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11.9 : Comment les flux cinématiques déplacent l'air verticalement - Géosciences

11.9 : Comment les flux cinématiques déplacent l'air verticalement - Géosciences


Maintenant que nous savons séparer les parties moyenne et turbulente, nous pouvons examiner le concept de flux cinématique. Généralement, en météorologie, nous nous soucions de variables telles que la masse, la chaleur (c'est-à-dire la température), l'énergie cinétique, l'humidité, la quantité de mouvement. Ceux qui étudient la composition de l'atmosphère s'intéressent également au flux de produits chimiques émis dans l'atmosphère par la surface et au flux de polluants atmosphériques, tels que l'ozone, qui retournent à la surface de la Terre. Pour cette discussion, considérons uniquement les flux directement pertinents pour la météorologie.

Ainsi les unités Sl des flux suivants seraient (mathrm{kg} mathrm{m}^{-2} mathrm{s}^{-1}) pour la masse ((m)) ( mathrm{kg}_{ ext {eau }} mathrm{m}^{-2} mathrm{s}^{-1}) pour l'humidité (left(m_{y} ight) ; left(mathrm{kg}, mathrm{m} mathrm{s}^{-1} ight) mathrm{m}^{-2} mathrm{s}^{-1}= mathrm{kg} ,mathrm{m}^{-1} mathrm{s}^{-2}) pour la quantité de mouvement ((mv),) et (mathrm{J} mathrm{m }^{-2} mathrm{s}^{-1}) pour la chaleur (left(m c_{p} T_{v} ight)) ou (mathrm{W} mathrm{ m}^{-2}) (tout comme le rayonnement).

Nous pouvons les écrire sous la forme cinématique en divisant par la densité de l'air :

  • masse cinématique (mathrm{flux}=left(mathrm{kg}, mathrm{m}^{-2}, mathrm{s}^{-1} ight) /left( mathrm{kg} ,mathrm{m}^{-3} ight)=mathrm{m} mathrm{s}^{-1})
  • humidité cinématique (mathrm{flux}=left(mathrm{kg}_{ ext {eau }} mathrm{m}^{-2} mathrm{s}^{-1} ight) / left(mathrm{kg}_{ ext {air }} mathrm{m}^{-3} ight)=mathrm{kg}_{ ext {eau }} mathrm{kg}_{ ext {air }}^{-1} mathrm{ms}^{-1})
  • moment cinématique (mathrm{flux}=mathrm{kg} mathrm{m}^{-1} mathrm{s}^{-2} /left(mathrm{kg} mathrm{m}^ {-3} ight)=mathrm{m}^{2} mathrm{s}^{-2})

Pour flux de chaleur cinématique, le flux de chaleur est généralement divisé par la densité de l'air multipliée par la chaleur spécifique de l'air pour donner des unités de (left(mathbf{J} mathbf{m}^{-2} mathbf{s}^{-1 } ight) /left(mathbf{k} mathbf{g} mathbf{m}^{-3} mathbf{J} mathbf{k} mathbf{g}^{-1} mathbf {K}^{-1} ight)=mathbf{K} mathbf{m} mathbf{s}^{-1} .) Notez que c'est juste une température multipliée par une vitesse.

Le mot « cinématique » est souvent abandonné et assumé.

Regardons le flux de chaleur cinématique dans la direction verticale. De plus, nous nous intéressons au transport vertical de l'énergie thermique et nous ne voulons donc pas penser à la variation adiabatique de la température due au mouvement vertical, car la température d'une parcelle d'air diminue avec l'altitude même en ascension adiabatique. Nous pouvons y parvenir en utilisant la température potentielle et non la température virtuelle, qui diminue avec la hauteur de manière adiabatique alors que la température potentielle est constante avec la hauteur. θ n'est pas égal T sauf à 1000 hPa, nous devons donc garder cela à l'esprit.

Notez l'expression du flux vertical de la température potentielle, qui est juste égal au vent vertical multiplié par la température potentielle, puis prenez la moyenne de Reynolds de ce flux :

[overline{w heta}=ar{w} ar{ heta}+overline{w^{prime} heta^{prime}}]

Le premier terme à droite est le flux vertical de température potentielle dû au mouvement vertical moyen, mais w ~ 0 en moyenne dans la couche limite, on peut donc généralement déposer le premier terme à droite.

Considérons comment ce flux fonctionne pour déplacer l'énergie thermique. Une condition typique pour la couche limite mixte est une couche superadiabatique près de la surface chauffée (c'est-à-dire, θ diminue avec la hauteur).

Voyons les différents cas.

