Couche limite atmosphérique

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1 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

2 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

3 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

4 Conditions frontières
Atmosphère libre Surface de la planète E. Monteiro

5 Transferts de chaleur et humidité à la surface
E. Monteiro

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

7 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

8 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

9 Bilan d ’énergie à la surface
E. Monteiro

10 Bilan hydrique à la surface
E. Monteiro

11 Bilan énergétique à la surface
E. Monteiro

12 Variations du bilan de surface
E. Monteiro

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

14 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

15 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

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

17 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

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

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

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

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

24 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

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

26 Albédo de la surface L ’albédo de la surface représente la fraction d ’énergie solaire réfléchie par la surface. Type de surface albédo océan forêt tropicale conifère feuillus sol foncé mouillé 0.1 sable mouillé sable sec neige fraîche vieille 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

27 Albédo de la surface E. Monteiro

28 Albédo de la surface choux frisé chêne épinette E. Monteiro

29 Albédo de la surface E. Monteiro

30 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»

31 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

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

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

34 E. Monteiro

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

36 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

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

38 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

39 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