Couche limite atmosphérique - Groupe des Sciences de l`Atmosphère

Méso- et micrométéorologie
Cours 1 - micrométéorologie
1
Professeurs
Éric Girard
Tél. : 987-3000 (# 3325)
Courriel : girard.eric @uqam.ca
Local : PK-6435
Eva Monteiro
Tél. : 987-3000 (# 6807)
Courriel : [email protected]
Local : PK-7340
Cours1-2
Objectif du cours et évaluation
Comprendre les phénomènes météorologiques de
petite (micro) et moyenne (méso) échelle.
Devoirs + minitests (micrométéorologie):
20%
Présentation (micrométéorologie)
20%
Examen 1 (micrométéorologie) (13/11)
30%
Examen 2 (mesométéorologie) : (18/12)
30%
Cours1-3
Suggestions






Microclimats des surfaces végétalisées
Effets de l’inhomogénéité horizontale
Interaction entre l’atmosphère et les animaux
Modification intentionnelle des microclimats
Modification involontaire des microclimats
Pollution atmosphérique dans la couche limite
Références :
Oke, T.R. : Boundary Layer Climates
Monteith J.L et M. H. Unsworth : Principles of
environmental physics
http://books.google.ca
/books/about/Boundar
y_Layer_Climates.ht
ml?id=K_2dW7crfVIC
&redir_esc=y
Travail d’équipe
5 équipes de 2
Chaque participant a un temps de parole de 10 minutes
(20 minutes par presentation)
Cours1-4
Documentation
Notes de cours
E. Monteiro, 2009 : Introduction à la micrométéorologie.
Bibliographie
S. Pal Arya, 1988. Introduction to micrometeorology. Academic Press, 307 pp.
T. R. Oke, 1987, Boundary Layer Climates. Methuen & Co, 435 pp.
André Poggy, 1977. Introduction à la micrométéorologie. Masson, 148 pp.
Roland B. Stull, 1988. An Introduction to Boundary Layer Meteorology. Springer,
666 pp.
John L. Monteith et Mike Unsworth, 2013. Principles of Environmental Physics.
Academic Press, 401 pp.
Cours1-5
Cours1 - Table de matières








Échelles météorologiques
 Planétaire
 Synoptique
 Méso échelle
 Micro échelle
Échelles verticales : couches dans la troposphère
Définition de couche limite et ses caractéristiques
Instabilités dans la couche limite
La couche limite versus l’atmosphère libre
Définition de micrométéorologie
Applications
Révisions à faire pour le prochain cours
Cours1-6
Objectif du cours
Comprendre les phénomènes
météorologiques de petite
(micro) et moyenne (méso)
échelle.
Commençons par éclaircir la notion d’échelle…
Cours1-7
La planète bleue
Cours1-8
Les problèmes d’échelles
Le système atmosphérique est extrêmement complexe. Son étude et sa
représentation dans les modèles numériques doit être simplifiée. Il faut donc :



Faire des approximations du système d’équations à résoudre
Inclure des paramétrages de certains termes «inconnus» qui apparaissent
dans ces équations simplifiées
Quelles simplifications?
 Le découpage principal est la séparation des échelles (du petit tourbillon au
système météorologique dont la taille est 1010 fois supérieure).
 Pas besoin de tout savoir partout et tout le temps
 Impossible de tout résoudre numériquement
Cours1-9
Les problèmes d’échelles

Types de découpages employés
 Découpage spatial
 Dimension horizontale : rue, ville, région, continent, globe, …
 Dimension verticale : couche de surface, troposphère, toute
l’atmosphère, …
 Découpage temporel :
 Durée du phénomène : 1 heure, un jour, une semaine, trente ans, …
 Caractéristiques physiques de ce que l’on cherche : Température, flux
de masse, …
Cours1-10
Échelles atmosphériques
L(m)
Échelle
107
planétaire
106
synoptique
105
méso-α
104
méso-β
103
méso-γ/subméso
102
micro-α (couche limite)
10
micro- β (couche de surface)
100
micro-γ
10-3
micro-δ
10-9
dissipation visqueuse
(molécules)
Cours1-11
Échelles atmosphériques
Source : http://www.atmos.albany.edu/daes/atmclasses/atm418/
Cours1-12
Dynamique : simplifications selon les échelles

