Caractérisation des thermiques de couche limite

De nombreuses études se sont attachées à étudier les structures de la couche limite à partir de vols avion. Mais pour mesurer les caractéristiques de ces structures, il convient dans un premier temps de les définir précisément. Différents critères ont été proposés, qui reposent sur des définitions différentes des thermiques. Certains les définissent à partir de la flottabilité, quand d’autres les considèrent comme des panaches convectifs. Nous citons ici quelques exemples d’études menées à partir de différents critères, et les caractéristiques des thermiques qui en ressortent.

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CHAPITRE 3. LA COUCHE LIMITE ATMOSPHÉRIQUE CONVECTIVE ET SA PARAMÉTRISATION DANS LES GCMS : LE MODÈLE DU THERMIQUE NUAGEUX Critère enθv

Si on considère un thermique comme un ensemble de particules à flottabilité positive, on peut le définir à partir de l’excès de flottabilité des particules et d’une valeur seuil. En effet, dans la couche limite, les structures présentent un excès fort en θv jusqu’à leur niveau de flottabilité neutre. C’est ce

que font Williams et Hacker (1992) pour mesurer les caractéristiques des structures cohérentes de la couche limite en-dessous de l’inversion. Ils détectent un thermique lorsque la fluctuation de température potentielle virtuelle est supérieure à la moitié de l’écart type enθv des structures ayant une température

potentielle virtuelle supérieure à la valeur moyenne. Pour éliminer les tourbillons petite-échelle ainsi sélectionnés, une longueur caractéristique minimum de 30 m est également prise en compte. Williams et Hacker (1992) utilisent une analyse en composite afin de déduire les caractéristiques d’un évenement chaud moyen à partir de tous les évenements chauds détectés, en ramenant tous les segments observés à un segment de longueur unité par homothétie. Les résultats obtenus à différents niveaux de la couche mélangée pour la température potentielle, le flux de chaleur, l’humidité spécifique et la vitesse verticale sont présentés fig. 3.15. Ces grandeurs sont normalisées par les grandeurs caractéristiques de la couche mélangée, et les valeurs moyennes ainsi que l’écart type autour de ces moyennes sont présentés. On constate que l’excès de température potentielle virtuelle est associé à une vitesse verticale positive forte. L’écart-type de la vitesse verticale est du même ordre de grandeur que la valeur moyenne du vent, à la fois dans et autour du thermique, ce qui suggère que la turbulence petite échelle contribue fortement à la variance de w. L’excès en température potentielle diminue de la surface vers le milieu de la couche

mélangée. Le thermique semble aussi se caractériser par un excès d’humidité spécifique, même si la dispersion est grande. Quant au transport de chaleur, il s’effectue essentiellement par les thermiques (écart-type négligeable par rapport à la moyenne).

L’analyse composite permet également de reconstruire des coupes horizontales de l’écoulement associé à une structure cohérente typique. La fig. 3.16 montre les champs de vitesse horizontale (flèches) et verticale (contours) obtenus dans la couche de surface (à gauche) et dans la couche mélangée (à droite). Dans la couche de surface, on observe une convergence d’air vers l’intérieur du thermique. Dans la couche mélangée, les structures sont beaucoup plus grandes, la convergence de vent diminue pour laisser place à une forte vitesse verticale.

Cependant, au-dessus du milieu de la couche limite environ, l’utilisation du critère en θv n’est plus

valable, car la flottabilité des particules devient faible puis négative. Critère enw

Pour détecter aussi les thermiques dans leur partie supérieure, une autre méthode consiste à les consi- dérer comme des panaches ascendants et à se baser sur la valeur de la vitesse verticale. Pour supprimer les tourbillons les plus petits, une longueur caractéristique minimum doit aussi être considérée. Avec une valeur seuil de 0 pour la vitesse et une longueur caractéristique minimum de 40 m, Young (1988) déduit à partir de vols avion au-dessus du Colorado les caractéristiques des thermiques suivantes :

- La fraction couverte par les thermiques sur son domaine d’étude est maximum et proche de 0.5 en surface et au-dessus de l’inversion, et est minimum vers le milieu de la couche limite où elle atteint 0.43 (cf fig. 3.17).

- La largeur des thermiques apparait être d’une échelle comparable à la hauteur de la couche limite. - L’excès de flottabilité dans les thermiques est de l’ordre deθ∗ à0.1z_i, décroit linéairement jusqu’à 0

vers0.65zi, atteint -0.3θ∗ juste en dessous dez_i avant de s’annuler à nouveau au-dessus dez_i.

