M£©t£©orologie de la couche limite atmosph£© M£©t£©orologie de la couche limite atmosph£©rique Module

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  • Météorologie de la

    couche limite atmosphérique Module environnement atmosphérique et qualité de l'air

    Hadjira Schmitt-Foudhil

    hadjira.schmitt-foudhil@developpement-durable.gouv.fr

    19 mars 2012

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    L’Environnement, une notion polysémique

    • En 1971, Georges Pompidou crée un Ministère chargé de la Protection de la nature et de l’Environnement

    «Singulier destin pour un mot que d'avoir un ministre avant d'avoir un sens !»

    • Environnement : ensemble, à un moment donné, des agents physiques, chimiques, biologiques et des facteurs sociaux susceptibles d’avoir un effet direct ou indirect, immédiat ou à terme, sur les être vivants et les activités humaines

    • Altéragène : toute substance ou tout facteur provoquant une altération de l’environnement

    • Nuisance : tout altéragène qui comporte un risque notable pour la santé et le bien-être de l’Homme ou qui peut atteindre indirectement celui-ci, par des répercutions sur son patrimoine culturel et économique

    [Conseil international de la Langue Française, 1976]

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    Sciences de l’environnement De ces définitions, nous retiendrons pour nos propos que : • L’Environnement est considéré ici en tant que milieu physique susceptible

    d’altération par l’activité humaine • Il est restreint à la portion d’espace du système Terre-Atmosphère où sont

    réalisées des conditions physiques assurant le développement de la vie • Cet espace est caractérisé par la présence de 2 fluides, l’air et l’eau, dont

    les propriétés permettent de rendre compte au niveau du sol de la distribution de l’énergie fournie à la Planète par le rayonnement solaire et par conséquent de la répartition des climats puisque cette distribution règle la circulation atmosphérique et le cycle de l’eau

    • Il comprend plus précisément la mince pellicule atmosphérique qui enveloppe la terre, les eaux de surface ainsi que les couches superficielles du globe

    • L’état du système à un instant donné et son évolution dans le temps résultent des transferts de masse, d’énergie et de quantité de mouvement qui s’opèrent dans l’Eau, l’Air et la Terre sous l’effet de l’énergie solaire (4 éléments de la Physique d’Aristote au cœur des sciences de l’environnement)

  • 4

    Les techniques d’étude physique des problèmes d’environnement

    • L’air et l’eau constituent, de par leur nature fluide et leur relative abondance, des vecteurs de choix pour l’évacuation et la dispersion de nombreux types de « déchets » dans l’atmosphère ou les milieux aquatiques

    • La mécanique des fluides trouve là tout naturellement un large champ d’application

    • Aux problématiques issues du développement économique et social, elle fournit des outils adaptés pour caractériser par exemple les propriétés dispersives des milieux récepteurs et évaluer les perturbations introduites par l’activité humaine dans la dynamique de leurs interactions (circulation atmosphérique, cycle de l’eau)

    • Nous allons préciser les dimensions de ce domaine d’application de la mécanique des fluides à l’art de l’ingénieur en examinant les types de problèmes d’Environnement qui nécessitent un recours directe ou indirecte à ses techniques

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    Détérioration de la qualité de l’air

    Action mécanique du vent

    Préoccupations environnementales

    Flux de gène OGMFlux de gènes OGM, pathogènes

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    Préoccupations environnementales

    Action mécanique du vent

    Nuisances sonores

    Rejets industriels polluants, odeurs

    Architecture bioclimatique

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    Motivations pour l’étude de la CLA

    Ces processus ont lieu dans la CLA

    • Comment la structure du paysage affecte-t-elle l’écoulement ? • Comment s’opère la diffusion de polluants en terrain hétérogène, en milieu

    urbain ? • Quels sont les effets de la turbulence sur les structures naturelles ou

    artificielles ? • Comment aménager un site pour limiter les risques ? • Comment évaluer l’effet d’une perturbation introduite et son niveau

    significatif ?

