Couche limite et micrométéorologie

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1 Couche limite et micrométéorologie
Les conditions frontières : Bilan d'énergie à la surface Le rapport de Bowen E. Monteiro

2 Table de matières Bilan d'énergie à la surface
Termes du bilan énergétique flux radiatif net chaleur sensible chaleur vers le sol chaleur latente Rapport de Bowen E. Monteiro

3 Bilan d'énergie à la surface
Variation typique de diverses composantes du bilan d’énergie à la surface E. Monteiro

4 Rayonnement net à la surface, Q*
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

5 Rayonnement solaire Au sommet de l'atmosphère :
Si l'albédo de la surface est  la partie du rayonnement solaire réfléchi sera : E. Monteiro

6 Rayonnement de longues longueurs d'onde (IR)
Le rayonnement émis par la surface est donnée par la relation de Stefan-Boltzmann : Le rayonnement émis par l'atmosphère vers la surface est plus compliqué à évaluer. Comme alternative on défini un flux net de rayonnement IR : Où b =98,5 W/m2 ou, en unités cinématiques b = 0,08 Kms-1 E. Monteiro

7 Radiation nette E. Monteiro

8 Chaleur sensible, QH La chaleur peut être transportée de la surface par conduction moléculaire. C'est le mécanisme principal de transport de chaleur entre a surface et l'air atmosphérique. C'est aussi le mécanisme de transfert de chaleur vers le sol. Le flux vertical de chaleur par conduction moléculaire est proportionnel à la variation verticale de température : To understand this recall that pressure is force per unit area,and densiyt is mass for unit volume. The ratio of this two variables is thus (force x distance) / masse, which is equivalent to work per unit mass. The pressure of the parcel usually equals that of its environment, which decrease exponentially with height. La conductivité k est une propriété de la matière à travers laquelle la chaleur est conduite. Pour l'air, à des conditions standards au niveau de la mer, k = 2, W m-1 K-1 . E. Monteiro

9 Chaleur sensible Quelle doit être la variation de température dans le premier mm de l'atmosphère (au dessus de la surface) pour que le flux de chaleur sensible moléculaire soit de 300 W/m2. Solution : Discussion : l'air doit être ~ 12 C plus froid que la surface pour avoir un tel flux de chaleur sensible. On observe cette différence de température dans des jours d'été très ensoleillés sur des surfaces sèches et sans végétation. E. Monteiro

10 Chaleur sensible Stull, 2000 Les gradients très forts de température dans les premiers millimètres de l'atmosphère en contact avec la surface permettent le transport de chaleur. Dans les couches de l'atmosphère un peu plus hautes, les gradients de température sont plus faibles et la conduction de chaleur sensible moléculaire est négligeable. Le flux de chaleur sensible turbulent devient le principal mécanisme de transfert. E. Monteiro

11 Flux effectif La somme des flux moléculaire et turbulent est le flux mesuré. On l’appelle le flux effectif. E. Monteiro

12 Paramétrage : cas de convection forcée
Il est très rare que des mesures du gradient de température dans le premier mm de l'atmosphère soient disponibles. Dans des jours venteux (turbulence essentiellement d'origine dynamique), le flux effectif de chaleur sensible à la surface est donné par : M = intensité du vent à 10 m Tsurf = température de la surface (estimées par mesures de IR) Tair = température à 10 m CH = coefficient de transport de la chaleur sensible E. Monteiro

13 Rappel : les coefficients de transfert
Quantité de mouvement Chaleur sensible Ordre de grandeur de CH : pour des surfaces lisses à pour des surfaces rugueuses E. Monteiro

14 Rappel : Fonctions intégrales de stabilité de MO
Cas stable : Cas neutre : Cas instable : E. Monteiro

15 Paramétrage : cas convectif
Pendant les jours de vents faibles et ensoleillés la convection thermique est le transport turbulent le plus efficace. Dans ces situations on évalue le flux de surface en définissant des vitesses de transport proportionnelles aux échelles de vitesse de la couche de mélange : Échelle de vitesse de flottabilité Vitesse de Deardorff ou échelle de vitesse de la couche de mélange E. Monteiro

16 Paramétrage : cas convectif
Le flux de chaleur de surface est paramétré par les expressions : La température ML est la température potentielle moyenne de la couche de mélange. E. Monteiro

