Les profileurs de vent UHF: des instruments pour l’étude de la couche limite atmosphérique 

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La couche limite atmosphérique dans le courant de brise de mer

La troposphère, couche inférieure de l’atmosphère d’une dizaine de kilomètres d’épaisseur comprise entre la surface terrestre et la tropopause, est généralement divisée en deux parties (Stull, 1988) : (i) la couche limite atmosphérique (CLA) directement au contact de la surface terrestre et qui répond aux forçages de cette surface sur des échelles de temps de moins d’une heure ; (ii) l’atmosphère libre située au dessus de la CLA soumise à des forçages d’échelles synoptiques.
La CLA a pour particularité d’être au centre des transferts de chaleur, de quantité de mou-vement, de vapeur d’eau et de polluants entre la surface terrestre et l’atmosphère libre. Ces échanges sont réalisés essentiellement par des processus de transport et de diffusion turbulents, qui brassent et mélangent l’air contenu dans la CLA. L’origine de ces mouvements turbulents peut être dynamique (effets des cisaillements de vent) et thermique (effets convectifs associés aux forces de flottabilité). Différents types de CLA se développent suivant le cycle diurne et annuel du rayonnement solaire, les propriétés de la surface et les conditions météorologiques synoptiques. Ce travail s’intéresse essentiellement à la CLA qui se développe dans les zones côtières en période de brise de mer. Cette partie décrit donc par la suite l’état des connaissances sur ce sujet.

Description

Le courant de brise de mer transporte de l’air marin stable thermiquement sur une surface terrestre rugueuse et chaude. Cet air, une fois franchi la côte, est donc soumis à une instabilité dynamique et thermique. Les mouvements turbulents qui se développent alors à l’intérieur du courant de brise de mer, mélange l’air pour former une couche limite atmosphérique (cf. Figure 1.1). Elle est souvent qualifiée de couche limite interne dans la littérature, en raison de son développement à partir de la côte, donc suite à une modification des propriétés de la surface terrestre.
Elle est assimilée généralement à une couche limite mélangée, de température potentielle homogène possèdant à son sommet une inversion thermique. L’épaisseur de la CLA et les mou-vements turbulents sont donc les deux paramètres qui la caractérisent.

L’épaisseur de la CLA

L’épaisseur de la CLA (Zi) croît à partir de la côte pour atteindre une hauteur d’équilibre plus loin dans les terres, équivalente à l’épaisseur de la couche limite continentale (Raynor et al., 1979). L’épaisseur de la CLA est très faible à la côte car l’air marin advecté sur le continent est stable thermiquement. Cependant, une couche limite marine peut se développer sur la mer, notamment sur les bassins côtiers peu profonds où l’eau peut alors se réchauffer. Dans ces conditions, l’épaisseur de la CLA sur la côte est celle de la couche limite marine.
Les nombreuses études menées sur ce sujet, fournissent des valeurs de Zi à différentes dis-tances de la côte dans différentes conditions atmosphériques. Un ordre de grandeur de ces va-leurs est donné par l’étude de Raynor et al. (1979). Ces auteurs ont analysé 28 cas de CLA avec de nombreux moyens expérimentaux (avions, sondages ballons et mâts instrumentés) dans un grand nombre de situations météorologiques. Ils observent des hauteurs d’équilibre de Zi allant de 500 à 900 m pour des distances à la côte variant de 5 à 40 km.

Les mouvements turbulents dans la CLA

Les mouvements turbulents d’origine convective sont généralement considérés comme pré-pondérants au sein de la CLA (Venkatram, 1986; Levitin and Kambezidis, 1997; Luhar, 1998). Cependant la part de la turbulence d’origine dynamique (générée par les cisaillements de vent au niveau de la surface) dans le développement de la CLA peut être importante. Luhar (1998) estime que cette composante ne peut être négligée dans la matinée lorsque le chauffage au sol est faible. Chen and Oke (1994) montrent que la turbulence dynamique peut être responsable d’environ 25% de l’épaisseur totale de la CLA, lorsque la rugosité de la surface et le module du vent sont importants. Ils indiquent aussi que la part associée à la turbulence dynamique aug-mente lorsque la distance à la côte diminue, car l’advection d’air marin stable est plus prononcée à proximité de la côte ce qui limite la formation d’une forte convection.
A ma connaissance, très peu d’études chiffrent l’intensité de la turbulence dans la CLA en fonction de la distance à la côte. L’une des rares sur ce sujet est celle de Gamo et al. (1982). Ces auteurs montrent à partir de 14 vols avions que les valeurs maximales du taux de dissipation dans la CLA augmente de l’ordre de 10−4 à 5.10−3 m2s−3 pour des distances à la côte allant de 0 à 10 km environ. Ces valeurs traduisent l’accroissement de la turbulence dans la zone côtière lorsque les effets d’advection marine diminuent et que ceux de la convection se renforcent.

