Meso-micrométéorologie

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1 Meso-micrométéorologie Cours 2 L évolution temporelle de la CLA Cours2-1

2 Table de matières Évolution temporelle de la couche limite (24 h) Reconnaissance des diverses sous-couches de la couche limite en utilisant un diagramme aérologique Conséquences de la stabilité de la couche limite sur la dispersion des polluants Formations des nuages de couche limite Conditions de la couche limite amenant à la convection profonde Impact des orages et des fronts sur la structure de la CLP - discussion Couche limite maritime - discussion 2

3 Rappel : définition de couche limite Stull, 1988 Couche limite : la couche atmosphérique où les effets de la surface se font sentir dans une échelle de temps de moins d une heure... Stull,

4 COUCHES ATMOSPHÉRIQUES Atmosphère statiquement neutre Atmosphère libre Couche de surface surface Couche d Ekman Couche visqueuse 1. Couche visqueuse ou couche laminaire : où les échanges sont moléculaires (épaisseur ~1 mm) 2. Couche de surface : où la force de Coriolis est négligeable (épaisseur ~ 0.1h, h = hauteur de la couche limite atmosphérique). 3. Couche d Ekman : où les forces de gradient de pression, de frottement et de Coriolis sont de même ordre de grandeur (sommet est h, variable) 4. Atmosphère libre : où les effets de surface sont négligeable (équilibre géostrophique). Les caractéristiques des diverses couches de la CLP neutre sont conséquence de la dynamique puisque les effets thermiques sont nuls. 4

5 L intensité du vent moyen, M, dans les cas stable et instable 5

6 Évolution de la stabilité thermique au cours d une journée Deux propriétés essentielles déterminent l évolution de l état de la couche limite atmosphérique : Le rayonnement solaire est essentiellement absorbé par le sol et non par les basses couches de l atmosphère; Le sol a une meilleur conductivité thermique que l atmosphère. 6

7 Structure et évolution de la CLP Définition: La couche atmosphérique directement influencée par la surface et que répond aux forçages (changements) de la surface dans un intervalle de temps de moins d une heure. Variables les plus utilisées dans l étude et localisation de la couche limite : Température (T) Rapport de mélange (r) Température potentielle (θ v ) θ V p p 0 = TV R cp Rappel: θ et r se conservent dans un processus adiabatique sans condensation. 7

8 Structure et évolution de la CLP La couche limite planétaire exhibe de fortes variations quotidiennes, synoptiques (3 à 5 jours) et saisonnières. En général, l'épaisseur de la couche limite planétaire dépend : de l'ampleur du réchauffement par chaleur sensible ou latente, qui détermine la stabilité statique et la croissance des tourbillons turbulents; de la grandeur du cisaillement vertical du vent, qui détermine l'intensité de la turbulence mécanique et la croissance des tourbillons turbulents. 8

9 Structure et évolution de la CLP En absence de forçage frontal (i.e., sous l effet d un système de haute pression ou anticyclone): la couche limite planétaire évolue de façon assez prévisible Le cycle de 24 heures est très prononcé et régulier Couche de surface: La couche atmosphérique plus proche de la surface d une épaisseur approximée de 10% de la hauteur de la CLP (typiquement < 100 m) Couche d échange de chaleur et humidité entre la surface et l air Caractérisée par des forts gradients de température, humidité et vent Couche super-adiabatique pendant le jour et sous-adiabatique pendant la nuit. 9

10 Structure et évolution de la CLP Fin de l après-midi Après le coucher du soleil Avant le lever du soleil Tôt le matin Mi-matin Température potentielle Température 10

11 Structure et évolution de la CLP Couche de mélange : Localisée au-dessus de la couche de surface pendant le jour Épaisseur ~1000 m Les grands tourbillons (thermiques) transportent de l énergie thermique et cinétique, ainsi que l humidité de la surface vers la zone d entrainement. La turbulence thermique mélange efficacement toutes les propriétés conservatives. La température potentielle et le rapport de mélange sont constants. Le mélange est souvent le plus intense 1 à 2 heures après le midi solaire La stabilité statique est neutre (sèche, où il n y a pas de nuages) 11

12 Structure et évolution de la CLP Fin de l après-midi Après le coucher du soleil Avant le lever du soleil Tot le matin Mi-matin Température potentielle Température 12

