Couche limite atmosphérique
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Couche limite atmosphérique Micro météorologie SCA7025 Professeure: Eva Monteiro, Jean-Pierre Blanchet Bureau: PK-2345, PK-2515 Téléphone: 6807, 3316 courriel: [email protected] Micrométéorologie Étude des phénomènes atmosphériques et processus à la petite échelle : micro et locale Le domaine de la micro météorologie est limité aussi aux phénomènes observés dans la couche limite atmosphérique Bibliographie An Introduction to Boundary Layer Meteorology par R. B. Stull Les théories de la turbulence dans la couche limite atmosphérique par G. de Moor Introduction à la micrométéorologie par A. Poggi The structure of atmospheric turbulence par J. L. Lumley et H. A. Panofsky Introduction to micrometeorology par S. Pal Arya Boundary Layer Climates par T. R. Oke Évaluation Devoirs et participation: Examen intra : Examen final : Travail de session : 40% 20% 20% 15% Buts de ce cours Comprendre : 1) ce qui est la couche limite atmosphérique (CLA) 2) l ’importance des processus ayant lieu dans la CLA 3) la relation entre la CLA et l ’atmosphère libre 4) l ’intérêt de l ’étude de la CLA Cours d’aujourd’hui Échelles météorologiques Couches dans la troposphère Définition de couche limite et ses caractéristiques Forçages dans la couche limite Comparaison entre la couche limite et l ’atmosphère libre Définition de micro-météorologie Applications Échelles des phénomènes atmosphériques Équations qui gouvernent le mouvement d ’un fluide Équation de conservation de quantité de mouvement u 1 2 u u g 2 u p u u t 3 II IV III I VI V Équation de conservation d ’énergie Lp E v 1 2 * u v v Q t cp c p VI I II II Équation de continuité d u 0 dt II I IV V Échelles Circulation de grande échelle Conversion du flux solaire en énergie interne Génération de flux de chaleur Génération d’énergie potentielle, des gradients thermiques verticaux et horizontaux Convergence intertropical Mousson Circulation de Hadley Ondes baroclines Cyclones tropicaux etc. Circulation de petite échelle Circulation thermique liée à l’instabilité convective Instabilité de cisaillement (~50% de la dissipation) Effet de friction dans la couche limite planétaire (~50% de la dissipatipon) Transfert de chaleur à la source froide Maintien de l’énergie Cinétique des mouvements horizontaux de grande échelle (~98% de l’énergie cinétique totale) Maintien de l’énergie cinétique des mouvements de petite échelle (~2% de l’énergie cinétique totale) Contribution à l’énergie interne de l’atmosphère (mouvements moléculaire) Cascade inertielle Schéma simplifié des transferts d’énergie mécanique associés à la circulation générale de l’atmosphère. Les cercles entourent les processus tandis que les rectangles encadrent leurs résultats. H. Sauvageot, 1982 Définition de couche limite Couche limite : la couche atmosphérique où les effets de la surface se font sentir dans une échelle de temps de moins d ’une heure ... Caractéristiques de la CLA Couche essentiellement turbulente Signature Intensité Spectre Vitesse de demoyenne la turbulence turbulence Écoulement laminaire versus turbulent Écoulement laminaire: Haut degré de régularité dans l ’espace et dans le temps Écoulement turbulent: 1. Grand nombre de Reynolds 2. Structure spatio-temporelle complexe 3. Écoulement non reproductible 4. Écoulement de grande vorticité 5. Fluctuations du rotationnel 6. Grande dissipation d ’énergie 7. Grande capacité de diffusion Écoulement laminaire versus turbulent Origines de la turbulence Équation de conservation de quantité de mouvement (Navier Stokes) u 1 2 u u g p 2 u u u t 3 II V III I IV Forces d'inertie u u Re ~ forces de viscosité 2u (U / L)U UL Re ~ ~ 2 (U / L ) VI Types de turbulence Selon les forçages on a: Turbulence dynamique u u advection Turbulence thermique g 1 p flottabilité Forçages Cisaillement du vent Transfert de chaleur Forçages Cisaillement du vent Les petits tourbillons caractéristiques de la couche limite se forment par plusieurs procédés: Le longue d ’une région de cisaillement -->> Dans une région de cisaillement les vents changent rapidement d ’intensité où de directions Couche limite dynamique Couche limite dynamique Couche limite thermique Forçages Instabilité thermique Sommet de la CLA Couche limite thermique Couche limite thermique Nuages de couche limite Les cumulus de bon temps Nuages de couche limite Les brouillard Nuages de couche limite Les strato-cumulus Orages Phénomène de meso échelle Change les caractéristiques de la couche limite … pourquoi ? 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 locale ou régionale; • 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.
