Les sodars utilisés sur les deux sites sont identiques. En cela, la comparaison des données acquises sera le reflet du comportement météorologique propre au type du milieu de mesure : urbain et rural. Nous présentons ici quelques mesures sodars acquises pendant ECLAP, ainsi que les problèmes liés à l’étalonnage de l’instrument. Les caractéristiques techniques des instruments sont reportées en annexe (p.182).
2.8.1 Principe de la mesure sodar
Le principe de base du sodar est d’émettre une impulsion sonore dans l’atmosphère et d’analy-ser l’écho obtenu en retour, après réflection par les structures thermodynamiques. Les fluctuations
22 CHAPITRE 2. LA CAMPAGNE ECLAP du son recues sont dues aux fluctuations de température et de vitesse. Le sodar Doppler va aussi permettre la mesure du vent, le long de la ligne de visée, par mesure des différences de fréquence entre l’impulsion émise et celle recue (Weill et al.(76)). On obtient alors des profils d’écho et de vent en fonction de l’altitude. L’emploi de cet instrument s’avère cependant délicat lorsque le bruit de fond est assez important et perturbe les mesures (comme, par exemple en ville). Beyrich (92) rappelle que le signal rétrodiffusé par le sodar, , corrigé de l’atténuation
, est proportionnel aux paramêtres de structure de la température
+ (K m , ' ) et du vent (K m , ' ) tel que : 3 %. + (2.1) avec T, la température,
le coefficient d’atténuation, et la distance entre l’antenne du sodar et la cible atteinte. La quantité
+ caractérise l’intensité des inhomogénéités de petites échelles dans le champ de température, et
et
sont des constantes de proportionnalité. Lorsque l’émetteur et le récepteur sont confondus, ce qui est notre cas, seules les fluctuations de température contribuent à la rétrodiffusion (Neff (88)), et on a alors la relation directe :
-
+ (2.2)
avec- une constante propre au système.
2.8.2 Restitution de la constante d’étalonnage K
10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 Heure Decimale (T.U)
0 2e+05 4e+05 6e+05 8e+05 1e+06 K (Ct2) M13 Jussieu M13 Palaiseau M14 Jussieu M14 Palaiseau
FIG. 2.12 – Calcul de l’étalonnage du sodar en fonction du temps (période convective) par la relation de Enger (90)
L’écho mesuré par le sodar est lié au
+ par la constante d’ étalonnage K . Sans la connais-sance de cette constante, les analyses concernant l’écho ne peuvent être que qualitatives. La connaissance de cette constante permet de connaitre quantitativement le
+ , et donc de calculer précisemment les flux de chaleur sensible par le biais de paramétrisations (Weill et al (80), Keder (89), Enger (90), Melas (90)). La plupart des méthodes permettant le calcul de K s’appuient sur la connaissance de l’altitude de l’inversion (assimilée à en période convective), et sont applicables en période de convection libre (les termes de production dynamique sont négligés). Dans le cas des journées ECLAP, l’altitude de l’inversion est souvent au dessus de la mesure sodar effective. Nos calculs ont donc été effectués avec des résultats issus des mesures lidar. Enger (90)
rappelle la relation liant le flux de flottabilité surfacique au
+ (proposée à l’origine par Wyngaard (71)) : + ! 0 1 , ' , ' , ' (2.3)
Enger (90) modifie cett relation pour y inclure la contribution du mesuré par le sodar. Il pose
"8
. On note cependant que ce rapport n’est pas a priori constant. Stull (88) relève
"
, ainsi qu’une une relation plus complète et dépendante de l’altitude de calcul et de la hauteur de l’inversion (Stull (88), Melas (90)), telle que :
" , ' (2.4) On peut donc réecrire, selon Enger (90), et en gardant sa relation simplifiée
" : + % , ' (2.5) Utilisant et pour en déduire
+ , et connaissant de plus , la relation 2.2, on peut retrouver K , figure 2.12. On note, cependant, que la relation de Enger (90) (utilisant la mesure de ), entraine une incertitude sur le calcul de
+ de l’ordre de celle sur . Nous avons cependant pré-féré cette relation à l’équation 2.3 qui nécessitait des mesures précises de flux de chaleur sensible
!