L’analyse d’échelle permet des hypothèses simplificatrices



Équilibre géostrophique (mouvements horizontaux)
Si la dimension horizontale du phénomène >> 100 km, les forces de
gradient de pression et de Coriolis sont dominantes (d’où l’expression
d’une en fonction de l’autre)
Équilibre hydrostatique (mouvements verticaux)
Si la dimension horizontale du phénomène >> 1000 km, les forces de
gradient de pression (composante vertical) et de gravité sont en équilibre
(d’où l’expression d’une en fonction de l’autre)
Boussinesq (mouvements verticaux)
Si la dimension horizontale >> que la dimension verticale, le fluide se
comporte comme un fluide incompressible. Les variations de densité
dépendent seulement des variations de température.
Cours1-13
Reconnaissance des équations
∂p
= − ρ g0
∂Z
g 0 ∂Z
ug = −
f ∂y
vg =
g 0 ∂Z
f ∂x
Cours1-14
Énergie cinétique massique en fonction de la fréquence
Spectre d’énergie des mouvements
atmosphériques
La turbulence atmosphérique peut
être illustrée par l’existence de
tourbillons au sein d’un écoulement.
La turbulence est ainsi constituée
de mouvements parfaitement
aléatoires balayant un large spectre
d’échelles spatiales et temporelles
La figure ci-contre
montre l’allure d’un
spectre de densité de
puissance représentatif
de la vitesse horizontale
du vent à 100 mètres
au-dessus du sol
d’après Van der Hoven
(CLA) et dans
l’atmosphère libre (AL)
Cours1-15
Van der Hoven, 1957
Exemple de simplification
Dans l’étude des systèmes météorologiques proche de la surface on
paramètre les effets de la turbulence sur l’écoulement de grande échelle.
Cycle diurne
Alizés
Gap spectral
Synoptique Conditions locales
Méso-échelle
Turbulence
Nécessité de déterminer une période de coupure séparant les contributions
Cours1-16
principales (synoptiques) et turbulentes de l’écoulement étudié.
Définition de couche limite
Couche limite atmosphérique (CLA) : la partie de l’atmosphère qui est
directement soumise aux effets de surface et donc de l’alternance du
jour et de la nuit. L ~ 1000 à 3000 m.
1. La couche limite est très mince par rapport à toute l’atmosphère
2. Épaisseur : n’a pas de réalité physique - bilan statistique
3. Domaine de transport de quantité de mouvement, de chaleur,
d’humidité, …, par turbulence.
Cours1-17
Échelles verticales
COUCHES ATMOSPHÉRIQUES
Atmosphère
libre
Couche limite atmosphérique
Partie de la troposphère qui est
directement influencée par la
présence de la surface terrestre
Micrométéorologie
Étude des microprocessus (L < 1 km;
t < 1 jour) de la couche de surface
responsables des échanges entre la
surface et l’atmosphère.
Celle-ci peut être aussi définie comme
l’étude de la météorologie à l’échelle
des plantes, incluant les arbres, et des
animaux, incluant les humains.
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
Cours1-18
négligeable (équilibre géostrophique).
Pourquoi la micrométéorologie nous
intéresse? Les cycles du carbone, de l’oxygène, de
l’eau, etc.
6CO2 + 6H2O + « lumière » → C6H12O6 + 6O2
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + « lumière »
Cours1-19
Pourquoi la micrométéorologie nous
intéresse? Les cycles du carbone, de l’oxygène, de
l’eau, etc.
http://ragemag.fr/ecologie-urbanisme-sciences-terre-comment-sauver-ville-futur-50432/
Cours1-21
Pourquoi la micrométéorologie nous
intéresse? Écologie.
http://lamaisondalzaz.wordpress.com/2010/04/01/climats-et-microclimats/
Cours1-22
Pourquoi la micrométéorologie nous
intéresse? Écologie urbaine.
Cours1-23
http://lamaisondalzaz.wordpress.com/2010/04/01/climats-et-microclimats/
Et enfin… la modélisation
Source : NCAR
CESM Project
The Community Earth System Model (CESM) is a fully-coupled, global climate model that provides
state-of-the-art computer simulations of the Earth's past, present, and future climate states.
Cours1-24
OK! Nous savons maintenant pourquoi il est
important d’étudier la micrométéorologie…
Nous connaissons sa définition …
Nous connaissons les équations qui la gouvernent …
Nous connaissons les échelles …
L’analyse d’échelle nous montre que, dans la couche limite, le
comportement de l’atmosphère est décrit par l’approximation de
Boussinesq …
Mauvaise nouvelle : à cette échelle l’atmosphère est turbulente!
Cours1-25
Caractéristiques de la CLA
Couche essentiellement turbulente
Cours1-26
Mesures dans la couche limite
Cours1-27
Types de turbulence et CLA
La turbulence est la réponse à une instabilité de l’écoulement : les effets de
couche limite ont principalement deux sources :
Dynamique : due au cisaillement vertical de vent induit par la condition
d’adhérence au sol (vent nul).
D’un point de vue dynamique, la CLA est définie comme étant la zone de
l’atmosphère où l’écoulement de l’air est influencé directement par la
surface terrestre. Le temps de réponse à un forçage (rugosité, relief, etc.)
est court, de l’ordre de l’heure.
Thermique : due au gradient vertical de température – le sol est chauffé en
journée et se refroidit pendant la nuit.
D’un point de vue thermique, la CLA atmosphérique est la zone au voisinage
de la surface terrestre dans laquelle la variation diurne du rayonnement
terrestre est directement perceptible.
Cours1-28
Origines de la turbulence dans la couche
limite : l’instabilité hydrodynamique
Un écoulement est en état “d’instabilité
hydrodynamique” quand n’importe quelle
perturbation infinitésimale en son sein s’amplifie
rapidement et se transforme en grande perturbation.


