Couche limite atmosphérique - Groupe des Sciences de l`Atmosphère

Meso-micrométéorologie
Cours 2 – L’évolution temporelle de la CLA
Cours2-1
Table de matières


Évolution temporelle de la couche limite (24 h)
 Reconnaissance des diverses sous-couches de la couche limite en
utilisant un diagramme aérologique
 Conséquences de la stabilité de la couche limite sur la dispersion
des polluants
 Formations des nuages de couche limite
 Conditions de la couche limite amenant à la convection profonde
 Impact des orages et des fronts sur la structure de la CLP discussion
Couche limite maritime - discussion
2
Rappel : définition de couche limite
Stull, 1988
Couche limite : la couche atmosphérique où les effets de la surface
se font sentir dans une échelle de temps de moins d’une heure ...
Stull, 1988
3
COUCHES ATMOSPHÉRIQUES
Atmosphère statiquement
neutre
Atmosphère
libre
Couche
de
surface
Couche
d’Ekman
Couche
visqueuse
surface
1. Couche visqueuse ou couche laminaire : où les
échanges sont moléculaires (épaisseur ~1 mm)
2. Couche de surface : où la force de Coriolis est
négligeable (épaisseur ~ 0.1h, h = hauteur de la
couche limite atmosphérique).
3. Couche d’Ekman : où les forces de gradient de
pression, de frottement et de Coriolis sont de même
ordre de grandeur (sommet est h, variable)
4. Atmosphère libre : où les effets de surface sont
négligeable (équilibre géostrophique).
Les caractéristiques des
diverses couches de la CLP
neutre sont conséquence de
la dynamique puisque les
effets thermiques sont nuls.
4
L’intensité du vent moyen, M, dans les cas
stable et instable
5
Évolution de la stabilité thermique au cours
d’une journée
Deux propriétés essentielles
déterminent l’évolution de l’état de
la couche limite atmosphérique :
 Le rayonnement solaire est
essentiellement absorbé par le sol
et non par les basses couches de
l’atmosphère;
 Le sol a une meilleur
conductivité thermique que
l’atmosphère.
6
Structure et évolution de la CLP
Définition: La couche atmosphérique directement influencée par la surface et que
répond aux forçages (changements) de la surface dans un intervalle de temps de moins
d’une heure.
Variables les plus utilisées dans l’étude et localisation de la couche limite :
• Température (T)
• Rapport de mélange (r)
• Température potentielle (θv)
p 
θV = TV  0 
 p 
R
cp
• Rappel: θ et r se conservent dans un processus adiabatique sans condensation.
7
Structure et évolution de la CLP
La couche limite planétaire exhibe de fortes variations quotidiennes, synoptiques (3
à 5 jours) et saisonnières. En général, l'épaisseur de la couche limite planétaire
dépend :

de l'ampleur du réchauffement par chaleur sensible ou latente, qui détermine la
stabilité statique et la croissance des tourbillons turbulents;

