

Turbulence : applicabilité de l’hypothèse de Taylor L’écart type des fluctuations sont une mesure de l’intensité de la turbulence. Si la vitesse moyenne est supérieur au double de l’écart type des fluctuations l’hypothèse de Taylor est applicable.

Variables thermodynamiques : quelques rappels Température virtuelle Température potentielle Énergie statique sèche Équilibre hydrostatique

Variables thermodynamiques : quelques rappels

La structure de la couche limite : hauteur de la couche limite ? Les gradients de pression et de température à l’échelle synoptique imposent les vents géostrophiques ou gradients dans la basse atmosphère. À des petites échelles qui concernent la micrométéorologie (jusqu’à 10 km) les écoulements de grande échelle peuvent être considérés comme horizontalement uniforme ou homogènes. Si la surface est aussi homogène et plane, la couche limite développée comme résultat de l’interaction entre l’atmosphère et la surface sera aussi homogène. Une telle couche limite évolue graduellement dans le temps en réponse à l’évolution des systèmes à grande échelle.

La structure de la couche limite : évolution diurne de la CLA en conditions anticycloniques Même quand les systèmes synoptiques sont stationnaires, la CLA atmosphérique évolue à cause du réchauffement et refroidissement diurne de la surface. Les changements diurnes sont minimums seulement sous des surfaces océaniques, ou des grandes surfaces couvertes de glace ou de neige en hiver. La figure représente schématiquement la variation de la hauteur et structure de la couche limite atmosphérique dans des conditions anticycloniques et du bon temps. La couche de surface est typiquement 10 % de la couche limite.

La structure de la couche limite : Évolution diurne de la CLA: région anticyclonique La couche de surface a une épaisseur typiquement de 10 % de l’épaisseur de la couche limite et est caractérisée par des grands gradients de température et de vent, des vents de direction constante et des flux approximativement constantes au dessus des rugosités du terrain. La couche de mélange se forme pendant le jour et est caractérisée par des mouvements de convection intenses qui contribuent à bien mélanger la couche. Ce mélange turbulent est d’origine convective (couche limite convective) due au réchauffement de la surface. La couche limite stable nocturne est moins profonde et est caractérisée par de la turbulence dynamique due au cisaillement du vent et aux ondes (atmosphère stable), le mélange turbulent étant plus faible. Il est important de distinguer entre la couche de surface et la couche stable nocturne, leur évolution étant différente. La couche résiduelle est essentiellement déconnectée de la surface pendant la nuit, mais on peu observer dans cette couche de la turbulence sporadique probablement confinée dans des couches ou il a du cisaillement de vent ou des ondes instables.

couche limite sur les océans ? La structure de la couche limite : Évolution diurne de la CLA: région anticyclonique Discussion : couche limite sur les océans ?

La structure de la couche limite : Couche limite convective ou couche de mélange On observe les panaches de fumée et ces panaches se comportent comme des traceurs des parcelles d’air. L’apparence verticale des panaches nous donnent des informations sur le vent et la structure thermique de la basse couche. Dans la figure on voit le comportement de la couche convective diurne et le « looping ». On voit que le réchauffement de la surface est à l’origine des mouvements verticaux (les thermiques) qui, si suffisamment humides peuvent atteindre dans leur ascension le niveau de condensation en formant des nuages de type cumulus. Le panache se déplace selon le vent moyen (vers la droite) en s’élargissant à cause de la diffusion turbulente. Le panache est ondulante ce que démontre la présence des thermiques (ou grands tourbillons). Cette situation est typique de la couche convective, à la mi-journée et après midi. Dans des conditions convectives des circulations thermiques sont induites et on observe dans toute la couche limite des courants ascendants et descendants. Ces circulations transportent la pollution successivement dans les courants ascendants et descendants causant l’aspect ondulant de la panache. Ce même aspect est observé à l’horizontal. À cour terme un mouvement descendant peut être à l’origine de hautes concentrations de polluant proche de la source.

La structure de la couche limite : profils typiques de la CLA pendant le jour La distribution verticale des variables thermodynamiques de la couche limite servent souvent à caractériser la couche limite. Température : la variation de la température dans la couche limite dépend de plusieurs facteurs, comme de la température de la surface, la température au sommet de la couche limite, la divergence du flux de chaleur sensible, du flux radiatif net, advection de température, et du réchauffement ou refroidissement local dû aux changements de phase. Dans temps calme et s’il n’y a pas de changements de phase, la variation de la température dans le temps est due essentiellement à la divergence des flux radiatifs et de chaleur sensible.