que le sodar ne fournit pas. Les calculs sont effectués pour M13 et M14 à Jussieu et Palai-seau. Pour l’altitude 0,1 0,7 , nous conservons une valeur moyenne de K . La figure 2.12 montre l’évolution temporelle de cette ’constante’ d’ étalonnage en période convective. La valeur déduite est loin d’être une constante et varie d’un facteur 2 très rapidement. Ce résultat peu utilisable est représentatif des incertitudes de mesures cumulées sur et . Le manque de précision sur ce résultat n’est d’ailleurs par propre à nos données, et Neff et Coulter (86), Melas (90) notent que de nombreuses autres études arrivent aussi à cette conclusion. De plus, dans notre cas, nous sommes rarement en convection libre : dans la suite de ce travail, nous n’utiliserons donc
que d’un point de vue qualitatif (restitution de ).
2.8.3 Champ de vent sodar le 22 Février 1995
Pour illustrer les mesures de vent que nous avons utilisé pour nos analyses, et pour rester dans la période présentée pour les données lidar, nous présentons figures 2.13 et 2.14, des coupes chro-nologiques de vecteurs vent. L’abscisse représente l’heure (TU), l’ordonnée l’altitude par rapport à l’instrument en mètres et les vecteurs la direction d’où vient le vent et son module. Durant le 22 Février, et sur les deux sites, on note un changement de direction du vent de Nord-Ouest à Sud-Ouest, entre 0 et 24 h, et plus particulièrement autour de 10 h. Ce changement de direction apparait sur les deux sites, mais les modules de vent sont différents : 7:
.
2.8.4 Exemple de série chronologique d’écho : le 22 Février 95
Les données sodar sont moyennées pour délivrer des données sur une hauteur maximale de 700 m (depuis l’instrument) avec une résolution verticale de 50 m, et cela toutes les 20 mn. Fonc-tionnant 24 h sur 24, nous pouvons voir, figure 2.15, deux exemples de séries chronologiques de profils d’écho. On note avant 10h que le maximum d’écho apparait à une altitude supérieure à Jussieu qu’à Palaiseau : la CLA est déjà plus instable à Jussieu et reste très stable à Palaiseau. A
24 CHAPITRE 2. LA CAMPAGNE ECLAP
FIG. 2.13 – Champ de vent sodar pour le 22 Février 95 à Jussieu.
FIG. 2.14 – Champ de vent sodar pour le 22 Février 95 à Palaiseau.
partir de 10 h, et sur les deux sites, le pic d’écho disparait : cette forte transition est caractérisée par une forte diminution de l’écho. La portée réduite ne peut dans ce cas expliquer le phénomène. En fin de journée, la couche stable semble se reformer plus rapidement à Palaiseau, où l’on observe des pics marqués dès 20 h à 200 m. Complémentaire du lidar, par ses mesures nocturnes, le sodar permet de suivre l’évolution de la couche nocturne stable : généralement d’altitude inférieure à sa portée.
2.8.5 Exemple de série chronologique de : le 22 Février 95
Suivant le même principe que pour l’écho, la figure 2.16 présente deux séries chronologiques de profils de , ici sous forme d’iso-surfaces grisées. L’échelle (identique pour les deux sites) va de =0 (blanc) à =1,5 m
s
(noir). On peut voir que pour cette journée du 22 Fevrier, les données ont une portée réduite (500 m et 600 m au maximum pour Jussieu et Palaiseau, res-pectivement). On note la plus faible turbulence en matinée à Jussieu qu’à Palaiseau, dans les 400 premiers mètres. On note une forte activité turbulente verticale à partir de 8h, ce qui révèle une croissance marquée de la couche mélangée à partir de cet horaire.
Jussieu
Palaiseau
FIG. 2.15 – Série chronologique d’écho pour le 22 Février 95
Jussieu
Palaiseau
FIG. 2.16 – Série chronologique de pour le 22 Février 95