Mesure du vent : vitesse et direction

Le vent représente le mouvement de l’air et se déplace dans un plan horizontal et aussi verticalement, mais à une vitesse bien inférieure au déplacement horizontal. L’écoulement de l’air dans la CLA est généralement turbulent ce qui entraîne une très grande variabilité des grandeurs mesurées. En effet, vitesse et direction varient conti-nuellement dans le temps et dans l’espace.

1.6.2.1 A100R : anémomètre à coupelles

Fabriqué par Vector Instruments et adapté aux applications relatives aux mesures des paramètres de l’écoulement atmosphérique, il est constitué de 3 coupelles sphériques en plastique attachées aux extrémités de 3 bras radiaux horizontaux disposés à 120 ° et montées sur un axe vertical équipé d’un dispositif de comptage de tours. Le triangle ainsi constitué tourne autour d’un axe vertical monté sur des roulements à bille supportés par

un moyeu. La vitesse de rotation de l’anémomètre est proportionnelle à la vitesse du vent. En effet, la vitesse du vent est mesurée par la formule suivante : V = r×ω avec V : vitesse (en m.s−1_{), r : rayon moyen des bras (en m),}ω :ω= 2πN vitesse de rotation

(en rad/s) et N : régime de rotation (en tour.s−1_{). L’anémomètre est fabriqué dans un} alliage d’aluminium anodisé, d’acier inoxydable et de plastique le rendant résistant aux intempéries et utilisable en continu. Ce type d’anémomètre a une vitesse de démarrage de 0, 2 m.s−1_{. Il est situé à 2 m du sol, hauteur conforme aux recommandations de} Fritschen and Gay (1979) qui situent la hauteur minimale des anémomètres à 5 fois la longueur de rugosité z₀que nous estimons entre 0,3 et 0,5 m sur le site.

1.6.2.2 Windsonic 2D : anémomètre sonique 2D

Fabriqué par Gill Instruments, ce capteur mesure la direction et le module de la vitesse horizontale du vent en employant une technologie basée sur la durée de trans-mission des ondes ultrasoniques entre deux couples de transducteurs qui sont alternati-vement émetteurs et récepteurs d’un train d’onde ultrasonore. Les temps de transit aller et retour sont mesurés et, par différence, la vitesse du vent le long de l’axe formé par les deux transducteurs est déduite. Cette technique est éprouvée pour la mesure de vent ou de flux d’air dans les domaines et secteurs de la météorologie, de l’environnement et de l’aéroportuaire par exemple. Les mesures effectuées sont fournies sur une sortie série RS232. Il résiste aux corrosions extérieures terrestres ou marines et ne nécessite pratiquement pas de maintenance ou d’étalonnage. L’intérêt de ce type d’anémomètre est de ne pas avoir de pièces en mouvement et de pouvoir mesurer un vent turbulent. Afin que la mesure de ce vent de surface ne soit pas perturbée par la présence d’obstacles ou par la rugosité du terrain, nous avons suivi les recommandations de l’OMM en plaçant le windsonic (en terrain dégagé) à 10 mètres au-dessus du sol, c’est la hauteur de référence pour la mesure du vent synoptique. Lors du montage une attention particulière a été portée à l’alignement correct de la flèche située sous le capteur avec le Nord.

1.6.2.3 CSAT3 : anémomètre ultrasonique 3D

L’anémomètre ultrasonique tridimensionnel CSAT3 (Campbell Scientific Ltd.) est l’appareil le plus indiqué pour l’étude et la mesure de la turbulence atmosphérique de l’air dans la couche limite de surface. Il est idéal pour des applications en micro météorologie et en modélisation des flux turbulents car les mesures s’effectuent à des fréquences relativement élevées. Il existe plusieurs appareils permettant de mesurer la vitesse dans un écoulement, plus ou moins sophistiqués, plus ou moins fiables. L’objet de ce travail n’étant pas d’en faire une énumération complète, nous nous concentrerons sur celui utilisé dans nos mesures : l’anémomètre sonique. L’anémomètre est un système de mesure fréquemment employé pour mesurer les fluctuations du vent, mais aussi de la température. Souvent utilisé pour la surveillance de l’échauffement global et de la pollution atmosphérique, il sert également à récupérer des informations sur la turbulence de l’air. L’anémomètre mesure la vitesse du vent sur un chemin vertical de 10 cm. Il opère en mode d’impulsion acoustique : émetteurs et récepteurs d’ultrasons permettent après un traitement simple de connaître les composantes de la vitesse avec une précision de l’ordre du mm.s−1_{. La fréquence d’échantillonnage vaut approximativement 20 Hz,} et permet dans la plupart des cas d’accéder aux échelles du domaine inertiel.

