6.4 Bilan d’énergie cinétique turbulente
6.4.3 Les deux étapes de la transition d’après-midi
Nous avons vu dans les chapitres précédents que l’ECT évoluait en deux phases (R1) : lentement pendant la "early afternoon" EA et de façon plus rapide pendant la "late afternoon" LA. Cette évolution de l’ECT devrait se traduire par un changement de son taux de décroissance et donc par un changement dans les termes du bilan d’ECT. Bien que les figures précédentes tendent à montrer que les termes évoluent de la même façon vers zéro, nous allons voir dans ce paragraphe s’il est possible d’expliquer ces deux phases à travers le bilan d’ECT et si ces deux phases diffèrent en fonction des simulations.
La figure 6.17, qui présente l’ECT et le taux d’évolution de l’ECT calculés toutes les 10 s, montre bien que le cisaillement de vent -et donc la production mécanique d’ECT- maintient, comme attendu, l’ECT pendant l’après-midi, après que la production par flottabilité a commencé à diminuer. Ainsi, l’ECT est largement maintenue au sommet de la CLA dans Sref et U10 et près de la surface dans U5 et U10 lorsque l’on compare
ces simulations.
A partir des coupes hauteur-temps de l’ECT, nous avons établi des coupes hauteur- temps du taux de décroissance de l’ECT. Il est intéressant de noter que les 3 simulations convectives présentent sensiblement les mêmes évolutions du taux de décroissance. Jus- qu’à 10 :00 UTC, le taux de décroissance est fortement positif. Cette période est suivie d’une phase pendant laquelle le taux de décroissance fluctue énormément, passant ra- pidement d’une forte production d’ECT à une forte destruction. Enfin, après 16 :00 UTC, le taux de décroissance est majoritairement négatif. Les fortes fluctuations de de/dt dans cette représentation (Fig. 6.17) sont probablement liées au fait que les 10 s d’intervalle sont très faibles par rapport à l’échelle correspondant à l’échelle spatiale
la CLA comme nous l’avons vu dans la section 6.3.2.
Regardons maintenant plus en détail le phasage de la décroissance de l’ECT selon les simulations. Plusieurs remarques peuvent être faites au vu de la figure 6.18 qui présente le taux de variation de l’ECT pour différentes tranches de la CLA normalisées en hauteur et moyennées sur 30 minutes :
– le taux de décroissance moyen devient négatif à 12 :00 UTC pour les 4 simulations convectives ; c’est à dire lorsque le flux en surface commence à décroître. Par contre le taux de décroissance devient négatif plus tard dans la simulation U10 ce qui
implique que le cisaillement permet de maintenir l’ECT.
– On peut distinguer des différences du taux de décroissance selon que les couches sont le lieu de production mécanique ou pas. Ces différences sont ténues dans les simulations convectives mais bien plus visibles dans la simulation dynamique. En effet, dans la simulation U10, la production mécanique près de la surface étant
plus forte qu’au sommet de la CLA, le taux de décroissance de l’ECT est plus fort (en valeur absolue) au sommet que près de la surface.
Ces deux points ne font que confirmer que la production mécanique retarde la dé- croissance de l’ECT durant la transition d’après-midi. Le déroulement de haut en bas de la décroissance de l’énergie déjà subtile dans l’étude de Darbieu et al. (2014), l’est encore ici (R2) : il n’est pas ou presque pas observé dans les simulations U0 et U5, il est
plus clair dans Sref malgré le cisaillement en altitude, et il est par contre net dans U10
en raison de la turbulence maintenue dans la partie basse de la couche.
Considérons maintenant les deux phases de la décroissance de l’ECT. Selon les résultats des sections précédentes nous devrions observer un taux de décroissance plus faible durant la première phase de la TA que pendant la seconde phase. On constate qu’il y a effectivement deux pentes de variations du taux de décroissance de l’ECT (figure 6.18). Les changements de pente interviennent plus ou moins tôt et de façon plus ou moins progressive suivant les simulations mais restent difficiles à relier à l’intensité de la production mécanique. Ces changements de taux de décroissance qui semblent très faibles d’une simulation à l’autre sont pourtant à l’origine des fortes différences de l’ECT mises en évidence sur la figure 6.15.
Nous avons essayé de relier les changements de pente du taux de décroissance de l’ECT à des variations dans les termes du bilan. Le but était de comprendre quels termes pouvaient être responsables du passage de la "early" à la "late afternoon". Mal- heureusement, nous n’avons pas su montrer cela car chacun des termes du bilan d’ECT a un ordre de grandeur 100 fois plus grand que le taux de variation de l’ECT. Ainsi, une variation infénitésimale d’un terme difficile à mettre en évidence peut faire basculer le taux de décroissance. Aussi, nous pensions que les termes du bilan, d’une certaine ma- nière associés à des processus différents, pouvaient être associés à des caractéristiques spectrales différentes. Mais ce n’est pas ce qui ressort de cette analyse : il faut bien distinguer les termes sources et puits de l’ECT (qui concernent le bilan) d’une part et la répartition de cette ECT en fonction des échelles (caractéristiques spectrales) d’autre part.
Le caractère quasi-stationnaire de la première phase semble confirmé par cette ana- lyse du bilan de l’ECT (R1). En appui supplémentaire de ce résultat, l’ECT normalisée par la flottabilité (non montré) révèle une contribution relative des termes du bilan très stationnaire jusqu’à la seconde phase de la TA, à partir de laquelle la normalisation atteint ses limites. Il serait cependant intéressant de tester différentes normalisations,
notamment celle qui est proposée par van Driel et Jonker (2011) qui propose de ré- pondre à une instationnarité du flux (une oscillation périodique en l’occurrence), en prenant en compte le temps que l’information met pour aller de la surface au sommet de la CM, qui est d’autant plus court que l’ECT est grande.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
(g) (h)
Figure 6.17 – ECT et de/dt pour les 4 simulations : (a) et (b) Sref , (c) et (d) U0, (e) et (f) U5, (g) et (h) U10.
Sref U0
(a) (b)
U5 U10
(c) (d)
Figure 6.18 – Taux de decroissance de l’ECT pour Sref (a), U0 (b), U5 (c) et U10 (d), dans 5 tranches d’altitude normalisée données.