13 Structure et évolution de la CLP Zone d entrainement : Localisée au-dessus de la couche de mélange pendant le jour Épaisseur ~ m Couche de transition entre la couche convective, bien mélangée et l atmosphère libre (ou la couche résiduelle) Forts gradients verticaux de température et d humidité Caractérisée souvent par une couche d inversion (source de CIN). Si l inversion est très prononcée (forte) la convection profonde est inhibée. Souvent absolument stable (empêche le développement vertical des nuages). 14

14 Structure et évolution de la CLP Structure et évolution Fin de l après-midi Après le coucher du soleil Avant le lever du soleil Tot le matin Mi-matin Potential Temperature Temperature 15

15 Structure et évolution de la CLP Couche limite stable : couche atmosphérique, au dessus de la couche de surface, statiquement (thermiquement) stable. Épaisseur ~ m Créée pendant la nuit par refroidissement radiatif de la surface La couche s épaissit au cours de la nuit. Les transports verticaux sont difficiles à cause de la stabilité thermique. Couche résiduelle : ce qui reste de la couche de mélange diurne. Couche d inversion : ce qui reste de la zone d entrainement diurne 16

16 Structure et évolution de la CLP Structure et évolution Late Afternoon After Sunset Before Sunrise Early Morning Mid-Morning Potential Temperature Temperature 17

17 Structure et évolution de la CLP Sous-couches pendant le jour: Couche de surface (SL - Surface Layer) Couche de mélange (ML - Mixed Layer) couche d Ekman modifiée Couche d entrainement (EZ - Entrainment Zone) Sous-couches pendant la nuit: Couche de surface (SL Surface Layer) couche d Ekman modifiée Couche stable (SBL - Stable Boundary Layer) couche d Ekman modifiée Couche résiduelle (RL - Residual Layer) Couche d inversion au sommet de la CLP (CI Capping Inversion) 18

18 Structure et évolution de la CLP Sondage diurne Amarillo, Texas Pouvez-vous identifier chacune des sous-couches de la couche limite? 19

19 Structure et évolution de la CLP Sondage diurne Amarillo, Texas Pouvez-vous identifier chacune des sous-couches de la couche limite? 1. Couche de surface 2. Couche de mélange 3. Zone d entrainement A B C C B θ A 20

20 Structure et évolution de la CLP Sondage nocturne Amarillo, Texas Pouvez-vous identifier chacune des sous-couches de la couche limite nocturne? Couche limite stable Couche résiduelle Couche d inversion au sommet (capping inversion) Couche de surface B A θ C 21

21 Identifiez les sous-couches de la CLA 22

22 Fin juin : nuit sans nuages et jour ensoleillé 25

23 Hier matin (1200Z) 26

24 Profils typiques d autres variables (ML) - vent, rapport de mélange et concentration de polluants Stull, 1988 ( ) Valeur moyenne 27

25 Couche de mélange : forme des panaches de pollution Looping = en boucles 28

26 Profils typiques de température et de vent dans la CLA nocturne 29

27 Couche limite nocturne ou stable : forme des panaches de pollution Conique FA EZ RL SBL En éventail SBL = couche stable limite nocturne FA = atmosphère libre EZ = zone d entraînement RL = couche résiduelle 30

28 Panaches de pollution et évolution de la CLA À quel zone de la couche limite appartient cette ligne blanche? Forme? Fumigation Forme? S4 S5 31

29 32

30 Épaisseur de la couche limite Rappelons-nous que l épaisseur de la couche limite va dépendre : de l'ampleur du réchauffement par chaleur sensible ou latente, qui détermine la stabilité statique et la croissance des tourbillons turbulents; de la grandeur du cisaillement vertical du vent, qui détermine l'intensité de la turbulence mécanique et la croissance des tourbillons turbulents. Mais aussi de la présence de convergence ou divergence à la surface Stull,

31 Épaisseur de la couche limite effet des systèmes de haute et basse pression Stull,

32 Impact des nuages Cycle diurne de la température dans la CLP 1) Quel des figures représente très probablement une couche limite nuageuse? 2) Quelles sont les conséquences sur l épaisseur de la couche limite pendant le jour? 3) Et pendant la nuit? 35

33 Convection dans la couche limite Les cumulus de bon temps 36

34 Convection dans la couche limite Quand et comment? Convection : Transport d énergie thermique (chaleur sensible) et d humidité (chaleur latente) de la surface vers l atmosphère libre Deux scénarios communs de convection dans la couche limite : Réchauffement de la surface par le Soleil (SW) Advection d air froid 37

