Influence de la végétation

Le comportement de l’écoulement de la CLA au-dessus et à l’intérieur de la forêt dépend de la structure de la végétation, de sa distribution spatiale horizontalement et de sa masse volumique de surface foliaire α. Les terrains forestiers sont souvent caractérisés par la présence de plaines, de zones de végétation de hauteurs variables, de lacs et par une variation de l’altitude associée à l'orographie. L’hétérogénéité de la surface est à l’origine d’une variation de la vitesse du vent et de la création de régions où la turbulence est intense.

1.2.6.1 Écoulement du vent entrant dans la forêt

La description de cet écoulement est illustrée à la figure 1.4. À son entrée dans la forêt, l’air de la CLA rencontre une force de traînée aérodynamique exercée par la couverture végétale qui s’oppose à son écoulement. Une région d’impact (voir figure 1.4, zone 1) se crée en amont du bord de la végétation à cause de la décélération de l'air dans cette zone due au gradient de pression exercé par la couverture forestière.

Dans la forêt, une région d’ajustement se forme (voir figure 1.4, zone 2) : l’écoulement du vent décélère proche de la surface et accélère au-dessus de la végétation. Un point d’inflexion caractéristique du profil de vitesse en forêt se produit (Yang et al., 2006; Dupont et Brunet, 2008b; Ruck et al., 2012). L’intensité de la turbulence diminue dans le couvert forestier en raison de la présence de petites structures turbulentes générées par la végétation. Ces petites échelles de la turbulence augmentent le taux de dissipation.

L’énergie cinétique de la turbulence diminue au sommet de la forêt à cause de l’advection verticale de l'air provenant de l’intérieur de la forêt. L’écoulement du vent est caractérisé par de forts effets de distorsion, qui déclenchent le développement d’une zone de rafales intenses (enhanced gust zone). Cette dernière est observée près du sommet de la forêt (Raupach et al., 1987) et identifiée numériquement (Dupont et Brunet, 2008a; Yang et al., 2006a).

L'écoulement de l'air autour du bord de la forêt contribue aux échanges d’énergie et de masse et il constitue une couche de mélange (Dupont et al., 2008a, 2011, 2012). La longueur de la

région d’ajustement correspond à la distance nécessaire pour obtenir un écoulement complètement développé au-dessus et à l'intérieur de la forêt. Elle dépend de la masse volumique de surface foliaire α de la végétation (Frank et Ruck, 2008).

À l’intérieur de la forêt (voir figure 1.4, zone 3), l’écoulement est complètement développé.

La couche limite atmosphérique cisaillée au sommet de la forêt (voir figure 1.4, zone 4) est caractérisée par la présence de structures cohérentes responsables de l’échange de quantités de mouvement, de masse et de chaleur entre la forêt et l’atmosphère (Raupach et al., 1996).

Au-dessus de la forêt, une région dite de rugosité-changée (voir figure 1.4, zone 5) se crée. Une couche limite interne se développe.

1.2.6.2 Écoulement du vent sortant de la forêt

Le profil de vitesse du vent observé juste à la sortie de la forêt maintient la même forme que celui à l’intérieur de la forêt. Si la longueur de la forêt est suffisamment grande et que cette dernière est homogène horizontalement, ce profil correspondra à celui d'un écoulement

z

Figure 1.4 : Schéma d’un écoulement turbulent entrant dans une forêt homogène et diagramme des régions du flux

h (1) (3) (2) (4) (5)

complètement développé en milieu forestier. Au bord de la couverture forestière, le profil de vitesse présente un point d’inflexion au voisinage du sommet de la forêt (voir figure 1.5).

Dans la zone 1 (voir figure 1.5), la vitesse du vent est faible près de la paroi et augmente légèrement lorsqu'on se déplace verticalement vers le sommet de la forêt. Le profil de vitesse présente un point d’inflexion qui disparaît en aval du couvert forestier. Lee (2000) présente une synthèse bibliographique sur le comportement et la modélisation de l’écoulement de la CLA sortant de la forêt. En aval de la forêt, il est possible d'observer une zone de recirculation sur la plaine. Lee (2000) indique que cette zone de recirculation est souvent détectée sur la plaine lorsque la clairière est petite et que le vent est fort et/ou que l’indice de surface foliaire (LAI) est élevé. Cassiani et al. (2008) montrent que, lorsque l'indice de surface foliaire (LAI) augmente, la vitesse du vent négative près du sol devient très intense, la taille de la zone de recirculation s’accroît et l’écoulement du vent devient semblable à celui observé sur une marche (voir figure 1.6).

Figure 1.5 : Schéma d’un écoulement turbulent sortant d’une forêt homogène

z (3)

h

(1)

Dans la zone 2 (voir figure 1.5), les lignes de courant sont légèrement inclinées. Cette caractéristique de l’écoulement est observée par simulation numérique dans la littérature (Raynor, 1971; Li et al., 1990; Green, 1992; Chen et al., 1995). L’écoulement tend vers un profil de vitesse sur paroi rugueuse, et une couche de mélange instable se produit au voisinage de la transition entre la forêt et la clairière. L’instabilité disparaît graduellement tout en amortissant le cisaillement engendré par la transition entre la forêt et la clairière. Dans la zone 3 de la figure 1.5, le profil de vitesse correspond à celui observé sur la surface rugueuse de la clairière. La distance nécessaire pour retrouver ce profil diminue lorsque la rugosité de la surface de la clairière augmente. En soufflerie et sur une surface lisse, Chen et al. (1995) ont montré qu’une distance de 22 fois la hauteur de la forêt est nécessaire pour retrouver un profil de vitesse où l’influence de la bordure n’est plus ressentie. Des observations de Raynor (1971) en aval d’un champ de conifères montrent que le profil logarithmique est observé à une distance de 5 fois la hauteur de la forêt.

2-5 h

Figure 1.6 : Schéma d’un écoulement turbulent sortant d’une forêt homogène à densité élevée

h z

Profil de vitesse sur une marche