Les différentes approches pour la prédiction de l’épaisseur de la CLA

Depuis la fin des années 1970, de nombreuses études cherchent à déterminer les paramètres qui dirigent le développement vertical de la CLA. Leur objectif principal est la formulation de lois d’évolution spatiale et temporelle de l’épaisseur de la CLA (Zi) sur la zone côtière. Deux approches analytiques ont été utilisées pour répondre à cet objectif : les modèles empiriques et les « modèles en couche » (de l’anglais « slab models »).
Les modèles analytiques sont des outils très attractifs pour la prédiction de l’évolution tem-porelle et spatiale de Zi de part leur simplicité de mise en œuvre et leur efficacité (Gryning and Batchvarova, 1990; Mélas and Kambezidis, 1992).
Plus récemment dans la dernière décennie, l’utilisation de modèles numériques est devenue plus fréquent pour reproduire avec une meilleure résolution spatiale et temporelle l’évolution de Zi.

Les modèles empiriques

L’approche empirique cherche à formuler une loi d’évolution de Zi, fonction de un ou deux paramètres, qui s’ajustent au mieux à des données expérimentales. De nombreuses lois ont été formulées suivant cette méthode, comme par exemple celle de Hsu (1986): Zi = axb (1.1) où a = 1,91, b = 0,5 et x est la distance à la côte.
Le principal défaut de ces modèles est que leur utilisation est limitée à un jeu de données, et donc à une zone côtière et à un instant donné (Mélas and Kambezidis, 1992).

Les « modèles en couche »

Les « modèles en couche » supposent que l’évolution de Zi est essentiellement bidimension-nelle sur la verticale (z) et le long de la perpendiculaire à la côte (x). La distribution verticale de température potentielle dans la CLA y est considérée comme uniforme et surmontée d’une inversion. Leur formulation est dans la lignée des modèles de couche limite convective conti-nentale de Tennekes (1973).
Les études de Gryning and Batchvarova (1990) et Mélas and Kambezidis (1992) montrent que plusieurs formulations établies par cette approche sont capables de très bien prédire l’évo-lution spatiale et temporelle de Zi. Mélas and Kambezidis (1992) ont comparé la hauteur de la CLA déduite de plusieurs de ces modèles à des observations réalisées durant la campagne Athiblex (dans l’agglomération d’Athènes) sur un site localisé à 4 km de la côte. Des écarts inférieurs à la centaine de mètres sont obtenus, soit des erreurs de 5 à 25% de l’épaisseur de la CLA. Gryning and Batchvarova (1990) ont comparé leur modèle à plusieurs jeux de données des campagnes Øresund (Danemark et Suède), Nanticoke (Lac Erie au Canada) et Brookhaven (Long Island à New York). Ils obtiennent des écarts inférieurs à la cinquantaine de mètres (soit 5 à 15% de l’épaisseur de la CLA) pour des distances variant de 0 à 15 km de la côte. Cette approche sera approfondie par la suite.

Les modèles numériques

L’utilisation de modèles numériques a pour objectif de prédire l’évolution spatiale tridi-mensionnel et temporelle de l’épaisseur de la CLA à haute résolution. Les auteurs (Levitin and Kambezidis, 1997; Gryning and Batchvarova, 1996; Luhar et al., 1998; Mélas et al., 2000) qui se sont penchés sur ce type d’études montrent que ces modèles reproduisent plus fidèlement l’épaisseur de Zi que leurs homologues analytiques. Ceci n’a rien d’étonnant puisqu’ils sont dans leur formulation plus réalistes. Ils tiennent compte d’écoulements tridimensionnels, de côtes plus complexes et d’une physique de l’atmosphère plus complète.

La formulation de la CLA par les « modèles en couche »