1.6.2.3.1 Description Il est constitué de trois paires de transducteurs de 0,64 cm de diamètre orientés à 60 ° par rapport à l’horizontale. Les mesures sont effectuées sur un espace vertical de 10 cm et horizontal de 5,8 cm. La tête d’anémomètre est reliée à un boîtier électronique de 26 cm x 16 cm x 9 cm et de 3,8 kg. Le CSAT3 peut être connecté sur le port SDM de la centrale de mesure CR3000, les mesures sont acquises avec une fréquence d’échantillonnage allant de 1 à 60 Hz. L’échelle maximale de mesure pour les composantes de vitesse du vent u, v et w sont respectivement de 32, 768 m.s−1_, 65, 535 m.s−1 _{et 8, 192 m.s}−1_{. Les composantes u et v ont une résolution de 1 mm.s}−1_, celle de w est de 0, 5 mm.s−1_{. Concernant la célérité du son c, elle a une résolution de} 15 mm.s−1_{(soit 0, 025 °C).}

1.6.2.3.2 Installation Il est nécessaire d’orienter cet instrument au vent dominant afin de minimiser le nombre de données polluées à cause du bras de montage de l’anémo-mètre ainsi que des autres structures de supports. Étant orienté face au vent, c’est-à-dire dans la partie négative de l’axe x, il va rapporter une valeur de u positive. Nous avons décidé de le placer entre les anémomètres sonique 2D et à coupelles soit à une hauteur de 5,5 m. Notons que l’appareil a quelques points faibles qui peuvent découler d’une éventuelle modification de la composition de l’air. Ainsi, le fonctionnement de l’appareil peut être gêné dans certaines conditions d’utilisation (pluie).

1.6.2.3.3 Grandeurs mesurées Le CSAT3 mesure la vitesse du vent et la vitesse du son le long de trois axes. Les vitesses de vent sont ensuite exprimées sous la forme de trois composantes orthogonales u, v et w. Elles sont mesurées dans un repère tridimen-sionnel non orthonormé, puis converties en des vitesses liées aux axes orthogonaux de l’anémomètre via une matrice de passage de dimension 3x3.

1.6.2.3.4 Principe de mesure Il utilise trois paires de transducteurs (a, b et c) orien-tées de manière non-orthogonale par rapport à la composante horizontale du vent. Les impulsions ultrasoniques de courtes durées sont échangées sur trois directions diffé-rentes grâce à des sondes acoustiques qui peuvent être émettrices ou réceptrices. Chaque paire de transducteurs transmet et reçoit un signal ultrasonique. Les trains d’onde sonore émis, vont dans un sens puis dans l’autre le long de l’axe joignant chacune des trois paires de transducteurs. Le temps de transmission entre les paires de transducteurs est directement relié à la vitesse du vent le long de l’axe des transducteurs. La mesure du temps de propagation du train d’impulsions aller (t_a) et retour (t_r) permet de déterminer les composantes u, v et w du vecteur de la vitesse du vent ainsi que la célérité du son c (Kaimal and Finnigan (1994)) :

ta= ^d

c + u_a^{,tr =} d c− ua

avec u_ala composante de la vitesse du vent suivant l’axe de la paire de transducteurs a, d la distance séparant deux transducteurs en vis-à-vis et c la célérité du son dans l’air au repos. Comme l’air est le support des ultrasons émis par l’appareil, la composante de la vitesse du vent dans la direction des armatures des sondes s’ajoute ou se retranche selon les sens des mouvements de l’ultrason et du vent à la vitesse de l’ultrason. La vitesse u_ale long de la paire de transducteurs a s’écrit :

u_a= (^d 2⁾⁽