Couche Limite Atmosphérique

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Couche Limite Atmosphérique
Valentine CHATEL
Alexane LOVAT
3HY/SEE
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Sommaire
I – Élément de cours.............................................................................................................................4
1 )Généralités..............................................................................................................................4
1.1) Atmosphère.................................................................................................................4
1.2) Couche limite.............................................................................................................5
2) Équations................................................................................................................................7
3) Effets de rotation de la Terre...................................................................................................8
4) Stratification.........................................................................................................................10
5) Sous couche inertielle...........................................................................................................13
II – Écoulement et dispersion en zone urbaine...................................................................................16
1) L'échelle de la ville et l'échelle régional...............................................................................16
1.1) Contrainte de cisaillement et profil de vent..............................................................16
1.2) Turbulence urbaine, équilibre surface-énergie et effets de l'humidité......................18
1.3) Caractéristique de la dispersion urbaine...................................................................19
2) Échelle du voisinage.............................................................................................................19
2.1) Caractéristiques du flux............................................................................................19
2.1) Contrainte de cisaillement........................................................................................20
2.2) Profil de vent moyen................................................................................................20
2.3) Intensités de la turbulence........................................................................................20
2.4) Caractéristique de la dispersion................................................................................21
3) L'échelle de la rue.................................................................................................................22
3.1) Flux et dispersion.....................................................................................................22
3.2) Turbulence produite par le trafic..............................................................................23
4) Problèmes et progrès...................................................................................................23
III – Ondes orographiques et vents de pente descendants..................................................................24
Cours audio produit par le programme COMET................................................................................24
1. Scenario.................................................................................................................................24
2. Qu'est-ce qu'une onde orographique ?..................................................................................24
2.1 Risques.......................................................................................................................24
2.2 Ondes.........................................................................................................................25
2.3 Caractéristiques..........................................................................................................25
2.4 Climatologie..............................................................................................................27
3. Vents de pente descendants...................................................................................................28
4. Comment se forment les ondes orographiques? Une approche conceptuelle.......................30
4.1 Facteurs qui affectent les écoulements forcés par le terrain......................................30
4.2 Interaction de l'atmosphère avec la topographie........................................................31
4.3 Ondes orographiques idéalisées sous une stratification et un écoulement uniformes31
4.4 Ondes orographiques idéalisées sous un écoulement complexe................................31
4.5 Exercice.....................................................................................................................32
4.6 Rotors et zones turbulentes de bas niveau.................................................................32
5. Prévision................................................................................................................................33
5.1 Modèles de prévision numérique..............................................................................33
5.2 Techniques de prévision à court terme......................................................................34
5.3 Exercice de prévision: 15 Janvier 1999.....................................................................34
IV – Étude de cas – Dispersion de polluant........................................................................................35
1) Enjeux de la dispersion de polluant......................................................................................35
2

2) Modélisations........................................................................................................................35
2.1) Hypothèse et principe...............................................................................................35
2.2) Cas réels...................................................................................................................37
3) Résultats de la simulation numérique à partir de cas réels...................................................38
4) Modèle de dispersion de polluant.........................................................................................38
Annexes..............................................................................................................................................42
1) Approximation d'un profil de vent à l'aide d'excel...............................................................42
2) Codes de calcul.....................................................................................................................42
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I – Élément de cours
1 )Généralités
1.1) Atmosphère
DEFINITIONS
L'atmosphère terrestre est composée de quatre couches : la troposphère, la stratosphère, la
mésosphère et la thermosphère. Chacune de ces couches possède des propriétés physico-chimiques
particulières.
La hauteur de la troposphère varie en fonction de la saison et de la
latitude (plus fine aux pôles qu'à l'équateur), la stratosphère croit
faiblement avec l'altitude, la mésosphère décroit fortement avec
l'altitude et la thermosphère croit fortement avec l'altitude. La
troposphère contient 90 % de la masse atmosphérique.
En météorologie, la couche limite atmosphérique est la partie de
l'atmosphère qui est en contact avec la surface terrestre (sol, océan).
Elle se situe dans la troposphère entre 0 et 1000m environ. Cette
couche est le théâtre de la plupart des échanges de température, de
masse ou de quantités de mouvement.
APPORT D'ENERGIE
Le bilan radiatif de la Terre recense l'énergie reçue et perdue par le système {Terre – Atmosphère –
Océan}. L’énergie solaire est le principal apport d'énergie. Au total, le rayonnement solaire annuel
reçu par les couches supérieures de l'atmosphère est d'environ 340 W/m^2. Cependant l’énergie
absorbée à l'équateur est plus importante que l'énergie absorbée par les pôles, de plus la glace
réfléchit cette énergie.
Le bilan radiatif moyen est positif en surface et négatif à la troposphère, il y a donc des transferts
verticaux de chaleur latente et sensible de la surface vers la haute atmosphère.
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Illustration 2: Bilan radiatif de la Terre.
Source : Meteo.be
Illustration 1: Couches de
l'atmosphère. Source : meteo45

ECHELLE DES PHENOMENES METEOROLOGIQUES
D'après ce graphique, la couche limite va concentrer des phénomènes de méso-échelle tels que la
turbulence ou les tornades.
1.2) Couche limite
La couche limite atmosphérique est
composée de trois sous-couches :
–la sous-couche rugueuse
–la sous-couche inertielle
–la couche d'Ekman.
On appelle parfois couche de surface
l'addition de la sous-couche rugueuse
et de la sous-couche inertielle. On
trouve au sommet de la couche de
surface la vitesse moyenne et au
sommet de la couche limite le vent
géostrophique.
PROPRIETES DES COUCHES
La couche d'Ekman est fortement influencée par l'effet de Coriolis, la surface de frottement et du
gradient de température. Le cisaillement peut avoir un effet sur cette couche.
La couche de surface n'est pas influencée par l'effet de Coriolis.
Dans la sous-couche inertielle, le vent a un profil logarithme en conditions neutres alors que dans la
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Illustration 3: Echelle des phénomènes
météorologique. Source : tsr.blog.com
Illustration 4: Structure de la couche limite. Source : memoire online