35 Nuages de couche limite Les brouillard 38

36 Évolution du brouillard radiatif 39

37 Évolution du brouillard radiatif 40

38 Stratus Rapport de mélange moyen dans la CLP Couche de mélange s épaissit 41

39 Formation d un stratus par mélange vertical Cours 10-42

40 Nuages de couche limite Les strato-cumulus 43

41 Formation des strato-cumulus Le rayonnement solaire contribue au réchauffement de tout le nuage Le rayonnement infra-rouge contribue au refroidissement du sommet et au réchauffement de la base du nuage subsidence entrainement Libération de chaleur latente Turbulence thermique Flux turbulents d humidité et de chaleur sensible? Suggérez un profil de température et de rapport de mélange qui serait compatible avec le schéma ci-dessus. 44

42 ? Sondage d un événement de stratocumulus 45

43 D autres profils caractéristiques de CLP avec stratocumulus (et stratus) 46

44 47

45 Initiation de la convection profonde (Méso) Changements des conditions thermodynamiques de la couche limite (i.e. diminution du CIN (Inhibition de la convection) et augmentation du CAPE (énergie convective disponible). Changements dans le profil de température et/ou humidité. Processus possibles : advection différentielle de température mouvement ascendant persistant (convergence dynamique) (a) humidification de la couche limite (b) augmentation de la température de la couche limite (c) 48

46 Orages Phénomène de mésoéchelle Change les caractéristiques de la couche limite pourquoi? 49

47 Fronts Phénomène de méso échelle Les fronts changent aussi les caractéristiques de la couche limite pourquoi? Franklin Facts, a segment on weather and science topics, hosted by Franklin Institute chief meteorologist Dr. Jon Nese. Franklin Fact Archive 2/franklinfacts/dec1400f f.html Source : 50

48 En résumé La couche limite atmosphérique existe parce que l'écoulement est turbulent dû à la présence de la surface terrestre : Viscosité de l'air : la vitesse du vent à la surface doit être nulle (surface rigide) ou égale à celle de la surface (surface en mouvement) Réchauffement différentiel de la surface planétaire qui est à l'origine des mouvements de l'air : horizontaux (vents) ou verticaux (convection) L intensité de la turbulence thermique et dynamique dépend de : De l intensité du rayonnement solaire (thermique) De l intensité du vent (dynamique) Des obstacles du terrain (rugosité, édifices, orographie)(dynamique) Du réchauffement différentielle des surfaces terrestres (thermique) 51

49 En résumé Les vents dans la couche limite sont affectés par le frottement dans la surface terrestre. Le vent augmente en intensité au fur et à mesure qu'on s'éloigne de la surface. La turbulence est pratiquement toujours présente dans les basses couches atmosphériques. La turbulence peut être d'origine dynamique (mécanique) et thermique. L'instabilité dynamique est due à la variation spatiale de l'intensité du vent (cisaillement du vent) Dans les conditions atmosphériques, un écoulement de vitesse non nulle est instable dynamiquement. L'instabilité thermique génère toujours de la turbulence La stabilité thermique contribue à diminuer la turbulence, pouvant même la supprimer complètement. 52

50 En résumé : Sous-couches dans la couche limite Selon ses caractéristiques on découpe la couche limite atmosphérique en plusieurs sous-couches : Jour : couche de surface, couche convective ou de mélange, couche d entrainement Nuit : couche de surface, couche stable, couche résiduelle, couche d inversion 53

51 En résumé : dispersion de polluants Dispersion = advection + diffusion Dispersion de panaches de pollution Éventail Boucles Vue d en haut Fumigation 54

52 En résumé : dispersion de polluants Dispersion = advection + diffusion Conique Élevée (lofting) 55

53 En résumé : nuages de couche limite Cumulus de bon temps Stratus, brouillards Stratocumulus 56

54 Questions 1) Pourquoi la variabilité temporelle de l'intensité du vent moyen est plus marquée dans un jour ensoleillé que dans un jour nuageux? 2) Sur les océans la hauteur de la couche limite varie lentement dans l'espace et dans le temps. Pourquoi? 3) Quelle est l origine de la turbulence dans la couche limite nocturne? 4) Comment définissez-vous la couche limite atmosphérique (CLA) ou planétaire (CLP)? 5) On est l'hiver, la surface du sol est couverte de neige. Le vent souffle dans la direction d'un lac non gelé. Quelle sera la stabilité statique de l'air au-dessus du lac? Quelles sont les caractéristiques de la couche limite planétaire au-dessus du lac? 6) Si l'atmosphère terrestre était en permanence adiabatique existerai-t-il, malgré tout, une couche limite? Si oui, quelles seraient ses caractéristiques. 57

