Couche limite et microm©t©orologie

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Éolienne du parc éolien Le Nordais, Québec, Canada. Couche limite et micrométéorologie. Les équations de la couche limite : Énergie cinétique turbulente. Plan. Énergie cinétique turbulente Équation d’énergie Advection Production dynamique Production thermique Transport - PowerPoint PPT Presentation

Text of Couche limite et microm©t©orologie

  • Couche limite et micromtorologie Les quations de la couche limite : nergie cintique turbulente

  • Plannergie cintique turbulente

    quation dnergieAdvection Production dynamiqueProduction thermiqueTransportDissipationExemple dapplication

  • chelles de vitesse, temprature et humidit dans la couche de surfaceLes flux turbulents dans la couche de surface sont pratiquement constants(varient moins de 10 %). On les utilise pour dfinir des chelles de grandeur caractristiques de la couche de surface :Vitesse de frictionchelle de tempraturechelle dhumidit

  • nergie cintique turbulente : TKEUne mesure de lintensit de la turbulence est lestimation de lnergie cintique turbulente par unit de masse : TKELa turbulence est produite lchelle de lpaisseur de la couche limite et la production est : Mcanique : par la variation spatiale du vent (cisaillement du vent) Thermique : par la force de flottabilit due linstabilit thermique de latmosphre

  • Cascade dnergie turbulente Big whirls have litle whirls that feed on their velocity, and litle whirls have lesser whirls and so on to viscosity -in the molecular sense. L. F. Richardson, 1922

  • Cascade dnergie turbulente Lnergie turbulente provient de lnergie cintique du mouvement moyen. Ce transfert dnergie se fait vers les grands tourbillon. Il sensuit une cascade dnergie des grands tourbillons vers le petits tourbillons, jusqu la dissipation de lnergie cintique turbulente en chaleur (nergie cintique molculaire)La viscosit molculaire attenue constamment les plus petites perturbations en dissipant la TKE en chaleur. Lnergie cintique turbulente ne se conserve pas.

  • Tendance temporelle de TKE Connatre lnergie cintique turbulente est trs important : La turbulence est directement responsable du transport de chaleur, humidit et quantit de mouvement dans la couche limite Connatre son volution temporelle nous permet de savoir comment volue ltat de turbulence de la couche limite: Si lnergie cintique turbulente augmente la couche devient plus turbulente Si lnergie cintique turbulente diminue la couche sapproche de ltat laminaire. Il est alors important de connatre les processus qui font augmenter ou diminuer lnergie cintique turbulente.

  • Tendance temporelle de TKE A = advection de la turbulence par le vent moyenS = production dynamiqueB = production thermiqueT = transport par les mouvements turbulents et par les perturbations de pression = taux de dissipation de lnergie cintique turbulente

  • Tendance locale1) En quelles priodes et quels niveaux lintensit de la turbulence augmente?2) En quelles priodes et quels niveaux lintensit de la turbulence augmente?3) Indiquez un point o il ny a pas de turbulence?

  • Advection : ALe vent transporte de lnergie cintique turbulente dune place une autre. Le terme dadvection est donne par:Alors la turbulence peut diminuer (augmenter) localement si le vent souffle des rgions moins (plus) turbulentes.Quelle est limportance de ce terme quand il y a de lhomognit horizontale?2) Donnez un exemple dune situation dans laquelle ce terme est important.

  • Production dynamique : SLe cisaillement produit de la turbulence proche de la surface proportionnellement au gradient vertical de la vitesse du ventS reprsente linteraction entre le flux turbulent de quantit de mouvement et le cisaillement du vent moyen. noter que la fluctuation de la vitesse verticale w est amplifie par le cisaillement du vent. Ces fluctuations verticales de vitesse sont appeles convection force1) Ce terme est en gnrale trs important proche de la surface. Pourquoi?2) Il est plus important dans un jour venteux que dans un jour de vents calmes. Pourquoi?

  • Production dynamique : SDans la couche de surface : o u* est la vitesse de frictionS est toujours positif dans la couche limite. Pour cette raison il est appel terme de production dynamique

  • Production ou destruction thermique : BLa stabilit thermique de la couche limite contribue aussi laugmentation ou diminution de la turbulence par flottabilit : o g est la gravit, 0 la temprature potentielle de la couche limite et FH est le flux turbulent de chaleur sensible , positif ou ngatif. Sur les continents le flux de chaleur sensible est en gnrale positif pendant le jour et ngatif pendant la nuit.

