Couche limite atmosphérique

Micrométéorologie

Table de matière

• CLA : Micrométéorologie• Pourquoi étudier la CLA• Facteurs déclencheurs de la

turbulence• Caractérisation de la CLA aux

latitudes moyennes sur les continents – couche limite diurne– couche limite nocturne

Micrométéorologie

Étude des phénomènes atmosphériques et processusà la petite échelle : micro et local

Le domaine de la micro météorologie est limité aussi aux phénomènes observés dans la

couche limite atmosphérique

IIMMPPOORRTTAANNCCEE DDEESS ÉÉTTUUDDEESS MMIICCRROOMMÉÉTTÉÉOORROOLLOOGGIIQQUUEESS

11.. QQuuaalliittéé ddee ll’’aaiirr

22.. MMééttééoorroollooggiiee àà llaa mmeessoo éécchheellllee

33.. MMaaccrroommééttééoorroollooggiiee

44.. AAggrroommééttééoorroollooggiiee

55.. PPllaanniiffiiccaattiioonn uurrbbaaiinnee

66.. OOccééaannooggrraapphhiiee pphhyyssiiqquuee

LLaa ccoouucchhee lliimmiittee aattmmoosspphhéérriiqquuee..

CCoouucchhee lliimmiittee ddee ssuurrffaaccee :: lleess pprreemmiieerrss 1100 àà 110000 mm aauu ddeessssuuss ddee llaa ssuurrffaaccee eesstt ll’’ééccoossyyssttèèmmee ddee pprreessqquuee ttoouuss lleess êêttrreess vviivvaannttss!!

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 local ou régional;

• 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.

Applications

Applications

Meso-météorologie : 1) couche limite urbaine et île de chaleur; 2) brise de mer et de terre; vents locaux; 3) développement de «fronts» et de dépressions.

Macro-météorologie :

• prédictibilité atmosphérique ; prévisions à long terme;

• localisation des stations météo;

• circulation générale et modélisation climatique.

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.

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.

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.

C.L. dynamique et thermique

Turbulence dynamique

Turbulence thermique

Selon l ’origine de l ’instabilité on a:

Équations caractérisant l ’écoulement d ’un fluide

incompressible

cst0

0 v

upuut

u

2

0

1

Fluide incompressible

Conservation de la masse

Équation de mouvement

Paramètre de stabilité

upuut

u

2

0

1

Équation de mouvement

UL

LU

ULUR

u

uuR

e

e

~)/(

)/(~

~ viscositéde forces

inertied' Forces

2

2

Nombre de Reynolds critique

turbulent écoulement

laminaire écoulement

cree

cree

RR

RR

,

,

3000, creR

Expérimentalement, en laboratoire on obtient:

Couche limite dynamique atmosphérique

Est la région au voisinage du sol dans laquelle se répercute directement, par «viscosité», l ’adhérence de l ’écoulement au sol.

Nombre de Reynolds typique de la CLA

3000, creR

9, 10

Uh

R CLAe

U 15 m/s, =1.4510-5 m2/s, T = 15 C, h =103 m

Valeurs caractéristiques de l ’écoulement atmosphériquedans la CLA

Toujours turbulente!!!

Équations caractérisant l ’écoulement d ’un fluide incompressible stratifié

et stationnaire

0 v

2 1u u u g T

T

Conservation de la masse

Équation de mouvement

2u T K T

Équation d’énergie

Nombre de Rayleigh pour un gaz parfait

31/ 2

0

3

20

Pr

Nombre de Grashof

Pr= Nombre de Prandtl

a

g h TR Gr

T

g h TGr

T

Dans l ’atmosphère ??

, 50000a crR

Vérifiez

Couche limite thermique

Couche limite thermique

Zone de l ’atmosphère au voisinage du sol dans laquelle la variation diurne du rayonnement solaire est directement perceptible.

Convection

CLA

La couche limite atmosphérique est caractériséepar un écoulement dynamiquement instable donc turbulent.

La stratification thermique de la couche limite peut contribuer à diminuer ou à augmenter la turbulence.

Hauteur de la couche limite ?Elle dépend de 2 facteurs : 1) de l ’intensité et type de turbulence2) de la divergence de masse due à l ’écoulement à grande échelle

Température potentielle versus température

?

L ’étude de la stabilité thermique d’une couche de l’atmosphère est facilité si on représente les profils thermiques de celle-cien fonction de la température potentielle virtuelle

Évolution diurne de la CLAtypique des latitudes moyennes, sur les continents et dans unesituation anti-cyclonique (système d’hautes pressions)

Évolution diurne de la CLA: région anticyclonique

Évolution diurne de la CLA: région anticyclonique

Discussion : couche limite sur les océans ?

Couche limite convective ou couche de mélange

Profils typiques de la CLA pendant le jour

Couche limite nocturne ou stable

SBL

RL

EZ = zone d’entraînement (résiduelle)

FA

FA = atmosphère libre

RL = couche résiduelle

SBL = couche stable nocturne

EZ

Profils typiques de température et de vent dans la CLA nocturne

Panaches de fumée et évolution de la CLA

À retenir

• Domaine d ’étude de la micrométéorologie

• Définition de couche limite• Principaux facteurs qui définissent

l ’épaisseur et la structure de la couche limite atmosphérique

• Stabilité dynamique: nombre de Reynolds

À retenir

• Stabilité statique : Nombre de Rayleigh, température potentielle virtuelle

• Évolution de la couche limite atmosphérique

• Structure de la couche limite diurne• Structure de la couche limite

nocturne