E. Monteiro Couche limite et microm©t©orologie Applications : Jour : Couche convective Nuit : Couche stable

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  • E. Monteiro Couche limite et micromtorologie Applications : Jour : Couche convective Nuit : Couche stable
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  • E. Monteiro Couche convective diurne volution diurne de la couche convective ou de mlange Mthode thermodynamique Mthode intgrale
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  • E. Monteiro La divergence du flux de chaleur sensible est le processus principale lorigine de la variation de la temprature de la couche limite. Leffet cumulatif est plus important que le flux instantan. CM : Accumulation dnergie pendant le jour Idalisation de la variation temporelle di flux de chaleur sensible en 24 h Q HMAX Q NUIT QHQH
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  • E. Monteiro CM : Accumulation dnergie pendant le jour Idalisation de la variation temporelle di flux de chaleur sensible en 24 h Q HMAX Q NUIT QHQH Le flux sensible est relativement constant pendant la nuit. On peut alors estimer laccumulation des pertes par unit de surface.
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  • E. Monteiro Dans les jours de soleil, la variation presque sinusodal de llvation du soleil, cause une variation quasi-sinusodal du flux de chaleur sensible CM : Accumulation dnergie pendant le jour Idalisation de la variation temporelle di flux de chaleur sensible en 24 h Q HMAX Q NUIT QHQH
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  • E. Monteiro Solution graphique : Calcul de lnergie accumule entre le lever du soleil et le temps t 1 Tracer le profil de temprature potentielle au lever du Soleil (t 0 ) Graphiquement trouver la surface entre le profil initial de temprature et un profil de constante qui corresponds numriquement lnergie accumule. ML (t 1 ) est la temprature de la couche de mlange t 1 volution de la CM : mthode thermodynamique
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  • E. Monteiro Cette mthode donne des bons rsultats dans des conditions de beau temps (ensoleill) et de vents infrieures 10 m/s. Le sondage matinal de la CL montre un profil stable avec / z = 3 K/km. Trouvez la hauteur de la couche de mlange z i, et la temprature de la couche, si lnergie accumule est de Q A = 500 K m. Surface = 0,5(base)(hauteur)=Q A Base = ( / z)z i Hauteur = z i z i = 577 m ML = 6,73 C volution de la CM : mthode thermodynamique
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  • E. Monteiro La mthode thermodynamique ne tient pas comte de lentranement au sommet de la couche limite que contribue augmenter la hauteur de la couche limite, z i. On recours dautres modlisations de la couche limite pour tenir compte de l'entranement. Le modle intgral (ou tranche : slab model) est une idalisation de la couche de mlange o on paramtre lentranement. volution de la CM : Mthode thermodynamique
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  • E. Monteiro Idalisation de la couche de mlange : la temprature potentielle est constante, avec un saut de temprature z i. Les flux turbulents sont linaires dans la couche et tombent zro z ii volution de la CM : modle couche (slab model) Q Hsfc Q H zi
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  • E. Monteiro La vitesse dentrainement est le taux dentranement au sommet de la couche limite, w e, dfinie positive. Cette vitesse dentranement est le volume dair qui traverse le sommet de la CM par unit de surface, par unit de volume (m/s). Par conservation de la masse Le flux de chaleur travers linterface (la zone dentranement) est : w e varie entre 1 et 20 cm s -1 volution de la CM : modle intgral Puisque la temprature potentielle est indpendante de z :
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  • E. Monteiro Le saut de temprature au sommet de la couche limite : - diminue avec laugmentation de temprature de la couche limite - augmente avec lpaississement de la couche limite volution de la CM : modle intgral Si on connaton a 4 quations et 5 inconnues : Il faut alors paramtrer une des inconnues.