  • Production ou destruction thermique : BLa flottabilit peut contribuer augmenter ou diminuer la turbulence : Quand les thermiques monte dune surface plus chaude que lair de la couche limite, elles augmentent la turbulence; Quand la surface est plus froide que lair, la flottabilit soppose aux mouvement verticaux ce qui diminue la turbulence.1) Ce terme est maximum la hauteur de 1/3 de la hauteur de la couche limite. Pourquoi? 2) Il est plus important dans un jour ensoleill que dans un jour nuageux. Pourquoi? 3) Quand et o ce terme contribue diminuer la turbulence?

  • Le terme de transfert : TLa turbulence peut se transporter elle mme : La turbulence produite par cisaillement de vent proche de la surface est transporte vers les couches suprieures; Partout ce terme transporte de la turbulence do il y a plus vers o il ya moins. Il tend uniformiser lintensit de la turbulence dans tout lespace; Les fluctuations de pression ont des effets similaires parce que les fluctuations de pression (force de gradient de pression fluctuante) provoquent des fluctuations de vitesse; Cet effet est trs difficile mesurer.

  • Le terme de transfert : TLe terme de transfert ne cre ni dtruit de lnergie turbulente. Il correspond la divergence dun flux. Les fluctuations de vitesse, w transportent de lnergie cintique turbulente e. Si le flux rentrant et suprieur celui sortant, la couche dpaisseur z , gagne de lnergie turbulente. Elle devient plus turbulente. Par contre, ailleurs, dautres couches perdent de lnergie. La somme des pertes et des gains dans tout le domaine turbulent est nulle.

  • Le terme de dissipation : Les plus grands taux de dissipation dnergie se fait proche de la surface o il existe plus de turbulence. Le taux de dissipation diminue rapidement dans la couche de mlange et est nul en dehors de la couche limite. noter que la dissipation se fait par attnuation des plus petites fluctuations par la viscosit molculaire qui transforme lnergie cintique des fluctuations en chaleur. Les plus petites fluctuations puisent leur nergie dans les plus grandes.

    Rappelez-vous que ce processus sappelle cascade dnergie : Lnergie cintique est transfre des plus grands tourbillons (ou fluctuations) vers les plus petits, pour finalement finir en chaleur au niveau molculaire.

  • Le terme de dissipation : La viscosit molculaire dissipe les mouvements turbulents en chaleur. La quantit de chaleur est petite mais lattnuation de la turbulence par ce processus est importante. La dissipation est proportionnelle lnergie cintique turbulente, e, et inversement proportionnelle lchelle de la dissipation : la longueur de dissipation, l. Ce terme peut tre approxim par

  • ExempleCalculez lnergie cintique turbulente moyenne dans la couche de surface qui correspond ltat stationnaire, homogne horizontalement,dans les conditions suivantes :

    Vent moyen mesur 10 m = 5 m/s, Flux de chaleur la surface = -0,202 K m/s,Flux de quantit de mouvement la surface = -0,02 m2/s2l = 50 mTemprature ambiante est de 25 CPression est de 1000 mbLair est sec. Ngligez le transport turbulent.

  • Les principaux termes de lquationdans une couche convectivechelles importantes : hauteur de la couche limite zi, vitesse de convection libre ucl

    Turbulence Kinetic Energy (TKE) is one of the more important variables in boundary layer meteorology since it is a measure of turbulence intensity. It is directly related to the transport of heat, moisture, and momentum through the boundary layer. The tendency of TKE is also important to understand: if TKE decreases with time, the boundary layer is becoming less turbulent with time if TKE increases with time, the boundary layer is becoming more turbulent with time So, what processes create and destroy TKE? These processes are summarized in the TKE budget equation to be discussed next. TERM I - STORAGE/TENDENCY TERM The diurnal evolution of TKE is shown in Fig. 5.1. Notice: the rapid increase of TKE beginning at about 11 AM. also notice the rapid decrease of TKE beginning sometime after 2PM. also notice that during the evening hours, TKE is much smaller in magnitude and is confined to near the ground. Q: When during the course of the 24 hour day is term I positive? Q: When during the course of the 24 hour day is term I negative. Q: Is there any time(s) when term I is 0? Q: How would this plot of the TKE tendency be different for the marine boundary layer?

    As can be seen in this term, it is the interaction of the turbulent momentum flux with the mean vertical wind shear that generates turbulence. Notice from Fig. 5.4 above, that this term is very large and positive near the ground. Why is this the case? This term is obviously going to be larger on a windy day (larger vertical shear) and smaller on a calm day. So this term would be large in the surface layer associated with a synoptic-scale cyclone, and would be small in the surface layer associated with an area of high pressure. Notice that this term contains w', i.e., eddy vertical motion this vertical motion is not due to convection, but due to the production of eddies by shear. These shear-generated eddies can in turn generate clouds. This mechanism for cloud generation is called "forced convection". Forced convection would be more common with a synoptic-scale low than a high.