de la grandeur du cisaillement vertical du vent, qui détermine l'intensité de la
turbulence mécanique et la croissance des tourbillons turbulents.
8
Structure et évolution de la CLP
En absence de forçage frontal (i.e., sous l’effet d’un système de haute pression ou
anticyclone):
• la couche limite planétaire évolue de façon assez prévisible
• Le cycle de 24 heures est très prononcé et régulier
Couche de surface: La couche atmosphérique plus proche de la surface d’une
épaisseur approximée de 10% de la hauteur de la CLP (typiquement < 100 m)
• Couche d’échange de chaleur et humidité entre la surface et l’air
• Caractérisée par des forts gradients de température, humidité et vent
• Couche super-adiabatique pendant le jour et sous-adiabatique pendant la nuit.
9
Structure et évolution de la CLP
Fin de l’après-midi
Après le coucher
du soleil
Avant le lever
du soleil
Tôt le matin
Mi-matin
Température
potentielle
Température
10
Structure et évolution de la CLP
Couche de mélange : Localisée au-dessus de la couche de surface pendant le jour
Épaisseur ~1000 m
Les grands tourbillons (thermiques) transportent de l’énergie thermique et
cinétique, ainsi que l’humidité de la surface vers la zone d’entrainement.
La turbulence thermique mélange efficacement toutes les propriétés
conservatives. La température potentielle et le rapport de mélange sont
constants.
Le mélange est souvent le plus intense 1 à 2 heures après le midi solaire
La stabilité statique est neutre (sèche, où il n’y a pas de nuages)
11
Structure et évolution de la CLP
Fin de l’après-midi
Après le coucher
du soleil
Avant le lever
du soleil
Tot le matin
Mi-matin
Température
potentielle
Température
12
Structure et évolution de la CLP
Zone d’entrainement : Localisée au-dessus de la couche de mélange pendant le jour
Épaisseur ~100-200 m
Couche de transition entre la couche convective, bien mélangée et
l’atmosphère libre (ou la couche résiduelle)
Forts gradients verticaux de température et d’humidité
Caractérisée souvent par une couche d’inversion (source de CIN).
Si l’inversion est très prononcée (forte) la convection profonde est inhibée.
Souvent absolument stable (empêche le développement vertical des nuages).
14
Structure et évolution de la CLP
Structure et évolution
Fin de l’après-midi
Après le coucher
du soleil
Avant le lever
du soleil
Tot le matin
Mi-matin
Potential
Temperature
Temperature
15
Structure et évolution de la CLP
Couche limite stable : couche atmosphérique, au dessus de la couche de surface,
statiquement (thermiquement) stable.
Épaisseur ~100-500 m
Créée pendant la nuit par refroidissement radiatif de la surface
La couche s’épaissit au cours de la nuit. Les transports verticaux sont difficiles à
cause de la stabilité thermique.
Couche résiduelle : ce qui reste de la couche de mélange diurne.
Couche d’inversion : ce qui reste de la zone d’entrainement diurne
16
Structure et évolution de la CLP
Structure et évolution
Late Afternoon
After Sunset
Before Sunrise
Early Morning
Mid-Morning
Potential
Temperature
Temperature
17
Structure et évolution de la CLP
Sous-couches pendant le jour:
• Couche de surface (SL - Surface Layer)
• Couche de mélange (ML - Mixed Layer) – couche d’Ekman modifiée
• Couche d’entrainement (EZ - Entrainment Zone)
Sous-couches pendant la nuit:
• Couche de surface (SL – Surface Layer) – couche d’Ekman modifiée
• Couche stable (SBL - Stable Boundary Layer) – couche d’Ekman modifiée
• Couche résiduelle (RL - Residual Layer)
• Couche d’inversion au sommet de la CLP (CI – Capping Inversion)
18
Structure et évolution de la CLP
• Sondage diurne
Amarillo, Texas
• Pouvez-vous identifier
chacune des sous-couches
de la couche limite?
19
Structure et évolution de la CLP
• Sondage diurne
Amarillo, Texas
• Pouvez-vous identifier
chacune des sous-couches
de la couche limite?
1.
2.
3.
Couche de surface A
Couche de mélange B
Zone d’entrainement C
C
B
θ
A
20
Structure et évolution de la CLP
Sondage nocturne Amarillo,
Texas

Pouvez-vous identifier
chacune des sous-couches
de la couche limite nocturne?
 Couche limite
stable
 Couche résiduelle
 Couche d’inversion
au sommet
(capping inversion)
 Couche de surface
B
A
θ
C
21
Identifiez les sous-couches de la CLA
22
Fin juin : nuit sans nuages et jour ensoleillé
25
Hier matin (1200Z)
26
Profils typiques d’autres variables (ML)
- vent, rapport de mélange et concentration de polluants
()
Stull, 1988
Valeur moyenne
27
Couche de mélange :
forme des panaches de pollution
Looping = en boucles
28
Profils typiques de température et de
vent dans la CLA nocturne
29
Couche limite nocturne ou stable :
forme des panaches de pollution
Conique
FA
EZ
RL
SBL
En éventail
SBL = couche stable limite
nocturne
FA = atmosphère libre
EZ = zone d’entraînement
RL = couche résiduelle
30
Panaches de pollution et évolution de la
CLA
À quel zone de la couche limite
appartient cette ligne blanche ?
Forme ?
Fumigation
Forme ?
S4
S5
31
32
Épaisseur de la couche limite
Rappelons-nous que l’épaisseur de la couche limite va dépendre :

de l'ampleur du réchauffement par chaleur sensible ou latente, qui détermine la
stabilité statique et la croissance des tourbillons turbulents;