17 Flux de chaleur entre la surface et le sol, Qg
Les transports entre la surface et le sol sont essentiellement moléculaires. Où kg est la conductivité thermique du sol. E. Monteiro

18 Paramétrage, QG Les transports entre la surface et le sol sont essentiellement moléculaires. E. Monteiro

19 Chaleur latente, QE Le flux de chaleur latente peut être estimé par des paramétrages identiques à celles de chaleur sensible qui utilisent les coefficient de transfert ou vitesses de transport : E. Monteiro

20 Exemples de bilan énergétique à la surface
À gauche : bilan typique d'une surface avec végétation, pendant le jour. À droite : bilan typique d'une surface avec végétation, pendant la nuit E. Monteiro

21 Exemples de bilan énergétique à la surface
À gauche : Effet oasis : advection de l'air sec et chaud sur une surface humide et fraîche. À droite : surface peu humide pendant le jour. E. Monteiro

22 Répartition du flux de chaleur en partie sensible et latente
La source d'énergie externe à la surface est le rayonnement net. Ce flux d'énergie sera équilibré par les flux de chaleur sensible, chaleur latente et chaleur vers le sol. Ceci suggère un paramétrage où le rayonnement net est le forçage externe et les flux de chaleur latente, sensible et vers le sol, sont la réponse au forçage. E. Monteiro

23 Répartition du flux de chaleur en partie sensible et latente
Les flux de chaleur sensible et flux de chaleur latente à la surface sont déterminées par les mesures de l ’énergie radiative nette à la surface. Cette énergie est l ’énergie disponible, qui vas être «dissipée» vers l'atmosphère en forme de flux convectif de chaleur sensible, de chaleur latente et, vers le sol, en forme de flux moléculaire de chaleur. E. Monteiro Selon la convention antérieur

24 Méthode du rapport de Bowen
Le rapport de Bowen est défini comme le rapport entre e flux de chaleur sensible et le flux de chaleur latente. Constante psychromètre E. Monteiro

25 Valeurs typiques de  E. Monteiro

26 Méthode de Bowen Si on mesure les flux de droite et on connaît
E. Monteiro

27 Flux de chaleur sensible versus flux de chaleur latente : océans
Océan Q* QE QH AdvQ  Atlantique Indien Pacifique Moyenne Moyenne annuel des components des flux énergétiques sur les océans (MJm-2/jour). Oke, Boundary Layer Climates E. Monteiro

28 Méthode de Bowen Dans cette méthode on applique la théorie K : les flux sont substitués par les gradients. E. Monteiro

29 Méthode de Bowen E. Monteiro

30 Méthode de Bowen Le rapport de Bowen peut être mesuré avec des mesures de température et d'humidité, à deux niveaux et le rayonnement net. q2 Q* q1 E. Monteiro

31 Bilan d’énergie à la surface d’un lac séché.
Oke, Boundary Layer Climates El Mirage, Californie (35 N) Desert juin 1950. E. Monteiro

32 Répartition de l’énergie : forêt
Haney, C.B (49 N) , 10 Juillet 1970 Forêt de sapins. Déficit en vapeur Thetford, Angleterre (52 N) , 7 Juillet 1971 Forêt de pins. Facteurs contrôlant QE 1) Disponibilité en énergie 2) Disponibilité en eau 3) Gradient de la pression de vapeur à la surface 4) Turbulence, ra 5) Activité végétale, rc Oke, Boundary Layer Climates(pp. 149) E. Monteiro

33 Méthode de Bowen Conditions d’applicabilité :
1) Stationnarité :le vent et le rayonnement quasi-stationnaires 2) Flux constants avec la hauteur Limitations de la méthode:  dépend du temps L ’évapotranspiration est une fonction complexe de l ’age, du type et de la température des plantes, ainsi que de la disponibilité en eau E. Monteiro

34 Résumé La radiation nette reçue à la surface est équilibrée par les flux turbulents vers l'atmosphère et le flux de chaleur moléculaire vers le sol. Les flux turbulents sont le flux de chaleur sensible et le flux de chaleur latente associé à l'évaporation (condensation) de l'eau à la surface. Le rapport entre le flux turbulent de chaleur sensible et le flux turbulent de chaleur latente s'appelle rapport de Bowen. Tous ces flux varient avec le cycle diurne (apport d'énergie) et la disponibilité de l'eau à la surface. E. Monteiro