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    Les techniques d’étude physique des problèmes d’environnement

    • Les réponses à ces questions passent par plusieurs approches souvent multidisciplinaires

    – L’acquisition de données expérimentales : in situ, en conditions

    contrôlées…

    – La modélisation fine de l’écoulement dans la couche limite

    atmosphérique pour décrire les transferts turbulents de quantité

    de mouvement, de chaleur, d’humidité, de matière…

    • Les progrès de la modélisation numérique permettent d’aborder ces problèmes d’environnement à cette échelle

    • Ces approches ont comme visée finale le contrôle ou la prévision des modifications de l’état « naturel » de divers éléments du système Terre-Atmosphère

    • Elles contribuent à alimenter des outils d’aide à la décision pour la prévention des nuisances potentielles

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    Plan et objectifs généraux

    • Séance 1 (19/03/12) : la couche limite atmosphérique – Définition, processus physiques – Les équations de la CLA – Turbulence et modèles de fermeture

    • Séance 2 (26/03/12) : le transport et la dispersion atmosphérique – Définition, processus physiques – Les modèles de dispersion atmosphérique

    • Séance 3 (2/04/12) : TP sur la campagne expérimentale «Project Prairie Grass» – Développement d’un modèle numérique de dispersion

    atmosphérique de type panache gaussien – Validation sur la base du « Project Prairie Grass »

    http://www.jsirwin.com/PrairieGrassDiscussion.html

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    Plan de l’exposé

    • Généralités sur l’atmosphère • La couche limite atmosphérique

    – Equations MdF – Approximations de Boussinesq – Turbulence – Couche de surface – Couche d’Ekman

    • Atmosphère libre

    • Nomenclature • Compléments Exercices

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    Notion d’échelles en météorologie

    On distingue usuellement : • Echelle planétaire / globale

    L ~ 10000 km - T ~ semaines – mois • Echelle synoptique / continentale

    L ~ 1000 km - T ~ jours – semaine • Echelle méso / régionale

    L ~ 10 – 100 km - T ~ heures – jour • Echelle locale / urbaine

    L < 10 km - T ~ minutes – heure

    • L’atmosphère est soumis à plusieurs types excitations extérieures qui peuvent être cycliques ou plus complexes ou irrégulières comme les interactions avec la surface

    • En réaction, des circulations se mettent en place, en général dans le sens d’une homogénéisation de l’état fluide, d’un retour vers l’équilibre

    • Ces circulations ont des dimensions spatiales et des périodes temporelles T très diverses : de la taille de la planète à moins d’un millimètre, et de plusieurs années à moins d’une seconde

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    Classification des phénomènes atmosphériques en fonction de leur échelle spatio-temporelle

    Échelle planétaire Mousson, régime de temps Échelle synoptique Dépression, anticyclone Méso-échelle Vent régionaux, brises, lignes de grains Échelle aérologique Orages isolés, tornades, thermiques pures Micro-échelle Tourbillons de poussières, rafales, microphysique des nuages (formation de gouttelettes)

    • Cette séparation d’échelle est très pédagogique et utile, mais a ces limites

    • Lorsqu’on décide de zoomer sur une échelle donnée, on fait en général l’hypothèse que tout ce qui est de plus grande échelle constitue un fond qui varie si lentement par rapport au phénomène étudié qu’on le considère comme fixe

    • Cependant lorsque des phénomènes de plus petite échelle s’amplifient, il faut remettre en cause cette séparation d’échelle car les petites échelles modifient le forçage de grande échelle qui, à son tour, va influencer les petites échelles

    [Oke, 1987]

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    Structure verticale de l’atmosphère La pression atmosphérique

    • La pression décroît très vite avec l’atmosphère : Psol= 1000 hPa, P(2 km)= 760 hPa, à la tropopause : P(16 km)= 110 hPa, à la stratopause P(50 km)= 1 hPa

    • Il en est de même pour la distribution de la masse de l’atmosphère

    Profil vertical moyen de pression calculée avec un modèle statique isotherme avec une hauteur d’échelle H=7.3 km (R=287 J/kg/K g=9.81 m/s2) Tsol = 250K Psol = 1000 hPa (atmosphère standard USA 1976)

    CsteTT sol ==

    ( )  

      

     −=

    H

    z PzP sol exp

    g

    RT H sol=

    Modèle statique

    atmosphère isotherme

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    Structure verticale de l’atmosphère La température

    • Le profil moyen de température permet de définir un découpage vertical de l’atmosphère

    • La troposphère ~ 6/8 - 16/18 km – T décroissance jusqu’à 220 K aux

    pôles et 190 K à l’équateur – Gradient moyen de T est de

    l’ordre de -6.5 K km-1

    – 90 % de la masse atmosphérique – Elle contient presque toute la

    vapeur d’eau

    • La stratosphère ~ 50