Instabilité de cisaillement ou dynamique : causée
par les variations spatiales du vent (i.e. forçage
mécanique)
Instabilité convective : causée par la variation
verticale de la densité (température potentielle)
moyenne (i. e. forçage thermique).
Cours1-29
Instabilité de cisaillement (ou dynamique)
Cisaillement : variation spatiale du vent
http://en.wikipedia.org/wiki/Kelvin%E2%80%93Helmholtz_instability
Kelvin-Helmholtz Wave Clouds in Denmark . April 02, 2007.
Source : http://epod.usra.edu/blog/2007/04/kelvin-helmholtz-wave-clouds-in-denmark.html
Cours1-30
Exemple: Instabilité de Kelvin-Helmholtz
Instabilité de cisaillement dans un fluide stratifié, ou entre deux fluides de densité
différente.
Expérience en laboratoire
https://www.youtube.com/watch?v=UbAfvcaYr00
Instabilités hydrodynamiques
https://www.youtube.com/watch?v=yutbmcO5g2o
Dans le vrai monde
(nuages K-H)
Cours1-31
Instability convective
• Stabilité statique – fait référence au comportement de
l’atmosphère au repos par rapport à des petites
perturbations.
• Elle est fonction de la stratification de l’atmosphère
(variation vertical de la densité de l’atmosphère) 
essentiellement fonction de la température et de la
pression. (Autres paramètres?)
• Le taux de refroidissement d’une parcelle d’air
comparée à celui de l’environnement détermine la
stabilité atmosphérique. Pourquoi?
• dans le cas de l’air sous-saturé (sans nuages), une façon
facile de déterminer la stabilité est ….
…la connaissance du profil vertical de la température virtuelle
de l’atmosphère : θv = θ (1 + 0.61 r ) où
θ = T (P0/P)0.286 est la température potentielle et
r le rapport de mélange
• On a trois cas :
(1) Stable (sous-adiabatique): θv augmente avec la hauteur
(2) Neutre (adiabatique): θv est constante avec la hauteur
(3) Instable (super-adiabatique): θv diminue avec la hauteur
Stable ou
sousadiabatique
Neutre ou
adiabatique
Instable ou
superadiabatique
Cours1-32
Conditions de stabilité dans la couche limite –
nombre de Richardson
Question : la couche limite est-elle toujours turbulence (instabilité
hydrodynamique) ?