55 Évolution diurne de la CLA: région anticyclonique Discussion : Caractéristiques spatiotemporelles de la couche limite au-dessus des océans. Nous avons vu que la CLA est très variable, avec une forte influence du cycle diurne. de jour, elle varie de 1 à 2km, en fonction de l ensoleillement et de la saison. Elle est plus basse en hiver qu en été. Exceptionnellement elle peut atteindre 4 à 5km (Sahara). de nuit, elle varie entre 100 et 300m, en fonction du vent et du refroidissement en surface. au dessus de l océan, elle est plus régulière, sans cycle diurne prononcé, en général épaisse de 500m et 1000m, en fonction de la position des premiers nuages. Source : 58

56 Différences entre la couche limite maritime et la couche limite continentale Objectif Comparer les propriétés de la couche limite maritime MBL flux de chaleur et quantité de mouvement à la surface, épaisseur, profils de température, etc. avec celles de la couche limite continentale CBL. Points clés Différences dans le couplage par viscosité (frottement). Impact des différences de température entre la mer et l air sur le profil de température dans la couche limite. Interaction vent-ondes : turbulence mécanique et turbulence convective. 59

57 Les différences principales Frottement plus faible que dans le cas continental (impact dans la direction du vent). Pour le même gradient de pression, la direction du vent est différente sur une surface d eau par rapport à celle trouvée sur une surface terrestre. Pourquoi? Les vents sont plus proches de l équilibre géostrophique Ils sont plus forts Exception? 60

58 Les différences principales La variation de la température de la surface de la mer (SST) à l échelle d un jour est quasi imperceptible (impact sur le profil de température et stabilité de l air). Pourquoi? La SST tend à varier moins dans l espace et dans le temps sur la mer. L océan est un puits/source d énergie quasi-infini (thermostat). Ces propriétés contribuent à la modification rapide de la température et de l humidité de l air au-dessus des océans. En haute mer, les propriétés de l eau contribuent à des variations des caractéristiques de la couche limite moins dépendantes du cycle diurne. Les inversions nocturnes sont très rares sur les océans. 61

59 Position géographique : Tallahassee versus Key Ouest KEY OUEST 62

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61 Les différences principales Le transfert de quantité de mouvement et la dynamique de création des ondes. Les vents sur les océans sont en contact avec une surface mobile avec laquelle ils échangent de la quantité de mouvement. Cet échange est à l origine des vagues. Celles-ci augmentent la rugosité de la surface ce qui aura des conséquences sur la vitesse du vent. Quelles conséquences? 64

62 Conclusion Par définition, la couche limite est la partie de l atmosphère directement influencée par la présence de la surface. En présence de nuages le sommet de la couche limite est souvent défini comme la base du nuage. En générale, les couches limites maritimes nuageuses sont plus minces que les couches limites continentales. L air sur les océans étant plus humide, le niveau de condensation par soulèvement adiabatique est plus bas bas. 65

63 Conclusion Cependant, les couches limites maritimes convectives ayant au sommet de stratocumulus ont des processus de mélange très importants qui contribuent au transport d humidité vers l atmosphère (par évaporation) et une augmentation de la hauteur de la couche limite. 66

64 Strato-cumulus cumulus Schéma d évolution des stratocumulus se transformant en cumulus. Compte rendu des observations ASTEX (Atlantic Stratocumulus Transition Experiment) entre 1719 UTC, le 12 juin 1992, et 1302 UTC, le 14 juin La distance horizontale entre les vols 1 et 5 est ~ 1300 km. L échelle de tons de gris en bas représente les changements de la température de la surface de la mer. 67

65 Comparaison entre les couches limites continental et maritime Marine Petite variabilité diurne Continental Grande variabilité diurne 1-2 km (max 3) Peut atteindre 5 km au-dessus des déserts Flux de chaleur latent supérieur au flux de chaleur sensible La rugosité dépend du vent Flux de chaleur latent inférieur au flux de chaleur sensible La rugosité ne dépend pas du vent

66 À venir Traitement statistique de la turbulence dans la couche limite 69