La structure de la couche limite : Profils typiques de température et de vent dans la CLA nocturne

La structure de la couche limite : couche limite nocturne ou stable FA EZ RL SBL SBL = couche limite nocturne stable Fanning : la forme d’un éventail. La dispersion est importante à l’horizontale et est inhibée à la verticale. La grande stabilité supprime la turbulence vertical et conséquemment la diffusion, pendant que les vents horizontaux sont sinueux. Ce comportement provoque une grande dispersion horizontale, spécialement latéralement. Le cisaillement vertical du vent, qui peut être tràs important à la verticale, augmentent la dispersion horizontale du panache. Si pendant la nuit les vents sont faibles, la dispersion horizontale ne sera pas non plus importante. Dans ce cas on observe des rubans de pollution très concentré, à des tr`s grandes distances. Coning : comme le non le dit, la section transversal du panache est circulaire et le panache à la forme d’un cône. Ceci a lieu quand l’atmosphère est approximativement neutre (jours nuageux, venteux ou couche résiduelle) De tels conditions sont souvent associées au passage de front ou des systèmes de basse pression et peuvent avoir lieu le jour ou la nuit. FA = atmosphère libre EZ = zone d’entraînement RL = couche résiduelle

La structure de la couche limite : panaches de fumée et évolution de la CLA Fumigation : On est fumigé par le panache à cause du transport de la pollution vers la surface. Cette situation apparaît juste après le lever du soleil, quand l’inversion nocturne disparaît à cause du réchauffement de la surface et est remplacée par une couche instable qui s’épaissit au delà du sommet du panache. Quand le panache est transporté dans la couche de mélange, la turbulence convective mélange les particules sur toute la couche convective. L’effet de fumigation est très dangereux dans les premiers 30 minutes. Au for et à mesure que la couche convective s’épaissit la pollution devient de plus en lus diluée.

Étude de la couche limite et micrométéorologie Méthodes stochastiques Théorie de la similitude Classification phénoménologique 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.

Étude de la couche limite et micrométéorologie Méthode expérimentale - mesures atmosphériques directes - simulation en laboratoire Simulation numérique (méthode stochastique)

Applications Qualité de l’air : 1) Transport et diffusion des polluants; 2) déposition des polluants sur la surface terrestre et surfaces d’eau; 3) prévisions de qualité d’air locale ou régionale; 4) sélection des sites d’emplacement des usines et d’autres sources de pollution; 5) sélection de sites de surveillance de qualité de l’air; 6) opérations agricoles comme épandage d’insecticides et autres; 7) 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 : 1) prédictibilité atmosphérique ; prévisions à long terme; 2) localisation des stations météo; 3) circulation générale et modélisation climatique.

Applications Agro-météorologie et foresterie : 1) prévision des températures de surface et de gel au sol ; 2) température et humidité du sol; évapotranspiration ; 3) bilan radiatif au dessus de la canopée; 4) protection des cultures des vents et du gel; 5) mesures de protection pour prévenir l’érosion: 6) effets des pluies acides.

Applications Planification et gestion urbaine : 1) chauffage et climatisation; 2) effets des vents sur les structures; 3) protection contre le vent, l’accumulation de neige; 4) mesures de control de pollution.

Applications Océanographie physique : 1) prévision des raz de marée; 2) prévisions de l’état de la mer; 3) dynamique de la couche de mélange maritime; 4) mouvements de la glace dans les océans; 5) modélisation de la circulation océanique; navigation.

Applications Énergie : Étude du régime des vents : exploitation de la puissance éolienne;

Discussions : Comment détecter le sommet de la couche limite. Retour sur l’hypothèse de Taylor. Importance de la turbulence. Structure typique des couches limites : diurne, nocturne, océanique.

Équations qui gouvernent le mouvement d ’un fluide Équation d ’état : Constante des gaz de l’air sec Température virtuelle Humidité spécifique

Équations qui gouvernent le mouvement d ’un fluide Équation de continuité :

Équation de mouvement

Tenseur de contraintes

Tenseur de viscosité

Équation de mouvement

Équations qui gouvernent le mouvement d ’un fluide Conservation de la quantité de mouvement :

Équations primitives Équation de continuité pour la substance eau : Vapeur d ’eau Eau liquide

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

Équations qui gouvernent le mouvement d ’un fluide Équation de continuité pour n ’importe quelle quantité scalaire de concentration c:

Équations qui gouvernent le mouvement de l ’air humide u,v,w vitesse p pression  densité  température potentielle Tv température virtuelle q quantité de vapeur d ’eau par unité de masse qL quantité d ’eau condensée par unité de masse On a 9 équations à 9 inconnues