Couche limite atmosphérique
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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