de la grandeur du cisaillement vertical du vent, qui détermine l'intensité de la
turbulence mécanique et la croissance des tourbillons turbulents.
Mais aussi de la présence de convergence ou divergence à la surface…
Stull, 2000
33
Épaisseur de la couche limite
effet des systèmes de haute et basse pression
Stull, 2000
34
Impact des nuages
Cycle diurne de la température dans la CLP
1) Quel des figures représente très probablement une couche limite nuageuse?
2) Quelles sont les conséquences sur l’épaisseur de la couche limite pendant le jour?
3) Et pendant la nuit?
35
Convection dans la couche limite
Les cumulus de bon temps
36
Convection dans la couche limite
Quand et comment?
Convection : Transport d’énergie thermique (chaleur sensible) et d’humidité (chaleur
latente) de la surface vers l’atmosphère libre
Deux scénarios communs de convection dans la couche limite :
Réchauffement de la surface par le Soleil (SW)
Advection d’air froid
37
Nuages de couche limite
Les brouillard
38
Évolution du brouillard radiatif
39
Évolution du brouillard radiatif
40
Stratus
Rapport de
mélange
moyen dans
la CLP
Couche de mélange
s’épaissit
http://meteorologytraining.tpub.com/14010/css/14010_113.htm
41
Formation d’un stratus par mélange vertical
Cours 10 - 42
Nuages de couche limite
Les strato-cumulus
43
Formation des strato-cumulus
Le rayonnement solaire contribue au réchauffement de tout le nuage
Le rayonnement infra-rouge contribue au refroidissement du sommet
et au réchauffement de la base du nuage
subsidence
entrainement
Libération
de chaleur latente
Turbulence
thermique
Flux turbulents d’humidité et
de chaleur sensible
? Suggérez un profil de température et de rapport de mélange qui
serait compatible avec le schéma ci-dessus.
44
? Sondage d’un événement de stratocumulus
45
D’autres profils caractéristiques de CLP avec
stratocumulus (et stratus)
46
47
http://faloona.lawr.ucdavis.edu/research-boundary-layer-dynamics.html
Initiation de la convection profonde (Méso)
Changements des conditions thermodynamiques de la couche limite (i.e. diminution du
CIN (Inhibition de la convection) et augmentation du CAPE (énergie convective
disponible). Changements dans le profil de température et/ou humidité.
Processus possibles :
• advection différentielle de température
• mouvement ascendant persistant (convergence dynamique) – (a)
• humidification de la couche limite – (b)
• augmentation de la température de la couche limite – (c)
48
Orages
Phénomène de mésoéchelle
Change les caractéristiques
de la couche limite … pourquoi ?
49
Fronts
Phénomène de méso échelle
Les fronts changent aussi les caractéristiques de la couche limite …
pourquoi ?
Franklin Facts, a
segment on weather
and science topics,
hosted by Franklin
Institute chief
meteorologist Dr. Jon
Nese.
Franklin Fact Archive
http://www.whyy.org/tv1
2/franklinfacts/dec1400f
f.html
50
Source : http://www.nesdis.noaa.gov
En résumé
La couche limite atmosphérique existe parce que l'écoulement est turbulent
dû à la présence de la surface terrestre :
 Viscosité de l'air : la vitesse du vent à la surface doit être
nulle (surface rigide) ou égale à celle de la surface (surface en mouvement)
 Réchauffement différentiel de la surface planétaire qui est à l'origine des
mouvements de l'air : horizontaux (vents) ou verticaux (convection)
L’intensité de la turbulence thermique et dynamique dépend de :
 De l’intensité du rayonnement solaire (thermique)
 De l’intensité du vent (dynamique)
 Des obstacles du terrain (rugosité, édifices, orographie)(dynamique)
 Du réchauffement différentielle des surfaces terrestres (thermique)
51
En résumé

Les vents dans la couche limite sont affectés par le frottement dans
la surface terrestre.

Le vent augmente en intensité au fur et à mesure qu'on s'éloigne
de la surface.

La turbulence est pratiquement toujours présente dans les basses couches
atmosphériques.

La turbulence peut être d'origine dynamique (mécanique) et thermique.

L'instabilité dynamique est due à la variation spatiale de l'intensité du vent (cisaillement
du vent)

Dans les conditions atmosphériques, un écoulement de vitesse non nulle est instable
dynamiquement.

L'instabilité thermique génère toujours de la turbulence

La stabilité thermique contribue à diminuer la turbulence, pouvant même la supprimer
complètement.
52
En résumé : Sous-couches dans la couche limite
Selon ses caractéristiques on découpe la couche limite
atmosphérique en plusieurs sous-couches :
Jour : couche de surface, couche convective ou de mélange,
couche d’entrainement
Nuit : couche de surface, couche stable, couche résiduelle,
couche d’inversion
53
En résumé : dispersion de polluants
Dispersion = advection + diffusion
Dispersion de panaches de pollution
Éventail
Vue d’en haut
Boucles
Fumigation
http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/chapter18/plumes1.html
54
En résumé : dispersion de polluants
Dispersion = advection + diffusion
Conique
Élevée (lofting)
http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/chapter18/plumes1.html
55
En résumé : nuages de couche limite