Le nombre de Richardson nous donne un critère qui permet
de caractériser la stabilité hydrodynamique de l’atmosphère
dans la CL.
où g est l’accélération de la gravité, Θ est la température
potentielle moyenne, U est le vent moyen, z la hauteur et Ri
un nombre sans dimensions.
Ri > 1 stable
0 < Ri <1 = 0 ???
Ri < 0 instable
Lewis Fry Richardson
(11 October 1881 - 30
September 1953) was an
English mathematician,
physicist, meteorologist,
psychologist and pacifist
who pioneered modern
mathematical techniques
of weather forecasting,
and the application of
similar techniques to
studying the causes of
wars and how to prevent
them.
Cours1-33
Les forçages qui sont à l’origine des gradients
de température et de vitesse dans la CLA :

Les flux de chaleur à la surface
et au sommet de la couche limite.
http://www.math.toronto.edu/cseis/research.html

La friction à la surface et au sommet de la couche limite.
Cours1-34
http://theses.univ-lyon2.fr/documents/getpart.php?id=lyon2.2008.pintomartins_d&part=154405
Caractéristique de la couche limite dynamique
La couche limite
dynamique est
associée au
cisaillement vertical du
champ horizontale de
vitesse au voisinage du
sol, du fait de la
condition d’adhérence.
Au dessus de la couche
limite dynamique, le champ
horizontale de vitesse est
approximativement constant
et déterminé par les
gradients horizontaux de
pression (vent
géostrophique)
Cours1-37
Caractéristique de la couche limite dynamique
Selon les profils de
vitesse (intensité et
direction) mesurés et
tracés dans la figure
ci-contre, quelle est la
hauteur de la couche
limite ?
Cours1-38
Instabilité thermique
Sommet de la CLA
Cours1-39
Couche limite thermique
Cours1-40
Couche limite thermique
La couche limite thermique est créée par
le cycle diurne de température. Alors que
la température est quasi constante dans
l’atmosphère libre (AL), dans la couche
limite elle répond à la succession du jour
et de la nuit.
 Le jour, le sol est chauffé et, via le
transfert turbulent de la chaleur
(convection), réchauffe la couche limite
atmosphérique (CLA);
 La nuit, le sol se refroidit et ce transport
de chaleur se fait en sens inverse.
Selon les profils de température mesurés
et tracés dans la figure ci-contre, quelle est
la hauteur de la couche limite ?
Cours1-41
Micrométéorologie
La micrométéorologie étudie les processus qui se déroulent aux
plus petites échelles d’espace et de temps, micro et local
( L < 1 km; t = 24 h).
La micrométéorologie se limite à l’étude des couches atmosphériques
sous influence du frottement dû à la présence de la surface terrestre
(les phénomènes tels que les plumes convectives ne constituent pas le
sujet de la micrométéorologie)
Le domaine de la micrométéorologie est aussi limité aux phénomènes
observés dans la couche de surface de la couche limite atmosphérique.
Cours1-42
Phénomènes dans la couche limite

Grande variation de température en 24 h (par
rapport aux variations de la température dans
l’atmosphère libre).


Turbulence
Sources de turbulence:

Instabilité thermique (thermique: Grands
tourbillons crées par le réchauffement de la
surface)

Cisaillement vertical du vent (à cause du
frottement à la surface)
Cours1-43
Phénomènes dans la couche limite

Cisaillement horizontal du vent (provoqué par les
obstacles : arbres, montagnes, iles)

Ondes de gravité

Tourbillons

Vents katabatiques

Jet nocturne
Cours1-44
Phénomènes dans la couche limite

Nuages:

Cumulus de beau temps (dont les racines sont dans
la couche limite)

Stratocumulus (qui peuvent être à l’origine de
précipitation)

