IBTS-77-RP-1000
Découpage de la CLA
La surface exerce divers forçages qui sont fonction de ses propres caractéristiques et qui agissent sur la structure verticale de la CLA. Si l’on observe cette structure, il est possible d’affiner sa description en la découpant conceptuellement en deux principales couches. Du bas vers le haut, on peut distinguer :
d’une part, la couche limite de surface (CLS) : elle correspond à la couche d’air qui est en contact direct avec la surface et qui entretient avec elle des échanges énergétiques et massiques. Son épaisseur peut varier de quelques mètres à quelques dizaines de mètres au-dessus de la surface (Brunet et al., 1995). Ces échanges se produisant donc entre le sol, la végétation et cette couche d’air sont habituellement régis par une grandeur appelée « flux » qui représente la quantité de la variable considérée (température, par exemple) par unité de temps et par unité de surface selon une direction donnée. Le flux peut également être exprimé sous forme d’un produit d’une variable d’état par une vitesse ( flux = c.ui) où c=ui ,θ,q … ui= (u1,u2,u3) est la vitesse du vent. θ et q1 représentent la température potentielle et l’humidité spécifique (respectivement). Sous certaines hypothèses que nous détaillerons plus loin, on montre que dans cette couche les flux sont considérés conservatifs, c’est à dire qu’ils ne varient pas selon la verticale. Pratiquement, on montre que leur variation est de moins de 10 % par rapport à leur amplitude dans la CLS (Kotroni, 1993).
d’autre part, la couche de transition (ou couche externe) : la structure verticale de cette couche varie au cours de la journée en fonction du régime convectif. Ainsi, elle est convective en conditions diurnes où les gradients thermiques verticaux sont négatifs. Par ailleurs, en conditions nocturnes, elle peut être subdivisée en deux sous-couches : une couche dite stable (en contact de la couche de surface) du fait des gradients thermiques positifs et une autre dite résiduelle qui n’est autre que le résidu de la couche convective diurne .
Modélisation des écoulements dans la couche limite atmosphérique
Intérêt de l’étude de la CLA
Plusieurs investigations scientifiques motivées par différentes raisons ont été consacrées à l’analyse des interactions énergétiques et massiques au sein de la CLA. On peut citer deux principales raisons :
La première vient du fait que cette portion de l’atmosphère est un domaine où l’homme exerce diverses activités telles que l’industrie, l’agriculture, etc…qui sont susceptibles de modifier sa structure (par installation de brise vent, par exemple) et sa composition (émission de polluants). L’étude de ces activités et l’évaluation de leurs impacts sur la nature au sens large est devenue actuellement une préoccupation importante intéressant tant décideurs et scientifiques.
La seconde raison est liée à l’intérêt croissant qu’on porte à la prévision du climat à court et à long terme. Cette prévision nécessite la connaissance des différents mécanismes physico-chimiques se produisant au sein de la CLA ainsi que des interactions entre les différentes sources/puits (air, végétation, sol, etc.) qui la constituent. La qualité de cette prévision est d’autant meilleure que ces mécanismes sont bien identifiés et modélisés.
Les équations de conservation
Trois principaux types d’échanges mettant en jeu les variables d’état de la CLA peuvent être rencontrés dans la CLA, à savoir:
les échanges de quantités de mouvement, les échanges de chaleur, les échanges de masse (eau, CO2, polluants, etc.)
Ces trois types d’échange correspondent à des phénomènes physiques qui relèvent de la physique de l’atmosphère. Ils varient dans l’espace et dans le temps et correspondent à des phénomènes de transport d’énergie dus à l’évolution de grandeurs vectorielles (vent) et de grandeurs scalaires (température, par exemple). Habituellement, ils sont décrits par des équations différentielles au second ordre non linéaires exprimant la conservation de l’énergie, dites « équations de conservation ou de transport ». Signalons toutefois que ces équations sont le plus souvent appliquées dans un domaine maillé où chaque maille est définie par sa taille horizontale Δxy et verticale Δz et par ses propres variables d’état.
Modélisation des échanges dans la CLS
Equations de conservation
Comme nous l’avons montré précédemment, les équations de conservation de l’écoulement dans la CLA sont également applicables jusqu’au sommet et même dans la végétation à condition d’introduire des termes source/puits. Ceci suppose donc leur validité dans la CLS.