Cumulus de bon temps

Stratus, brouillards

Stratocumulus
56
Questions
1) Pourquoi la variabilité temporelle de l'intensité du vent moyen est
plus marquée dans un jour ensoleillé que dans un jour nuageux?
2) Sur les océans la hauteur de la couche limite varie lentement dans l'espace
et dans le temps. Pourquoi?
3) Quelle est l’origine de la turbulence dans la couche limite nocturne?
4) Comment définissez-vous la couche limite atmosphérique (CLA) ou planétaire
(CLP)?
5) On est l'hiver, la surface du sol est couverte de neige. Le vent souffle dans la
direction d'un lac non gelé. Quelle sera la stabilité statique de l'air au-dessus du
lac? Quelles sont les caractéristiques de la couche limite planétaire au-dessus
du lac?
6) Si l'atmosphère terrestre était en permanence adiabatique existerai-t-il, malgré
tout, une couche limite? Si oui, quelles seraient ses caractéristiques.
57
Évolution diurne de la CLA: région anticyclonique
Discussion :
Caractéristiques spatiotemporelles de la couche limite
au-dessus des océans.
Nous avons vu que la CLA est très variable, avec une forte influence du
cycle diurne.
• de jour, elle varie de 1 à 2km, en fonction de l’ensoleillement et de la
saison. Elle est plus basse en hiver qu’en été. Exceptionnellement elle
peut atteindre 4 à 5km (Sahara).
• de nuit, elle varie entre 100 et 300m, en fonction du vent et du
refroidissement en surface.
• au dessus de l’océan, elle est plus régulière, sans cycle diurne prononcé,
en général épaisse de 500m et 1000m, en fonction de la position des
premiers nuages.
Source : http://www.cnrm.meteo.fr/spip.php?article430
58
Différences entre la couche limite maritime et
la couche limite continentale
Objectif
Comparer les propriétés de la couche limite maritime MBL – flux de chaleur et
quantité de mouvement à la surface, épaisseur, profils de température, etc. –
avec celles de la couche limite continentale CBL.
Points clés
Différences dans le couplage par viscosité (frottement).
Impact des différences de température entre la mer et l’air sur le profil de
température dans la couche limite.
Interaction vent-ondes : turbulence mécanique et turbulence convective.
59
Les différences principales
Frottement plus faible que dans le cas continental
(impact dans la direction du vent).
Pour le même gradient de pression, la direction du vent est différente sur
une surface d’eau par rapport à celle trouvée sur une surface terrestre.
Pourquoi?
• Les vents sont plus proches de l’équilibre géostrophique
• Ils sont plus forts
Exception ?
60
Les différences principales
La variation de la température de la surface de la mer (SST) à l’échelle d’un jour
est quasi imperceptible (impact sur le profil de température et stabilité de l’air).
Pourquoi?
La SST tend à varier moins dans l’espace et dans le temps sur la mer.
• L’océan est un puits/source d’énergie quasi-infini (thermostat). Ces propriétés
contribuent à la modification rapide de la température et de l’humidité de l’air
au-dessus des océans.
• En haute mer, les propriétés de l’eau contribuent à des variations des
caractéristiques de la couche limite moins dépendantes du cycle diurne. Les
inversions nocturnes sont très rares sur les océans.
61
Position géographique : Tallahassee versus
Key Ouest
62
KEY OUEST
63
Les différences principales
Le transfert de quantité de mouvement et la dynamique de création des ondes.
Les vents sur les océans sont en contact avec une surface mobile avec
laquelle ils échangent de la quantité de mouvement. Cet échange est à
l’origine des vagues. Celles-ci augmentent la rugosité de la surface ce qui
aura des conséquences sur la vitesse du vent. Quelles conséquences?
64
Conclusion
Par définition, la couche limite est la partie de l’atmosphère directement influencée par
la présence de la surface. En présence de nuages le sommet de la couche limite est
souvent défini comme la base du nuage. En générale, les couches limites maritimes
nuageuses sont plus minces que les couches limites continentales. L’air sur les
océans étant plus humide, le niveau de condensation par soulèvement adiabatique est
plus bas bas.
65
http://www.cnrm.meteo.fr/spip.php?rubrique186
Conclusion
Cependant, les couches limites maritimes convectives ayant au sommet de
stratocumulus ont des processus de mélange très importants qui contribuent au
transport d’humidité vers l’atmosphère (par évaporation) et une augmentation de66
la hauteur de la couche limite.
Strato-cumulus  cumulus
http://www.euclipse.nl/wp3/ASTEX_Lagrangian/Introduction.shtml
Schéma d’évolution des stratocumulus se transformant en cumulus. Compte
rendu des observations ASTEX (Atlantic Stratocumulus Transition Experiment)
entre 1719 UTC, le 12 juin 1992, et 1302 UTC, le 14 juin 1992. La distance
horizontale entre les vols 1 et 5 est ~ 1300 km. L’échelle de tons de gris en bas
représente les changements de la température de la surface de la mer.
67
Comparaison
entre les
couches limites
continental et
maritime
Marine
Petite variabilité
diurne
1-2 km (max 3)
Continental
Grande variabilité
diurne
Peut atteindre 5
km au-dessus des
déserts
Flux de chaleur
Flux de chaleur
latent supérieur latent inférieur au
au flux de chaleur flux de chaleur
sensible
sensible
La rugosité
La rugosité ne
dépend du vent
dépend pas du
vent
À venir

Traitement statistique de la turbulence dans la couche limite
69