Couche limite atmosphérique

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1 Couche limite atmosphérique
Chapitre I - Définition de la couche limite - Comparaison entre l’atmosphère libre et la couche limite - Le vent dans la couche limite - Variables thermodynamiques - La structure de la couche limite sur les continents - Couche limite convective diurne - Couche limite nocturne - Turbulence et hypothèse de Taylor - Étude de la couche limite : approches - Applications 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 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 ~ = 0.1 % Rapport entre l ’épaisseur de la CLA et le rayon de la Terre: 1 / 6400 ~ = 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 ...

3 Définition de la couche limite : caractéristiques de la couche limite
Lawton, Oklahoma

4 Définition de la couche limite : caractéristiques de la couche limite
Les changements observés dans la couche limite sont dus aux phénomènes de transport Le transport turbulent est très important dans la couche limite

5 Définition de la couche limite : nuages de couche limite
Les cumulus de bon temps

6 Définition de la couche limite : nuages de couche limite
Les brouillard

7 Définition de la couche limite : nuages de couche limite
Les strato-cumulus

8 Couplage entre la couche limite et l’atmosphère libre : orages
Phénomène de meso échelle Change les caractéristiques de la couche limite … pourquoi ?

9 Le vent dans la couche limite: types d’écoulement
Écoulement moyen transport par advection Écoulement turbulent + ondes transport turbulent

10 Turbulence : écoulement laminaire versus turbulent

11 Turbulence : origines de la turbulence
Équation de conservation de quantité de mouvement (Navier Stokes)

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

13 Turbulence: forçages Cisaillement du vent Transfert de chaleur

14 Turbulence : 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

15 Turbulence : couche limite dynamique

16 Turbulence : couche limite dynamique

17 Turbulence: forçages Instabilité thermique Sommet de la CLA

18 Turbulence : couche limite thermique

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

20 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.

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

22 Variables thermodynamiques : quelques rappels

23 La structure de la couche limite : hauteur de la couche limite ?

24 La structure de la couche limite : évolution diurne de la CLA

25 La structure de la couche limite : Évolution diurne de la CLA: région anticyclonique

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

27 La structure de la couche limite : Couche limite convective ou couche de mélange

28 La structure de la couche limite : profils typiques de la CLA pendant le jour

29 La structure de la couche limite : couche limite nocturne ou stable
FA EZ RL SBL SBL = couche stable limite nocturne FA = atmosphère libre EZ = zone d’entraînement RL = couche résiduelle

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

31 La structure de la couche limite : panaches de fumée et évolution de la CLA

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

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

34 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.

35 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.

36 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.

37 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.

38 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.