Master_Thesis_Bastien_Lombeau

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Master_Thesis_Bastien_Lombeau

  1. 1. Université Catholique de Louvain École de géographie __________________________________________________________________________ L'influence du relief belge sur la mise en place du jet nocturne de basse couche __________________________________________________________________________ Bastien Lombeau Mémoire présenté et soutenu publiquement le 24 juin 2015 en vue de l'obtention du diplôme de Master en sciences géographiques, orientation climatologie, à finalité approfondie Promoteur(s) Pr. Michel Crucifix Lecteur(s) Pr. Fabian Debal, Pr. Éric Lambin Année académique 2014-2015
  2. 2. « La passion, c'est vouloir se dépasser toujours plus ; La passion, c'est vouloir ne jamais cesser d'apprendre ; La passion, c'est avoir toujours plus d'inspiration ; La passion, c'est apprendre de ses erreurs sans être arrêté par les obstacles qui se dressent devant vous. Elle renforce au contraire votre envie de vous battre et de faire mieux. Elle ne fait que se renforcer ; La passion, c'est aussi aimer la transmettre et la faire découvrir à tout un chacun ; Un passionné vous dira finalement que sa passion, c'est en partie sa vie. Elle vous anime, vous rend plus fort. Elle est là pour vous redonner le moral. Elle ne vous laisse jamais baisser les bras ; La météorologie est ma passion ... » Bastien Lombeau
  3. 3. Remerciements : On m'a souvent rappelé que j'avais la chance de pouvoir faire des études, que ce droit n'était acquis de tous à travers le monde et que, malgré les difficultés auxquelles je pouvais être confrontées à un moment ou à un autre, je ne devais pas l'oublier. L'aboutissement de mon cycle universitaire qui se solde par la réalisation de ce projet de mémoire est donc le moment venu pour remercier mes parents. Merci de m'avoir soutenu de quelque manière que ce soit depuis mon enfance. Merci de m'avoir donné l'opportunité de me former. Merci de m'avoir permis de progresser un peu plus vers un de mes principaux projets de vie : faire de ma passion, la météorologie, mon métier. Il me tient ensuite à cœur de remercier très sincèrement et très chaleureusement mon promoteur, le Pr. Michel Crucifix. En effet, celui-ci fut un maillon important sans lequel ce projet n'aurait sans doute pu aboutir. Je lui présente toute ma gratitude pour avoir accepté de me suivre dans cette formidable expérience. Comme je l'ai souvent dit, réaliser un mémoire qui me passionne était important pour moi. Dès lors, merci pour la confiance que vous m'avez accordée, merci pour les précieux conseils qui m'ont permis de recadrer ma recherche. Tout simplement merci de m'avoir permis de m'intéresser à un sujet d'étude qui me tenait particulièrement à cœur. Les personnes à qui j'adresse également ma gratitude sont les météorologues de l'Institut Royal Météorologique de Belgique. Avant tout, merci au Pr. Fabian Debal, chef du service des prévisions, pour avoir accepté une collaboration sans laquelle je n'aurais pu avoir accès à un grand nombre de données. Merci également pour le temps que vous avez accordé à mon projet. Je tiens également à remercier l'ensemble de l'équipe de prévisionnistes dont Jean-Marc Linden qui n'a pas hésité à m'accorder un très long moment, tard en soirée, afin de me faire bénéficier de cartes météorologiques au contenu très pertinent. Merci également à Monsieur Henk Klein Baltink, de l'Institut Royal Météorologique des Pays-Bas, pour m'avoir accordé l'accès et l'utilisation des données du mât météorologique de Cabauw (Pays-Bas). Un dernier merci à mes camarades géographes et à mon amie Maï qui m'a été d'une grande aide lors de mes premiers pas avec le langage de programmation « R ». Notre motivation mutuelle et nos moments de détente nous ont permis de progresser dans de bonnes conditions. Bon vent !
