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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 processus
à la petite échelle : micro et local
Le domaine de la micro météorologie est limité aussi
aux phénomènes observés dans la
couche limite atmosphérique
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 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
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
Selon l ’origine de l ’instabilité on a:
Turbulence dynamique
Turbulence thermique
Équations caractérisant l ’écoulement
d ’un fluide incompressible
0  cst
Fluide incompressible

v  0
Conservation de la masse

  1
u
2
 u  u  p   u
t
0
Équation de mouvement
Paramètre de stabilité

  1
u
2
 u  u  p   u
t
0
Équation de mouvement
 
Forces d' inertie
u  u
Re 
~

forces de viscosité  2u
(U / L)U
UL
Re ~
~
2

(U / L )
Nombre de Reynolds critique
Re  Re,cr  écoulement laminaire
Re  Re,cr  écoulement turbulent
Expérimentalement, en laboratoire on obtient:
Re,cr  3000
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
Re,cr  3000
Valeurs caractéristiques de l ’écoulement atmosphérique
dans la CLA
U  15 m/s,  =1.4510-5 m2/s, T = 15 C, h =103 m
Uh
Re,CLA 
 109

Toujours turbulente!!!
Équations caractérisant l ’écoulement
d ’un fluide incompressible stratifié
et stationnaire

v  0
Conservation de la masse
1
u u   u  g T
T
Équation de mouvement
u T  K  2T
Équation d’énergie
2
Nombre de Rayleigh pour un gaz
parfait
g h3 T
Ra 
 Gr1/ 2 Pr
T0   
g h3 T
Gr 
T0  2
Nombre de Grashof

Pr=

Nombre de Prandtl
Ra ,cr  50000
Dans l ’atmosphère ??
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 caractérisée
par 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 turbulence
2) 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-ci
en fonction de la température potentielle virtuelle
?
Évolution diurne de la CLA
typique des latitudes moyennes, sur les continents et dans une
situation 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
FA
EZ
RL
SBL
SBL = couche stable
nocturne
FA = atmosphère libre
EZ = zone d’entraînement
(résiduelle)
RL = couche résiduelle
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