Cependant, grâce aux propriétés de cette couche, il est possible d’admettre quelques hypothèses qui vont permettre de simplifier l’écriture de ces équations :
La surface sous-jacente est homogène. Ceci suppose l’absence de variabilité selon l’horizontale : les dérivées par rapport à 1 x et 2 x sont nulles.
L’écoulement est stationnaire et par conséquent les phénomènes mis en jeu par chaque terme de ces équations ne varient pas dans le temps : les dérivées par rapport au temps s’annulent. On néglige la diffusion moléculaire par rapport à la turbulence. Les changements de phase dans l’atmosphère sont non significatifs. Les forces de Coriolis dues à la rotation de la terre sont négligeables du fait qu’on s’intéresse à une partie de l’atmosphère située plus près de la surface que de l’atmosphère libre. La direction de la vitesse du vent est confondue avec l’axe (ox).
Problème de continuité et raccordement à la surface
Les profils logarithmique et pseudo-logarithmique ne sont valables que pour deux niveaux dans l’atmosphère suffisamment loins du couvert. Au voisinage immédiat de la surface, ces équations s’avèrent non applicables compte tenu de la non validité de certaines hypothèses de la CLS ; par exemple, la non homogénéité de la surface et de la non stationnarité de l’écoulement (Cellier et Brunet, 1992 in Olioso, 1992), mais aussi de la traînée sur la végétation qui engendre une non conservation de la quantité de mouvement (Tuzet et al., 1995). Ces difficultés ont conduit à subdiviser la CLS en deux sous-couches [(Garratt, 1980 ; Raupach et al., 1980 et Cellier et Brunet, 1992) in Olioso, 1992] : une sous-couche supérieure (sous couche inertielle ou dynamique) où l’on peut appliquer les équations précédentes et par la même occasion la théorie de Monin Obukhov et une couche inférieure (sous-couche rugueuse ou de transition) s’étendant jusqu’à l’intérieur du couvert où l’on utilise également des relations de types flux-gradient, mais en introduisant différentes corrections reliées aux caractéristiques du couvert. Pour une revue plus détaillée sur ces relations que l’on peut utiliser pour exprimer les profils à proximité et dans le couvert, le lecteur peut se référer à Troufleau (1996) et Olioso (1992).
Le modèle Méso-NH (Méso-échelle Non Hydrostatique)
Ce modèle est né d’une collaboration entre le Centre National des Recherches Météorologiques (CNRM) et le Laboratoire d’Aérologie (LA) à Toulouse. Il est le fruit de nombreuses années de travail et d’améliorations apportées par diverses compétences (doctorants, chercheurs et ingénieurs). Contrairement à son nom qui indique une application à méso-échelle et non hydrostatique, ce modèle est également applicable à petite échelle et pour des écoulements hydrostatiques. Il permet également de simuler des domaines emboîtés ayant différentes tailles de mailles. Le principal intérêt de cette option est d’effectuer des zooms sur une zone donnée située dans un domaine plus large simulé par de grandes mailles afin d’analyser finement un phénomène particulier. Le nombre important d’équations et les phénomènes physiques (convection, turbulence, pluies, nuages, relief, rayonnement, etc.) couplés font de ce modèle un outil très complexe, demandant un équipement informatique adapté. Pratiquement, il tourne sur une plate forme Unix avec une forte capacité de mémoire. Le codage a été effectué en langage Fortran 90.
Les améliorations apportées au fil des années via le test de diverses paramétrisations, que ce soit dans le compartiment atmosphérique que dans le compartiment de surface, ont augmenté la crédibilité de ce modèle qui est devenu actuellement un outil potentiel pour l’analyse de divers phénomènes se produisant dans la CLA à différentes échelles d’espace et de temps.
Plusieurs travaux concernant les composantes de la partie atmosphérique de ce modèle sont cités sur le site Internet qui lui est dédié: la mise en place d’un schéma de convection pour des applications à l’échelle régionale et globale (Bechtold et al., 2001), l’introduction de schémas de turbulence pour des simulations à méso-échelle et pour d’autres dites LES (Large Eddy Simulation6) (Cuxart, 2000), l’analyse du module calculant le rayonnement en prenant en compte l’effet des nuages (Morcrette, 1991), etc. En ce qui concerne son schéma de surface, il s’agit du modèle ISBA qui a été analysé et validé à plusieurs reprises sur différents types de sol et végétation (Noilhan et Planton, 1989 ; Noilhan et Mahfouf, 1996 ; Jacquemin et Noilhan, 1990;Giordani et al., 1996 in Noilhan et Mahfouf, 1996 ; Germain, 1990 in Noilhan et Mahfouf, 1996, entre autres).