Cas diurne avec chauffage de surface tel que(partial heta / partial z<0)(comme dans la figure ci-dessus). Les tourbillons peuvent créer des lieux de commerce aérien. Ils déplacent des colis d'air vers le bas,

pour [w^{prime}<0] et [ heta^{prime}<0 : overline{w^{prime} heta^{prime}}>0]

et en même temps remonter un peu,

pour [w^{prime}>0] et [ heta^{prime}>0 : quad overline{w^{prime} heta^{prime}}>0]

Ces deux processus se déroulent simultanément. Si les particules d'air se mélangent à leurs nouvelles hauteurs, elles déplacent l'air plus froid vers le bas (panneau de gauche au-dessus) ou l'air plus chaud vers le haut (panneau de droite au-dessus) et dans les deux cas, elles se réchauffent. Ainsi, lorsque la température potentielle diminue avec la hauteur (c'est-à-dire qu'elle est superadiabatique), les tourbillons turbulents déplacent l'air plus chaud vers le haut et le flux de chaleur est positif.

Cas nocturne avec refroidissement de surface tel que ∂θ/∂z > 0∂θ/∂z > 0 (voir figure ci-dessus). Les tourbillons font que les colis aériens échangent des places verticalement. Ils déplacent des colis d'air vers le bas,

pour [w^{prime}<0] et [ heta^{prime}>0 : overline{w^{prime} heta^{prime}}<0]

et certains plus,

pour [w^{prime}>0] et [ heta^{prime}<0 : quad overline{w^{prime} heta^{prime}}<0]

Ces deux processus se déroulent simultanément. Si les particules d'air se mélangent à leurs nouvelles hauteurs, elles déplacent l'air plus chaud vers le bas (panneau de gauche au-dessus) ou l'air plus froid vers le haut (panneau de droite au-dessus), et dans les deux cas, elles déplacent la chaleur vers le bas. Ainsi, lorsque la température potentielle augmente avec la hauteur (c'est-à-dire qu'elle est subadiabatique), les tourbillons turbulents déplacent l'air plus chaud vers le bas et le flux de chaleur est négatif.

Nous voyons que par les mouvements turbulents, l'énergie thermique a tendance à passer de la température moyenne plus élevée à la température moyenne plus basse, ou pour le dire autrement, le long du gradient de la valeur moyenne.

Ainsi, le flux de chaleur (overline{w^{prime} heta^{prime}}) nous renseigne sur le transport de l'énergie thermique par les tourbillons.

Notez que le transport se fait dans le sens des valeurs les plus élevées vers les valeurs les plus basses pour la température potentielle moyenne. Le flux de chaleur est la manière dont la chaleur sensible est transférée à la troposphère libre dans le bilan énergétique de l'atmosphère. Le flux de chaleur combiné au flux d'humidité crée des conditions pouvant entraîner des orages et des phénomènes météorologiques violents.

Regardez la vidéo suivante (1:49) pour une discussion plus approfondie sur le flux de chaleur de Foucault :

Flux de chaleur de Foucault

Cliquez ici pour la transcription du flux de chaleur Eddy.

Les flux de Foucault sont l'un des concepts les plus importants de la couche limite planétaire car ils sont responsables de la majeure partie du transport vertical de tout ce qui se trouve dans la couche limite planétaire, à la fois ces choses quittant la surface et celles qui reviennent sur Terre. A l'horizontale, les vents moyens effectuent l'essentiel du transport. Mais à la verticale, les tourbillons font la majeure partie du transport. Regardons le transport de la température potentielle, qui est le même que le transport de l'énergie thermique, ou de la chaleur. Considérons d'abord un profil de température potentielle corporelle super tourbillonnaire, c'est-à-dire un profil dans lequel la température potentielle diminue avec la hauteur. Nous obtenons ce genre de profils lors des journées chaudes et ensoleillées. Habituellement, les tourbillons font descendre de l'air et de l'air vers le haut. Une parcelle d'air cyclée est plus chaude que l'air environnant, donc la perturbation de la température potentielle, qui est juste la différence entre la température potentielle de la parcelle moins la température potentielle de l'air environnant, est positive. La perturbation du vent vertical est également positive, puisque la parcelle d'air est remontée. De sorte que le produit de w premier et thêta premier est positif. Le tourbillon déplace également l'air plus froid vers un environnement plus chaud. Ainsi, la perturbation négative du vent vertical apporte une perturbation négative à la température potentielle, et le produit de ces deux perturbations - deux négatifs - est positif. En prenant ces deux parties du tourbillon ensemble, nous voyons que l'air froid a remplacé l'air chaud à la hauteur inférieure, et l'air plus chaud a remplacé l'air plus froid à la plus grande hauteur, et donc le flux de tourbillon est ascendant. Convainquez-vous que les dessins de la figure 11.6 donnent tous un flux de chaleur descendant.


Voir la vidéo: La simulation numérique des flux dair