Télécharger la présentation
1
Couche limite atmosphérique
Micrométéorologie 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
2
Couche de surface + orientation de l ’axe de x
selon la direction du mouvement La somme des contraintes de Reynolds et des contraintes de viscosité est constante dans toute l ’épaisseur de la couche de surface homogène et stationnaire
3
Couche de surface Dans l ’atmosphère, en dehors de la couche visqueuse
Dans la couche de surface le flux de quantité de mouvement ne dépend pas de z.
4
Couche de surface Soit La force de contrainte exercé à la surface
par les fluctuations turbulentes. On défini une échelle de vitesse caractéristique de la couche de surface par:
5
Couche de surface Paramètre de rugosité : hauteur à laquelle
la vitesse moyenne s ’annule.
6
Couche de surface
7
Couche de surface: calcul du profil du vent
distance de déplacement
8
Couche de d ’Ekman, homogène et stationnaire
= constante
9
Couche de d ’Ekman, homogène et stationnaire
Couche barotrope : ??? La solution de ce système d ’équations différentielles couplées s ’obtient en faisant un changement de variable L ’axe des x est orienté dans la direction du vent géostrophique
10
Couche de d ’Ekman, homogène, stationnaire
et barotrope. Axe des x selon la direction du vent géostrophique Conditions frontières: Solution, Holton, 1978
11
Couche de d ’Ekman, homogène, stationnaire barotrope :
Les contraintes de surface ont la même direction que le vent. ???
12
Couche de d ’Ekman, homogène, stationnaire
barotrope :
13
Couche de d ’Ekman, homogène, stationnaire barotrope :
Selon cette solution les vents de surface font un angle de /4 avec le vent géostrophique (dans l ’hémisphère nord, à gauche de celui-ci) h Les vents sont approximativement géostrophiques quand La hauteur de la couche d ’Ekman est:
14
Hodographe : la spirale d ’Ekman
(couche homogène, stationnaire et barotrope) :
15
La spirale d ’Ekman : atmosphère et océan
En négligeant les gradients de pression dans l ’océan on a comme équations de mouvement: Choix d ’axe des x aligné avec les contraintes de surface u*(océan) Conditions frontières
16
La spirale d ’Ekman : atmosphère et océan
17
La spirale d ’Ekman : atmosphère et océan
18
La spirale d ’Ekman : atmosphère et océan
19
Couplage entre la circulation atmosphérique
et la circulation océanique
20
Caractéristiques de K On sait que: K varie avec z
K est propriété de l ’écoulement K doit être proportionnelle à l ’échelle de vitesse et à la taille des tourbillons les plus énergétiques K se comporte, tout proche de la surface comme: K ait des valeurs plus petits au sommet de la couche limite
21
La spirale d ’Ekman : limitations du modèle.
Mesures de vent dans la couche d ’Ekman Barocline ? Neutre ? K = constant ? Clarke, 1970
22
Couche de mélange convective Grandes tourbillons
Dans l ’atmosphère réelle il y a des situations où les flux sont contre le gradient Kh doit être négatif ??? La théorie de longueur de mélange de Prandtl ne s ’applique pas... Des grands tourbillons ...