Le modèle RAMS (Regional Atmospheric Modeling System)
Ce modèle a été développé à l’université du Colorado (Colorado State University) aux Etats Unis. Il est le résultat de l’unification de deux modèles (Tremback et Walko, 2001). Le premier est un modèle de micro-échelle prenant en compte les nuages (Tripoli et Cotton, 1982 in Tremback et Walko, 2001). Le second est un modèle simulant les interactions entre la surface terrestre et l’atmosphère à méso-échelle (Mahrer et Pielke, 1977 in Tremback et Walko, 2001). La première version de RAMS est apparue en 1986.
RAMS permet de modéliser une gamme d’échelles spatiales assez large allant de quelques kilomètres jusqu’à un hémisphère complet. Comme Méso-NH, il permet également de simuler des domaines emboîtés. Ce modèle permet de prendre en compte des phénomènes assez complexes tels la formation des nuages, la condensation, la pluie, la turbulence, etc. et de tenir compte du relief. De fait ce modèle est très complexe, lourd d’utilisation et nécessite un équipement informatique adapté. Il est codé en Fortran 90 à l’exception de certaines parties codées en C.
RAMS est utilisé dans plusieurs pays dans le monde. En France, il est utilisé par l’équipe de Guy Cautenet au Laboratoire de Météorologie Physique (LaMP) où différentes versions ont été développées pour diverses applications liées aux écoulements atmosphériques [par exemple la redistribution des polluants émis par les feux de végétation (Poulet, 2000).
RAMS a fait l’objet de nombreuses publications scientifiques traitant de diverses problématiques liées à la CLA : effet de l’hétérogénéité de la surface sur les flux à méso-échelle (Chen et Avissar, 1994), sensibilité de la paramétrisation des nuages et des pluies au forçage par la surface (Liu et Avissar, 1996), analyse de l’effet du relief sur la convection dans la CLA (Gopalakrishnan et al., 2000), analyser l’impact de l’introduction des cultures sur la température de l’air et le régime des pluies à l’échelle de la région du Colorado (Stohlgren et al., 1998), envisager des scénarii de cas extrêmes de modifications de surface (Bourg, 2001), effectuer une analyse de la vitesse du vent, de sa direction au voisinage de la surface, mais aussi de l’épaisseur de la couche de mélange en comparant avec d’autres modèles (Hanna et al., 2001), etc.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre I : ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I. DEFINITION ET SPECIFICITE DU SYSTEME ETUDIE
I.1. Système étudié et variables d’état
I.2. Découpage de la CLA
I.3. Comportement de quelques variables d’état et phénomènes caractéristiques de la CLA
II. MODELISATION DES ECOULEMENTS DANS LA COUCHE LIMITE ATMOSPHERIQUE
II.1. Intérêt de l’étude de la CLA
II.2. Les équations de conservation
II.2.1. Prise en compte de la turbulence
II.2.2. Conservation de la quantité de mouvement
II.2.3. Conservation de la masse (équation de continuité)
II.2.4. Conservation de la chaleur
II.2.5. Conservation de l’humidité
II.3. Equation d’état
II.4. Fermeture de la turbulence
II.4.1. Les modèles à concept de viscosité turbulente
II.4.2. Les modèles d’ordre supérieur
II.5. Modélisation des échanges convectifs au voisinage de la surface : raccordement avec la végétation
II.5.1. Terme source/puits de quantité de mouvement (terme T7 )
II.5.2. Terme source/puits de chaleur (terme T7 )
II.5.3. Terme source/puits d’humidité (terme T7 )
II.5.4. Terme source/puits du modèle E − ε
III. MODELISATION DES ECHANGES DANS LA CLS