  4. 4. Mots-clés : micrométéorologie, orographie, couche limite atmosphérique, turbulence, jet nocturne de basse couche, oscillation inertielle, oscillation d'inertie-gravité. Table des abréviations : CLA : Couche Limite Atmosphérique CLN : Couche Limite Nocturne (stable) CM : Couche Mélangée (convective) CR : Couche Résiduelle CS : Couche de Surface JBC : Jet de Basse Couche JNBC : Jet Nocturne de Basse Couche OI : Oscillation d'Inertie OIG : Oscillation d'Inertie-Gravité
  5. 5. Table des matières Chapitre 1 : Introduction......................................................................................................................1 Chapitre 2 : Revue de la littérature.......................................................................................................5 2.1 La couche limite atmosphérique (CLA)....................................................................................5 2.1.1 Généralités et théorie sur la turbulence..............................................................................5 2.1.2.1 La couche de surface................................................................................................11 2.1.2.2 La couche mélangée convective...............................................................................11 2.1.2.3 La couche résiduelle.................................................................................................13 2.1.2.4 La couche limite nocturne ou couche limite stable..................................................13 2.2 Le jet nocturne de basse couche (JNBC).................................................................................14 2.2.1 Le JNBC aux Pays-Bas et aux États-Unis .......................................................................19 2.2.1.1 Les Pays-Bas............................................................................................................19 2.2.1.2 Les États-Unis .........................................................................................................23 Chapitre 3 : Outils et méthodologie....................................................................................................27 3.1 Caractéristiques topographiques de la zone d'étude................................................................27 3.2 Outils d'analyse........................................................................................................................29 3.3 Méthodologie...........................................................................................................................31 Chapitre 4 : Mise en équation du jet nocturne de basse couche et paramétrisation de la turbulence.33 4.1 Solutions numériques du jet nocturne de basse couche « standard »......................................33 4.2 Solutions numériques du jet nocturne de basse couche avec forçage orographique...............35 4.3 Paramétrisation de la turbulence : différentes approches possibles.........................................41 4.3.1 Le problème de fermeture de la turbulence : l'approximation de premier ordre..............42 4.3.1.1 Application de la K-theory au profil vertical du vent : le modèle d'Ekman ...........44 4.3.2 Le profil logarithmique du vent au sein de la couche de surface : détermination de la vitesse de friction......................................................................................................................45 4.3.3 La longueur d'Obukhov....................................................................................................46 4.3.4 La longueur de rugosité aérodynamique..........................................................................48 Chapitre 5 : Résultats .........................................................................................................................49 5.1 Contexte météorologique global..............................................................................................50 5.2 Les propriétés thermiques de la masse d'air.............................................................................53 5.3 Paramétrisation de la turbulence le jour et la nuit...................................................................59 5.4 Le jet nocturne de basse couche..............................................................................................62 5.4.1 L'oscillation inertielle (sans forçage orographique).........................................................62 5.4.2 L'oscillation d'inertie-gravité considérant une pente α = 0,25.........................................65 5.4.2.1 Le concept de l'oscillation d'inertie-gravité : la polarisation elliptique ...................70
  6. 6. 5.4.2.2 Liens entretenus entre l'oscillation d'inertie-gravité et les caractéristiques thermodynamiques de la masse d'air....................................................................................75 5.4.3 Comparaison avec les simulations produites par le modèle ECMWF-16km..................82 5.4.3.1 Décélération soudaine en aval du relief : la théorie hydrodynamique.....................87 Chapitre 6 : Discussion et réflexions..................................................................................................91 Chapitre 7 : Conclusions....................................................................................................................99 Lexique.............................................................................................................................................103 Bibliographie....................................................................................................................................109 Table des figures...............................................................................................................................113 Annexes............................................................................................................................................117 Biographie........................................................................................................................................122