- La vitesse verticale dans les thermiques augmente de 0 en surface à environ 0.56w∗ à 0.33zi, puis

diminue jusqu’à 0.25w∗ en z_i avant de s’annuler au dessus. La vitesse verticale maximale observée est

plus faible que la vitesse qu’atteindrait une particule s’élevant librement par flottabilité. Cela suggère que l’effet combiné du frottement par mélange latéral entre les thermiques et leur environnement et par les forces de pression est de réduire le taux d’accélération dans la partie inférieure de la couche limite. - La contribution “top-hat” des thermiques (ajoutée à celle de la petite échelle) à la variance deθv est de

FIG. 3.15 – Analyse en composites d’évenements chauds mesurés par vols avion en été en Australie

dans la partie basse de couches limites convectives non nuageuses : température potentielle, flux de chaleur, humidité spécifique et vitesse verticale normalisés à différents niveaux de la moitié inférieure de la couche mélangée ML3 (0.10 < z/zi < 0.15), ML4 (0.15 < z/zi < 0.2), ML5 (0.2 < z/zi < 0.3),

ML6 (0.3 < z/zi < 0.5), ML7 (0.5 < z/zi < 0.6). Les courbes pleines correspondent aux valeurs

moyennes des grandeurs et les pointillés aux écart-types associés (issu de Williams et Hacker, 1992).

FIG. 3.16 – Coupe horizontale d’un évènement chaud composite (les contours correspondent aux vitesses verticales normalisées par w∗

et les flèches au champ de vent) : dans la couche de surface (à gauche) et au milieu de la couche mélangée (à droite) (issu de Williams et Hacker, 1992).

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CHAPITRE 3. LA COUCHE LIMITE ATMOSPHÉRIQUE CONVECTIVE ET SA PARAMÉTRISATION DANS LES GCMS : LE MODÈLE DU THERMIQUE NUAGEUX

FIG. 3.17 – Fraction de l’aire couverte par les thermiques en fonction de l’altitude normalisée par la hauteur de la couche limite (issu de Young, 1988).

20% (90%), à la variance dew est de 60% (90%), et à la covariance de w et θv est de 60% (95%). Cela

illustre l’importance des structures petite-échelle dans le calcul des moments d’ordre 2 de ces variables. On comprend que les caractéristiques des thermiques dépendent de la façon dont on les sélectionne. Par exemple, des études basées sur des critères plus sélectifs ont relaté des valeurs de fraction couverte plus faibles, mais toutes confirment que cette fraction est inférieure à 0.5 sur toute la hauteur de la couche limite, avec des valeurs maximale proches de 0.5 en surface et vers la couche d’inversion, et une valeur minimale vers le milieu de la couche limite comprise entre 0.36 et 0.43. Williams et Hacker (1992), en utilisant un critère enθv, suggèrent cependant que la majorité du transport est assuré par des structures

couvrant une fraction surfacique inférieure à 0.2. Critère muti-variables

Quel critère est le plus pertinent pour détecter les thermiques de couche limite ? Crum et al. (1987) ont tenté de répondre à cette question en exploitant parallèlement des observations lidar et avion en Oklahoma. Pour eux, la signature en humidité des thermiques est beaucoup plus nette que celle en tem- pérature ou celle en énergie cinétique turbulente. Cela n’est malheureusement pas toujours exploitable car, comme on l’a déjà vu précédemment, dans la couche limite, l’eau varie de façon plus “indépen- dante” que la température potentielle. Des études suggèrent donc de détecter les thermiques à partir de conditions sur plusieurs variables. En se basant sur des mesures avion réalisées à différents niveaux dans la couche limite sous les nuages pendant l’expérience BOMEX, Grossman (1984) montre qu’il est plus judicieux de caractériser les structures en utilisant à la fois les variablesw et rt. Cela lui permet de dis-

tinguer quatre zones : les ascendances d’air humide (coeur de la cellule), les subsidences d’air sec, mais aussi les acendances d’air sec qu’il associe au phénomène d’entraînement d’air dans la cellule ascen- dante, et les subsidences d’air humide qu’il associe au phénomène de détraînement d’air de la cellule dans l’environnement. Grossman et Gamage (1995) étendent cette analyse à l’étude des flux d’humidité dans une couche limite continentale en définissant une analyse conditionnelle multi-variables (θv,rt et

w) et des seuils de 0.

de se faire une image des processus impliqués dans la physique de la couche limite et des nuages. Il s’agit maintenant de représenter ces processus physiques dans les modèles de climat. En même temps que les connaissances sur les structures de la couche limite, les paramétrisations de la couche limite dans les modèles de climat ont évolué.