E5 Turbulence et couche limite atmosphérique

Topique

La couche limite atmosphérique est la couche la plus basse de la troposphère, directement influencée par la surface terrestre. Son épaisseur varie entre cent et deux mille mètres selon l'heure. Le jour, le réchauffement de la surface génère une convection thermique qui brasse vigoureusement l'ensemble de la couche limite atmosphérique, de la surface vers le bas. La nuit, en revanche, le refroidissement radiatif de la surface crée une couche nocturne stable où la turbulence est atténuée. Ainsi, la couche limite atmosphérique alterne quotidiennement entre un état turbulent et brassé pendant la journée et un état stable et calme pendant la nuit. Cette alternance quotidienne se répète à chaque nouveau cycle de réchauffement et de refroidissement de la surface.

La turbulence qui domine la couche limite atmosphérique pendant la journée ne se limite pas au brassage de l'air : elle transporte également la quantité de mouvement, la chaleur sensible et la chaleur latente de la surface vers l'atmosphère, acheminant vers le haut la quantité de mouvement, la chaleur et l'humidité que la surface apporte à la couche limite atmosphérique.

Pour décrire la turbulence dans la partie inférieure de la couche limite atmosphérique, soit entre dix et cinquante mètres au plus près du sol, la théorie de similitude de Monin-Obukhov constitue le cadre théorique de référence. Cette théorie définit la longueur d'Obukhov, une échelle de hauteur à partir de laquelle la production de turbulence due aux effets mécaniques du vent et celle due aux effets thermiques du réchauffement ou du refroidissement de la surface deviennent comparables. La comparaison de la hauteur de mesure avec cette longueur d'Obukhov permet de classifier l'état de la couche : un résultat négatif indique une couche instable, dominée par la convection thermique ; un résultat positif indique une couche stable, avec une turbulence atténuée, comme c'est le cas la nuit.

En utilisant cette même comparaison entre la hauteur et la longueur d'Obukhov, les profils de vent et de température au sein de cette couche de surface suivent des fonctions de similitude qui dépendent de cette comparaison. Ces fonctions modifient le profil logarithmique que présenteraient le vent et la température si la couche était dans un état neutre, c'est-à-dire ni instable ni stable. Dans les modèles numériques, la turbulence se produisant à une échelle inférieure à la résolution du modèle doit être représentée. À cette fin, on utilise des paramétrisations de la turbulence non résolue. Les schémas les plus simples, du premier ordre, décrivent l'écoulement turbulent comme proportionnel au gradient de la quantité transportée, multiplié par une diffusivité turbulente qui résume, en un seul nombre, l'effet total de la turbulence non résolue. Les schémas d'ordre supérieur, quant à eux, résolvent explicitement une équation qui prédit l'évolution de l'énergie cinétique turbulente et utilisent cette énergie pour calculer l'écoulement turbulent avec une précision supérieure à celle permise par un simple schéma du premier ordre.

Deux grandeurs résument mieux que toute autre l'état de la couche limite atmosphérique à un instant donné : la vitesse de frottement, qui mesure l'intensité du brassage de la surface par le vent, et le flux de chaleur turbulent sortant de la surface, qui mesure la quantité de chaleur que la surface transmet à la couche limite atmosphérique à cet instant. Ces deux quantités sont les paramètres fondamentaux qui contrôlent la structure de la couche limite atmosphérique : elles alimentent à la fois la théorie de similitude de Monin-Obukhov et les paramétrisations de la turbulence non résolue, et constituent, en substance, la version résumée et mesurable de tout le chauffage diurne, le refroidissement nocturne et la turbulence décrits dès le départ.

ID:1588