Stratus et brouillard
Cours1-45
IMPORTANCE DES ÉTUDES MICROMÉTÉOROLOGIQUES
1. Qualité de l’air
2. Météorologie à la meso échelle
3. Macrométéorologie
4. Agrométéorologie
5. Planification urbaine
6. Océanographie physique
La couche limite de surface : les premiers 10 à 100 m au dessus de la surface est
l’écosystème de presque tous les êtres vivants!
Cours1-46
Rôle de la CLA dans l’atmosphère globale
La couche limite influence le comportement de l’atmosphère globale et est
extrêmement importante pour la représentation de l’atmosphère dans les
modèles climatiques ou dans les modèles de prévision du temps. Les
principales influences de la CLA sur l’atmosphère à grande échelle sont :

Sur terrain plat, la couche limite détermine la friction entre l’atmosphère et la
surface. La friction est le principal mécanisme de dissipation de l’énergie
cinétique de grande échelle.

La couche limite constitue un tampon entre la surface et l’atmosphère libre et
influence les transferts de chaleur et humidité entre la surface et l’atmosphère
libre. En particulier, la partition de l’énergie solaire reçue à la surface entre
chaleur sensible et chaleur latente est conditionnée, entre autres, par la
disponibilité en eau de la surface.
Cours1-47
Rôle de la CLA dans l’atmosphère globale

L’état de la couche limite est un facteur important dans la détermination des
caractéristiques de l’air qui alimente la convection profonde qui s’étend audessus de la couche limite.

Les propriétés de la couche limite déterminent la possibilité de la formation de
nuages bas, à l’intérieur même de la couche limite, et les conséquences de la
formation de ceux-ci sur le bilan radiatif.

La couche limite tends à retenir les aérosols et l’air pollué proche de la surface.
Le transfert de ces polluants vers l’atmosphère libre sont limités
essentiellement aux épisodes de convection profonde et le passage des fronts.
Cours1-48
Rôle de la CLA dans l’environnement local
Les activités humaines se réalisent presque totalement dans la CLA. La
prévision et la compréhension de l’état de l’environnement local requiert l’étude
de la CLA. En particulier, la micrométéorologie peut prévoir :




Les vents moyens et la turbulence proche de la surface
Les maxima et minima de température de la journée
La visibilité et le brouillard
La dispersion de polluants et d’autres matières
Cours1-49
Rôle de la CLA dans les océans
Comme dans l’atmosphère, les couches limites dans les océans jouent un rôle
important sur les circulations océaniques locales et globales.

En profondeur, la couche limite benthique a une faible influence
dans la dissipation d’énergie des courants océaniques. Ce rôle
est important seulement dans le plateau continental et dans les
régions côtières.

La couche limite entre l’océan et l’atmosphère influence les
échanges de chaleur, humidité et quantité de mouvement entre
l’océan et l’atmosphère. Elle est par conséquent critique dans
l’étude de la circulation océanographique et du changement des
masses d’air.
Cours1-50
Concepts à réviser avant de continuer…





Définition du système en étude – parcelle d’air
Quantification de l’humidité dans l’air
 Rapport de mélange
 Humidité spécifique
 Humidité relative
 Température virtuelle
 Équation d’état de l’air sec
 Équation d’état de l’air humide
Notion de température potentielle
Notion de température potentielle virtuelle
Stabilité statique de l’atmosphère
Cours1-52
Concepts à réviser (suite)





Forces dans l’atmosphère
 Force de gravité
 Force de gradient de pression
 Force de Coriolis
 Force de frottement
Équation de mouvement d’une parcelle d’air
Équation de conservation de la masse
 De l’air humide
 De la vapeur d’eau
 De l’eau liquide
 De la glace
Équation de conservation de l’énergie
Radiation
 Solaire
 Terrestre et atmosphérique
 Bilan radiatif
Cours1-53
À venir…

Caractéristiques de la couche limite atmosphérique (CLA) : la turbulence


Origines de la turbulence dans la CLA
 Dynamique
 Thermique
Évolution diurne de la couche limite


Jour
Nuit
Cours1-54