  7. 7. Chapitre 1 : Introduction __________________________________________________________________________ Ce travail en fin de parcours académique s'inscrit dans une réelle volonté d'éclairer le lecteur sur la pertinence scientifique de mener des études météorologiques à des échelles spatiales régionales. Il vise aussi à susciter la curiosité de tout un chacun quant à la diversité météorologique qu'offre le territoire belge et son environnement direct. Plus particulièrement, l'auteur de ce mémoire a souhaité s'intéresser à la vraisemblance d'un impact du relief belge, aussi modéré soit-il, sur d'autres phénomènes que ceux déjà plus largement connus par les météorologues en Belgique. En effet, si comme renseigné par l'Institut Royal Météorologique de Belgique (IRM, 2015) la moyenne pluviométrique nationale maximale est enregistrée sur les plateaux belges les plus élevés et ce, principalement par effet orographique, des recherches ultérieures plus approfondies pourraient éclairer le prévisionniste quant à l'influence des hauts massifs belges sur d'autres phénomènes locaux impactant notamment le vent ou la température. Toutefois, la multitude des champs d'études possibles face à un tel questionnement a nécessité de faire des choix et de restreindre la diversité des voies de réflexion offerte à une problématique particulière. Cette prise de conscience permettra d'étoffer les perspectives en termes de recherche sur les phénomènes orographiques en Belgique. C'est pourquoi l'auteur ne manquera pas d'offrir une réflexion à ce sujet à la fin de ce travail. Dès lors, la première approche relativement succincte que constitue ce travail de fin d'études pourrait donc s'inscrire dans la continuité de travaux menés à l'avenir sur la thématique des phénomènes orographiques propres au territoire belge impactant la météorologie locale du pays. En regard des objectifs fixés dans le premier paragraphe, ce travail de recherche s'intéressera exclusivement à l'influence du relief belge sur le développement du jet nocturne de basse couche (JNBC) en fin de journée. Le JNBC est un phénomène bien connu. Si il est observé dans de nombreuses régions mondiales (Baas et al., 2008), il a été largement documenté dans bon nombre d'études scientifiques et particulièrement au niveau des Grandes Plaines étasuniennes, mais aussi, par exemple, en Europe aux Pays-Bas (Davies, 2000; Baas et al., 2008, Shapiro et Fedorovich, 2009; Baas et al., 2010 Van De Wiel et al., 2010). Il est assimilé aux JBCs associés à une oscillation inertielle et prenant place à proximité d'une inversion thermique au-dessus du niveau du sol. Il tend donc à se développer uniquement en fin de journée, une fois que la turbulence diurne n'est plus
  8. 8. suffisante pour entretenir un mélange turbulent vertical efficace des basses couches de l'atmosphère. De plus, l'existence d'un territoire incliné d'une pente moyenne de 0,25° entre les sommets de l'Ardenne et les bas plateaux de la Moyenne Belgique conduit à s'intéresser également à l'existence d'un gradient horizontal de température caractérisant la masse d'air surplombant le territoire belge et pouvant donc faire office de forçage orographique sur le JNBC initialisé par la cessation de la turbulence diurne. C'est pourquoi, dans le cadre de ce travail de recherche, deux théories principales seront exploitées. Elles permettront dans un premier temps d'expliciter deux cas d'études validés dans de précédents travaux de recherche menés aux Pays-Bas et aux États-Unis et ce, afin de faciliter la compréhension du lecteur sur le phénomène du JNBC avant d'aborder les résultats et la discussion propres aux travaux menés dans le cadre de ce travail de fin d'études. D'une part, la théorie de Blackadar postule le fait que le JNBC est une réponse des basses couches de l'atmosphère à une libération soudaine de la turbulence diurne thermique et mécanique après le coucher du soleil (Blackadar, 1957; Verghese et al., 2003; Baas et al., 2008; Banta, 2008; Baas et al., 2010; Shapiro et Fedorovich, 2010). En effet, au coucher du soleil, lorsque la turbulence diminue fortement, les basses couches atmosphériques tendent à se refroidir – par contact avec le sol – et à s'isoler des couches sus-jacentes moins tributaires du refroidissement nocturne. Ce découplement perturbe l'équilibre des forces régissant les flux horizontaux de quantité de mouvement en journée et mène à une accélération de la composante horizontale du vent la nuit suivante. La force de Coriolis tend alors à faire osciller la norme de la vitesse du vent autour de la valeur du vent géostrophique* afin de résorber le déséquilibre induit par le différentiel de turbulence entre le jour et la nuit. Dans ce cas, il s'agit d'une oscillation inertielle. D'autre