III.1. Equations de conservation
III.2. Problème de continuité et raccordement à la surface
III.3. Le bilan d’énergie
III.3.1. Approche monocouche
III.3.2. Approche multicouches
III.4. Le transfert radiatif
III.4.1. Le rayonnement solaire incident
III.4.2. Le rayonnement thermique
III.4.3. Les interactions rayonnement incident-matière
III.4.4. Les interactions rayonnement-surface
III.4.5. Propriétés optiques des feuilles
III.5. Modélisation du bilan radiatif
III.5.1. Cas d’un sol nu
III.5.2. Prise en compte de la végétation
III.5.3. Approches monocouche et multicouches
IV. REVUE DE QUELQUES MODELES DE CLA 3D
IV.1. Le modèle Méso-NH (Méso-échelle Non Hydrostatique)
IV.1.1. Le schéma atmosphérique
IV.1.2. Le schéma de surface
IV.2. Le modèle RAMS (Regional Atmospheric Modeling System)
IV.2.1. Le schéma atmosphérique
IV.2.2. Le schéma de surface
IV.3. Le modèle ENVImet (ENVIronmental meteorology)
IV.3.1. Le schéma atmosphérique
IV.3.2. Le schéma de surface
IV.4. Synthèse
IV.5. Conclusion
V. CONCLUSION ET PRESENTATION DU TRAVAIL
Chapitre II : PRÉSENTATION DÉTAILLÉE DU MODÈLE ENVIMET
I. INTRODUCTION
II. LE MODELE ATMOSPHERIQUE
I.1. Conservation de la quantité de mouvement et de la masse
I.2. Conservation de la chaleur et de l’humidité
I.3. Fermeture de la turbulence
I.4. Flux radiatifs incidents
I.4.1. Le rayonnement solaire
I.4.2. Le rayonnement atmosphérique
II. LE MODELE VEGETATION
II.1. Flux convectifs
II.1.1. Flux de température
II.1.2. Flux d’humidité
II.1.3. Interactions feuilles/air environnant
II.1.4. Flux de chaleur sensible et de chaleur latente
II.2. Bilan d’énergie et bilan radiatif de la couche
II.2.1. Quelques hypothèses simplificatrices
II.2.2. Flux incidents montant et descendant
II.2.3. Caractérisation de l’atténuation
III. LE MODELE DE SURFACE DU SOL
III.1. Flux convectifs
III.1.1. Cas 1 : 5,5 Ri 3,0 − ≤ g ≤ (convection mixte)
III.1.2. Cas 2 : Ri 3 g > (forte stabilité)
III.1.3. Cas 3 : Ri 5,5 g < − (convection libre)
III.1.4. Flux de chaleur sensible et de chaleur latente
III.1.5. Bilan d’énergie et bilan radiatif de la surface du sol
IV. LE MODELE SOL
IV.1. Conservation de la chaleur et de l’humidité
V. CONDITIONS INITIALES ET AUX LIMITES
V.1. Conditions initiales
V.1.1. Initialisation du modèle 1D
V.1.2. Equilibrage du modèle 1D
V.1.3. Initialisation du modèle de CLA 3D
V.2. Conditions aux limites
V.2.1. Cas du modèle de CLA 1D
V.2.2. Cas du modèle de CLA 3D
V.2.3. Cas du modèle sol
V.3. Aspects numériques
V.4. Variables calculées et pas de calcul
V.5. Organigramme général simplifié d’ENVImet
VI. CONCLUSION
Chapitre III : OUTILS D’ANALYSE ET DONNÉES EXPÉRIMENTALES
I. INTRODUCTION
II. LES OUTILS D’ANALYSE
II.1. Le modèle SAIL
II.1.1. Les principales hypothèses
II.1.2. Les équations de base
II.1.3. Les données d’entrée
II.1.4. Les données de sortie
II.2. Le modèle LAP
II.2.1. Les principales hypothèses
II.2.2. Les données d’entrée
II.2.3. Les données de sortie
II.3. Le modèle Méso-NH
II.3.1. Les données d’entrée
II.3.2. Les données de sortie
III. LES DONNEES EXPERIMENTALES
III.1. La campagne soja 90
III.1.1. Les variables de structure du couvert
III.1.2. L’humidité du sol
III.1.3. Rayonnement et température de brillance
III.1.4. Les flux H, LE et G
III.1.5. Les variables climatiques
III.2. Quelques remarques sur les mesures
III.3. Les mesures de radiosondage de Nîmes
IV. CONCLUSION
Chapitre IV : ANALYSE DE SENSIBILITÉ ET CONDITIONS D’UTILISATION DU MODÈLE
I. INTRODUCTION : OBJECTIF
II. METHODOLOGIE
II.1. Analyse de sensibilité aux conditions initiales