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  • E. Monteiro Paramtrage de l'entranement Mcanisme d'entranement : Mcanisme d'entranement : - L'nergie cintique turbulente est produite par instabilit dynamique (cisaillement du vent) et par l'instabilit thermique (flottabilit) dans toute la couche limite. - La plupart de cette nergie est transfre des perturbations d'chelle de plus en plus petite jusqu' sa dissipation en chaleur . - Une partie de l'nergie est diffuse vers le haut par les grands tourbillons (thermiques), pntre la couche d'inversion et est dissipe par la flottabilit ngative. Conclusion : Conclusion : - L'entranement au sommet de la couche de mlange est maintenue par la diffusion verticale d'nergie cintique turbulente produite dans la couche de mlange
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  • E. Monteiro Paramtrage de l'entranement On utilise l'quation d'volution de l'nergie cintique turbulente moyenne. Cette quation dcrit le bilan entre d'nergie : I - la production dynamique II - la production ou destruction thermique III - transport par es fluctuations de vitesse et de pression IV - dissipation
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  • E. Monteiro Ordre de grandeur des termes pertinents Les termes dominants sont proportionnels
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  • E. Monteiro Ordre de grandeur des termes pertinents Comme les termes dominants sont proportionnels La constante d'entranement A est dtermine exprimentalement. La valeur numrique de A est de 0,2 (Driedonks and Tennekes, 1984)
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  • E. Monteiro O A = 0,2, qui est appel rapport de Ball. Ce rapport sapplique seulement au flux de chaleur sensible. Quand les vents sont forts A peut tre suprieur. Conclusion : la vitesse dentranement est directement proportionnelle au flux de chaleur sensible la surface et inversement proportionnelle lintensit de linversion de temprature. volution de la CM : modle intgral
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  • E. Monteiro volution de la CM : modle intgral
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  • E. Monteiro volution de la CM : modle intgral
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  • E. Monteiro Application : Trouvez la vitesse d'entranement dans a couche de mlange caractrise par une inversion au sommet d'intensit = 2 C, et un flux turbulent cinmatique de chaleur sensible la surface = 0,2 K. Quelle sera la variation de la hauteur de la couche de mlange en 6 heures? Il n'y a pas de subsidence. Solution : Donnes : F H,sfc = 0,2 K m/S = 2 C, t = 6 h, w = 0 trouver : w e = ? m/s z i = ? m
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  • E. Monteiro Avantages et dsavantages de la mthode intgrale : Avantages : Avantages : relativement simples ne dpend pas de la rsolution verticale du modle dans le cas de la couche de mlange, dont la physique est bien comprise, la mthode est raliste physiquement. Dsavantages : Dsavantages : La frontire z i est mobile la transition entre le rgime stable et instable est difficile intgrer dans la mthode.
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  • E. Monteiro Couche stable nocturne La nature de la couche stable nocturne Formation de la couche stable volution des vents Le jet nocturne
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  • E. Monteiro Transition vers la couche nocturne Aprs le coucher du soleil, le rchauffement solaire na plus lieu, et la convection cesse. La dure typique des grands tourbillons convectifs et typiquement de lordre de grandeur de 30 min 1 heure (zi/w* ~ 30 m). La turbulence thermique disparat aprs 30 min 1 heure. Le sol se refroidit par mission IR (Q* > 0) et lquilibre nergtique la surface est donn par :
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  • E. Monteiro Couche stable nocturne - Q* est positif et une perte pour la surface (proportionnel T 4 ). - Le flux vers le sol Q G est positif mais en gnrale faible et de faible rponse - Le flux de chaleur latente Q L est ngatif (vers la surface) mais en gnrale petit pendant la nuit, Alors le flux sensible est typiquement ngatif la surface pour quilibrer la perte dnergie par radiation. - Lair proche de la surface perd de la chaleur au bnfice du sol. - Ceci amne la formation de la couche stable nocturne ou inversion nocturne, dans laquelle la temprature augmente avec la hauteur. noter que lair lui-mme perd de lnergie par radiation ce qui provoque un refroidissement moyen de la couche limite de 1 2 K pendant la nuit. En quelles conditions synoptiques leffet de stabilisation aprs le coucher du soleil est maximis?
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  • E. Monteiro Profils typiques de temprature L'augmentation de la temprature avec la hauteur montre que l'atmosphre est stable pendant la nuit. Stull, 2000
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  • E. Monteiro La nature de la couche stable nocturne couche stable nocturne La stabilit de la couche stable nocturne (CSN) tend supprimer la turbulence et le mlange (ou transport) vertical. Les transports l'chelle de la couche stable ont des chelles de temps entre 6 et 30 h ce qui a plusieurs consquences : - L'air froid reste la surface ce qui implique que cette couche est relativement mince (100 200 mtres la fin de la nuit). couche rsiduelle - La hauteur de la couche stable nocturne tant infrieur la hauteur de la couche limite diurne de la veille, il reste un rsidu de la couche de mlange dconnecte de la surface. La couche rsiduelle. - La quantit de mouvement des couches plus leves est difficilement transporte vers les couches infrieures. En consquence, les vents de surface nocturnes sont infrieures aux vents de surface diurnes. Puisque la turbulence est moins intense, les rafales (fluctuations du vent au tour de a moyenne) sont elles aussi moins intenses. Quelles sont les consquences de la stratification stable de la CLN par rapport la pollution dans la couche limite?
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  • E. Monteiro La nature de la couche stable nocturne cause du cisaillement du vent, a turbulence n'est pas absente de CLN mais elle tends tre localise et intermittente. On peut compre