part, la théorie de Holton propose de considérer un effet complémentaire à la théorie initiale. En effet, un territoire présentant une certaine pente peut favoriser une inclinaison des isentropes* selon l'angle moyen de la pente menant alors à un gradient horizontal de température potentielle pour une même altitude donnée (Jiang et al., 2006; Baas et al., 2008; Shapiro et Fedorovich, 2009). Autrement dit, le profil horizontal de la masse d'air ne sera pas à l'équilibre d'un point de vue thermodynamique ce qui peut contribuer à une accélération du flux et par conséquent, à l'élaboration d'un JNBC. Dans ce cas, il s'agit d'une oscillation d'inertie-gravité, initialisée par la libération de la turbulence en fin de journée (composante inertielle) et renforcée par le gradient horizontal de flottabilité (composante de gravité) au cours de la nuit suivante. Les enjeux d'une telle étude sont nombreux. Effectivement, les applications de la thématique du JNBC sont diverses puisque différents secteurs dépendent exclusivement ou en partie de la
  9. 9. présence d'un tel phénomène météorologique. Premièrement, le JNBC peut être considéré comme un vecteur d'advection horizontale de différentes grandeurs physiques qui intéressent le domaine de la météorologie (Stensrud 1996). Notamment, aux altitudes où il se développe, il peut favoriser le transport local de masses d'air aux propriétés différentes en termes de température et d'humidité. Or, ces paramètres sont primordiaux dans la prévision de certains phénomènes tels que la formation des nuages bas. Ensuite, le JNBC est aussi synonyme de cisaillement du vent en vitesse et en direction ; c'est-à-dire qu'il favorise les variations de vitesse et de direction du vent selon le profil vertical à de basses altitudes au-dessus du sol. C'est donc un phénomène qui facilite la turbulence dans les basses couches impactant dès lors directement le secteur de l'aviation (Van De Wiel et al., 2010). Par ailleurs, cette thématique peut aussi intéresser le secteur de production des énergies vertes puisque la productivité des champs éoliens dépend directement de leur localisation spatiale et de l'intensité du vent. Enfin, de meilleures connaissances sur la formation du JNBC en Belgique pourraient permettre de mieux anticiper l'advection des polluants anthropiques sous formes de particules fines relâchées dans la basse troposphère (Verghese et al., 2003). En effet, les événements de pollution atmosphérique sont favorisés par l'existence de conditions atmosphériques stables et plus précisément par l'existence d'une inversion thermique à basse altitude. Or, comme mentionné précédemment, ce sont également des conditions favorables au développement du JNBC. Celui-ci pourrait alors contribuer à l'advection des polluants depuis les régions émettrices à relativement longue distance. Il semble dès lors primordial de pouvoir assurer une prévision satisfaisante des jets de basse couche suscités par oscillation inertielle et possiblement accentués par un forçage orographique. Dès lors, dans un contexte où abondent les travaux scientifiques mettant en exergue l'existence d'un JNBC dans des pays voisins de la Belgique ou dans des régions présentant des similarités topographiques avec le territoire belge, est-il possible de mettre en évidence une influence du relief ardennais sur la mise en place du jet nocturne de basse couche en Belgique ? Pour répondre à cette question, plusieurs réflexions ont été mûries et ont abouti à la formulation de diverses propositions qui seront à confirmer, à nuancer, à compléter ou à infirmer en regard des résultats proposés au cours de ce travail. Premièrement, il est vraisemblable qu'un phénomène de JNB par oscillation inertielle puisse prendre place au niveau de la Belgique puisque des inversions thermiques y sont régulièrement observées par temps calme sur les sondages atmosphériques réalisés à la station de Beauvechain. Ensuite, il est tout à fait possible qu'un gradient horizontal de température potentielle existe au-delà de cette inversion entre « l'air libre » sus-jacent de la couche limite atmosphérique et le niveau du sol en Ardenne. Par ailleurs, supposant que sous certaines conditions, le relief ardennais fait office de barrière naturelle pour l'élaboration d'un JNBC, il est
  10. 10. probable que celui-ci se développe plus ou moins parallèlement à l'axe moyen du relief, soit selon un axe orienté sud-ouest – nord-est. Le présent travail est réparti en 7 chapitres. Le second chapitre est dédié à une revue de la littérature afin de permettre au lecteur de mieux appréhender les deux théories principales de jet nocturne de basse couche exploitées dans le cadre de cette recherche. Le troisième chapitre propose une présentation des outils et des méthodes mis à profit afin d'optimiser l'obtention de résultats probants. Le quatrième chapitre propose, succinctement, une approche mathématique et conceptuelle utilisée pour coder la simulation numérique du JNBC, soit en ne considérant que la composante inertielle, soit en considérant le forçage orographique. Les chapitres 5 et 6 s'intéressent respectivement aux résultats obtenus et à leur discussion Celle-ci propose notamment une réflexion quant à l'intérêt et aux perspectives à témoigner aux phénomènes météorologiques orographiques en Belgique. Enfin le chapitre 7 consiste en une brève conclusion.

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