La couche limite atmosphérique


Description physique (d'après la thèse de Fabienne GRAZZINI- 1999- Etude expérimentale de la dispersion de polluants en présence d'obstacles)

Située entre le sol et l'atmosphère libre, la couche limite atmosphérique est composée de trois couches distinctes d'épaisseur variable, à savoir la sous-couche rugueuse (de quelques millimètres à quelques mètres), la couche de surface (quelques dizaines à la centaine de mètres), et la couche d'Ekman (de l'ordre du kilomètre).

Elle se trouve au voisinage immédiat du sol. C'est une zone de mélange des sillages des obstacles rencontrés par le vent. Les champs de vitesses y est fortement hétérogènes et instationnaires et les froces de frottement y sont prépondérantes.

Son épaisseur varie en fonction de la nature du terrain, de quelques millimètres en mer à quelques dizaines de mètres en zone urbaine. C'est au travers de cette couche que se font les échanges de masse, d'énergie, et d'humidité entre le sol et la couche limite atmosphérique.

Communément appelée CLS et également appelée couche de mélange ou couche de Prandtl, elle est définie comme la région où la température diminue rapidement avec l'altitude pendant la journée, et où les flux de quantité de mouvement, de chaleur sensible et latente sont conservatifs et égaux à ceux du sol.

Elle s'étend de dix à quelques dizaines de mètres et représente environ 10% de la couche limite atmosphérique. La turbulence y est homogène, et la force de Coriolis négligeable devant les forces de frottement dues au sol. Enfin, la direction du vent (composante horizontale de la vitesse) ne varie pas avec la hauteur alors que son intensité est proportionnelle au logarithme de l'altitude.

C'est une couche de mélange où la force de Coriolis devient comparable aux forces de frottemnt au sol. Cela entraine une rotation de la direction du vent avec l'altitude pouvant atteindre 30 à 40°. Celle-ci se fait dans le sens anticyclonique( à droite pour l'hémisphère Nord et à gauche pour l'hémisphère Sud).



Turbulence

On peut définir le nombre adimensionnel de Reynolds pour l'écoulement par:

Dans le cas de la CLA, on a Re=10e9

Ceci est largement suffisant pour dire que l'on est en écoulement turbulent. Cela signifie qu'il y a superposition de tourbillons d'échelles différentes en tailles et période. Ces tourbillons peuvent avoir des tailles allant du millimètre à quelques kilomètres et des périodes allant de la seconde à quelques heures.



Météorologie de montagne

La circulation générale planétaire incluant l'énergie, les moments d'inertie, la chaleur, l'humidité sont influencés significativement par l'orographie (agancement du relief terrestre).

Voici quelques unes de ces caractéristiques :

Outre le fait que la présence d'une montagne ou d'un autre relief modifie de façon notable la direction et la vitesse d'un vent extérieur, il existe deux grands mécanismes qui engendrent des écoulements orographiques:



Quand une masse d'air stratifié est forcée à "passer" une barrière naturelle, cela crée une perturbation qui génère elle-même des ondes de gravité (lee-waves) à l'aval de la montagne. On observe ces ondes au-dessus des reliefs. Celles-ci apparaissent toutefois lors de conditions climatiques particulières, en général, en hiver, par beau temps sec, pour que la stratification thermique soit maximale.

La masse d'air perturbé est soumise à une onde de gravité et se met à osciller avec la fréquence de Brunt-Väisälä, N. La longueur d'onde est proportionnelle à , U étant la vitesse du vent.

Considérons un obstacle de longueur L et de longueur d'onde 2L. Le nombre de Froude est alors défini par :

Les ondes peuvent déferler et créer une zone de turbulence. Les pilotes d'avions connaissent bien c ephénomène et le redoutent car il est imprévisible et la zone de turbulence est importante.

Cette zone peut être assimilée à un objet placé dans l'écoulement. Elle réduit l'espace entre l'écoulement et le relief et accélère donc l'écoulement. Il a été prouvé que ces déferlements apparaissaient pour des nombres de Froude faibles.

Conclusion

Nous avons mis en évidence les phénomènes d'écoulements atmosphériques en présence de relief. Les vents extérieurs qui arrivent sur un relief sont fortement perturbés par le changement de rugosité, qui modifie les caractéristiques de l'écoulement, mais aussi par l'orographie qui influence la direction du vent. S'y ajoutent le phénomène d'ondes de gravité qui accélérent l'écoulement dans le cas de déferlement et création de zones de turbulences.

A ces vents extérieurs s'ajoutent des vents locaux qui apparaissent jouralièrement et sont générés par les gradients de températures , plus forts en présence de relief qu'en plaine.