II.2. Analyse de sensibilité aux paramètres d’entrée : profils de LAD et de RAD
II.3. Définition des conditions d’utilisation du modèle
II.3.1. Choix de la taille de la maille horizontale
II.3.2. Choix du point d’analyse dans le domaine
III. RESULTATS ET DISCUSSION
III.1. L’humidité initiale dans le sol
III.2. La vitesse initiale du vent ( u10m )
III.3. La température potentielle initiale de l’air à 2500 m (θ 2500m )
III.4. La température initiale de la surface du sol
III.5. Les profils de densité foliaire (LAD) et de densité racinaire (RAD)
III.6. Définition des conditions d’utilisation du modèle 1
III.6.1. Choix de la taille de la maille horizontale
III.6.2. Choix du point d’analyse dans le domaine
IV. LIMITES ET PERSPECTIVES
V. CONCLUSION
Chapitre V : CONDITIONS INITIALES ET CONDITIONS AUX LIMITES
I. INTRODUCTION
II. CONDITIONS INITIALES
II.1. Température et d’humidité de l’air
II.1.1. Mise en œuvre
II.1.2. Résultats et discussion
II.2. Température dans le sol
II.2.1. Mise en œuvre
II.2.2. Résultats et discussion
III. CONDITIONS AUX LIMITES
III.1. Bref rappel
III.2. Solution alternative
III.3. Résultats obtenus
IV. CONCLUSION
Chapitre VI : LE TRANSFERT RADIATIF
I. INTRODUCTION
II. ANALYSE DES RAYONNEMENTS INCIDENTS (GLOBAL ET ATMOSPHERIQUE)
II.1. Le rayonnement global, Rg
II.2. Le rayonnement atmosphérique, Ra
II.2.1. Constat : mauvaise estimation de Ra
II.2.2. Effet de l’initialisation de la température
II.2.3. Forçage par les valeurs mesurées
II.2.4. Les principaux résultats du forçage par Ra
II.3. Conclusion
III. ANALYSE DE LA TRANSMISSION DU RAYONNEMENT DANS LE COUVERT
III.1. Transmission du rayonnement solaire direct (courtes longueurs d’onde)
III.1.1. Méthodologie
III.1.2. Résultats
III.2. Transmission du rayonnement ascendant et descendant (grandes longueurs d’onde)
III.3. Résultats : impact sur le rayonnement net
IV. COMPARAISON AVEC DES MODELES DE TRANSFERT RADIATIF
IV.1. Comparaison avec SAIL et LAP : analyse des interactions des rayonnements solaire et atmosphérique avec le couvert
IV.1.1. Plan d’expérience et tests
IV.1.2. Résultats et discussion
IV.1.3. Conclusion
IV.2. Modifications d’ENVImet : démarche et spécificités
IV.2.1. Interactions rayonnement solaire-couvert
IV.2.2. Interactions rayonnement atmosphérique-couvert
IV.3. Comparaison avec LAP : analyse de l’émission dans le couvert
IV.3.1. Modélisation et spécificité au sein d’ENVImet
IV.3.2. Etape de comparaison : plan d’expérience et tests
IV.3.3. Résultats et discussion
IV.4. Comparaison avec les mesures
IV.4.1. Le rayonnement net
IV.4.2. Les flux convectifs, H et LE
IV.4.3. Le flux conductif, G
IV.4.4. La température de l’air au-dessus du couvert
V. CONCLUSION
Chapitre VII : LA TURBULENCE DANS LA CLA
I. INTRODUCTION
II. APPLICATION DU MODELE E − ε AU CAS DE LA CLA
II.1. Constat : le modèle E − ε standard est problématique
II.2. Solution retenue dans ENVImet
II.3. Effet sur les profils de l’ECT
III. COMPARAISON AVEC MESO-NH
III.1. Conditions de comparaison
III.2. Résultats et discussion
III.2.1. Les profils verticaux
III.2.2. Les flux et les températures (surface du sol et air) journalières
III.3. Conclusion
III.4. Prise en compte de la flottabilité dans le modèle 1D
III.4.1. Bref rappel
III.4.2. Mise en œuvre
III.4.3. Résultats et discussion
IV. ANALYSE DES JOURS DE VALIDATION DE LA BASE SOJA 90
V. CONCLUSION
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
Références bibliographiques
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