23
Couche de mélange convective Grandes tourbillons
Deardoff, 1966
24
Exemples de paramétrage de K
Contraintes: K=0 quand il n ’y a pas de turbulence K=0 au sol (z=0) K augmente avec l ’intensité de la turbulence (TKE) K dépend de la stabilité statique K dépend de la direction (un vecteur) K est non négatif (analogie moléculaire)
25
Exemples de paramétrisations de K
Il y a trois approches dans le choix de K Donner des valeurs de K constantes Exemple ??? Spécifier des profils verticaux de K(z) Simuler la dynamique de K Transparent: Stull page 209
26
Théories en K «différentielles»
Les méthodes de K décrites jusqu ’à maintenant utilisent une formulation algébrique de K. Il existe des méthodes plus élaborés nécessitant d ’une équations différentielle de plus pour la détermination des K
27
Théories en K «différentielles» Théories d’ordre 1 1/2
La théorie cinétique des gaz montre que le coefficient de viscosité est relié simplement au libre parcours moyen et à la vitesse thermique moléculaire moyenne uT par De façon analogue KM peut s ’exprimer par : Constante à déterminer Longueur de mélange turbulent à paramétrer Énergie cinétique turbulente moyenne Introduction d’une équation pronostique
28
Théories en K «différentielles»
Exemple de fermeture d’ordre 1 1/2 : COBEL
29
COBEL. Fermeture d ’ordre 1.5, locale de type K : Paramétrage
Les flux Transport et corrélation de pression
30
COBEL. Fermeture d ’ordre 1.5, locale de type K : Paramétrage (cont.)
Terme de dissipation (Delage, 1974)
31
COBEL. Fermeture d ’ordre 1.5, locale de type K : Paramétrage (cont.)
Longueurs de mélange Cas stable Cas neutre Cas instable
32
COBEL. Fermeture d ’ordre 1.5, locale de type K : Paramétrage (cont.)
Longueurs de mélange : cas instable Lup et Ldown correspondent au déplacements d ’une bouffée jusqu ’à la perte totale de son énergie cinétique
33
Avantages des fermeture 1 1/2
Hypothèse : Toutes les caractéristiques internes de la turbulence sont représentes par l ’énergie cinétique turbulente moyenne e et par la longueur de mélange turbulente lm, Kolmogorov (1942), Prandtl, (1945), Obukhov (1946), Monin (1950). Bonne simulation de la formation de la couche de mélange bien comme le changement de la couche limite pendant la journées Simulation de la formation du courant jet nocturne de bas niveau, ainsi que la formation de la couche stable nocturne proche de la surface Bonne simulation de l’intensité de la turbulence : augmentation pendant le jour et diminution drastique pendant la nuit
34
Limitations des théories K
Ces fermetures sont extrêmement dépendants du type de turbulence. Les valeurs des coefficients d ’échange dépendent des fonctions que représentent les longueurs de mélange qui dépendent du cas à étudier. En utilisant ces fermetures on abandonne la prétention de comprendre les mécanismes de la turbulence en soi En réalité, l ’analogie avec la diffusion moléculaire est complètement inapplicable en turbulence parce que les dimensions caractéristiques des tourbillons effectuant le transport ne sont pas trop petits par rapport aux échelles caractéristiques de l ’écoulement moyen
35
Fermeture locale de deuxième ordre
Des équations pronostiques pour les quantités moyennes Des équations pronostiques pour les variances et corrélations Paramétrage de: termes de corrélation de pression moments d ’ordre 3 termes de dissipation Stull pp
36
Fermeture locale de deuxième ordre
Idées à la base de la paramétrage: Diffusion contra-gradient Retour à l ’isotropie Dissipation proportionnelle à l ’intensité de la turbulence (1, 2, 3, 6) (4, 5) (7, 8) Transparent Stull pp
37
Fermeture locale de deuxième ordre
38
Fermeture locale de deuxième ordre
39
Fermeture non locale Modèles non locaux Théorie transiliente
de la turbulence Théorie spectrale Forme discrète Forme continue
40
Choix de fermeture selon le phénomène à étudier
Modèle opérationnel de prévision numérique Ordre 1 Modèle de prévision numérique à la mesoéchelle pour l’intérieur des continents Ordre 1 Modèle de prévision numérique pour les régions côtières Ordre 1.5 Modèle climatique global Ordre 0 Ordre 1.5 Prévision du jet nocturne Étude des transferts de chaleur, d'humidité et de masse au-dessus d'une culture de maïs. Ordre 2
Présentations similaires
© 2024 SlidePlayer.fr Inc.
All rights reserved.