Dans cette partie, l’approche des « modèles en couche » est approfondie pour permettre de comprendre les principaux paramètres directeurs de la dynamique de la CLA dans les zones côtières.
Les campagnes de mesures
Les travaux présentés dans ce manuscrit s’appuient essentiellement sur les données acquises durant les campagnes de mesures TRAC-98 et ESCOMPTE-2001. Cependant, trois campagnes de mesures ont été également réalisées au Centre de Recherches Atmosphériques de Lanneme-zan, pour tester différentes configurations techniques sur le radar UHF PCL1300, construit par la société Degréane Horizon, susceptibles d’améliorer ses mesures à bas niveaux. Le comman-ditaire de ces essais est la société Electricité De France Recherches et Développements, qui a financé en grande partie ces travaux. L’annexe A présente en détails ces trois campagnes de mesures et les différents résultats obtenus.
La campagne TRAC-98 ou « Turbulence, Radar, Aircraft, Cells » (Campistron et al., 1999), qui s’est déroulée du 15 juin au 05 juillet 1998 dans la plaine de la Beauce dans la région de Chartres, avait pour objectif scientifique principal l’étude des organisations cohérentes dans la couche limite convective (CLC). Dans cette perspective, elle devait permettre de mieux quan-tifier la part des transferts d’énergie associée aux structures cohérentes dans la CLC. Cette approche expérimentale devait être complétée par des simulations numériques.
Des améliorations apportées à la méthode de détermination du taux de dissipation de l’éner-gie cinétique turbulente développée par Jacoby-Koaly (2000), et une nouvelle méthodologie de restitution des flux de quantité de mouvement avec un radar profileur de vent ont pu être testées grâce à cette campagne de mesures. En effet, la plaine de la Beauce est une région particulière-ment plate et homogène, permettant à un avion instrumenté de réaliser des mesures turbulentes dans de bonnes conditions et ainsi de les comparer à celles déduites des méthodologies radar. Cette étude est présentée dans le chapitre 4.
La campagne ESCOMPTE-2001 ou « Expérience sur Site pour COntraindre les Modèles de Pollution atmosphérique et de Transport d’Emissions » (Cros et al., 2004) a pour objectifs scientifiques centraux de (i) étudier les relations entre les processus chimiques (émissions et réactions) et les phénomènes météorologiques (transport et diffusion) qui entraînent les épisodes de pollution ; (ii) d’intégrer ces processus dans des modèles numériques de physico-chimie pour en valider et en améliorer la prévision, en vue de leur utilisation future pour la prévision de la qualité de l’air.
Le programme ESCOMPTE (Cros et al., 2004) s’est déroulé du 4 juin au 16 juillet 2001, sur un domaine de 120 × 120 km centré sur la ville de Marseille et l’étang de Berre. Le choix de cette région a été motivé par la réunion de facteurs favorables aux épisodes de pollution : (i) des zones d’émission de polluants importantes en raison de la présence de la grande agglomération marseillaise et du complexe pétrochimique de Fos-Berre ; (ii) un fort ensoleillement estival et des épisodes de brises de mer qui favorisent respectivement la pollution photochimique et les recirculations de polluants.
Cette campagne constitue le cadre expérimental de la partie phénoménologique de ce travail. Les moyens expérimentaux importants de cette campagne, dont le réseau de quatre radars UHF, ont permis, d’une part, de tester, valider et appliquer une méthodologie de trajectographie de panaches de polluants à partir d’un réseau de profileurs de vent. Ce point fera l’objet du chapitre 5. D’autre part, ils ont également permis d’étudier les systèmes de brise de mer et la couche limite atmosphérique à l’échelle régionale et locale dans la zone côtière marseillaise. Ces deux points feront l’objet respectivement des chapitres 6 et 7 de ce manuscrit.
Ce chapitre récapitule donc succinctement le dispositif expérimental de chacune des deux campagnes de mesures. Seuls les instruments qui ont servi à ce travail sont présentés, afin d’éviter une description inutilement fastidieuse de tous les appareils de mesures.
Le dispositif expérimental associait une vision tridimensionnelle télédétectée du radar Ron-sard, au centre du dispositif (cf. Figure 2.1), à une mesure in situ unidimensionnelle des avions de recherche français Merlin IV et ARAT. Un réseau de trois profileurs de vent, dont un sodar près de Pithiviers et deux radars UHF à Richardville et Viabon, avait été installé en triangle (cf. Figure 2.1). L’atmosphère était ainsi décrite à la fois à l’échelle locale par chaque profileur et à l’échelle régionale par le réseau. Enfin, 5 stations météorologiques de surface (notées SM sur la figure 2.1) avaient également été placées en bordure du domaine exploré par le radar Ronsard, afin de fournir les conditions aux limites.
Les données acquises par le radar UHF de Viabon et par l’avion Merlin IV sont les seules à avoir été utilisées pour ce travail. Ces deux instruments sont donc décrits plus en détail ci-dessous.
FIG. 2.1: Carte du dispositif expérimental de la campagne TRAC-98. Il était constitué du radar Ronsard, au centre du domaine, de trois profileurs de vent disposés en triangle (deux radars UHF et un sodar), de 5 stations météorologiques (SM1 à SM5) et de deux avions de recherches (ARAT et Merlin IV).

Le radar UHF de Viabon

Les radars profileurs de vent mesurent en continu dans le temps des profils verticaux de la constante de structure de l’indice de réfraction de l’air Cn2, du taux de dissipation de l’éner-gie cinétique turbulente ε et des trois composantes du vent. Dans le cas des radars UHF, qui sont des instruments adaptés au sondage de la basse troposphère, ces paramètres permettent de décrire l’évolution de l’épaisseur de la couche limite atmosphérique (Cn2) et la turbulence en son sein (ε), ainsi que la dynamique de la basse troposphère (vent horizontal et vitesse verti-cale). Le principe de la mesure de ces instruments et les méthodes d’obtention de ces différents paramètres sont décrits dans le chapitre 3.
Le radar UHF de Viabon était un profileur UHF PCL1300 construit par la société Degréane Horizon, dont les caractéristiques techniques sont données dans le chapitre 3. Il disposait de cinq antennes qui permettaient de mesurer entre 75 et 2000-3000 m de hauteur (suivant les conditions atmosphériques) avec une résolution verticale de 75 m et une résolution temporelle de 5 min.

L’avion Merlin IV

L’avion Merlin IV, qui appartient à Météo-France, mesure les paramètres dynamiques et thermodynamiques classiques (la pression, la température, l’humidité et les trois composantes du vent) à une fréquence d’échantillonnage de 25 Hz, soit une résolution spatiale d’environ 4 m. Ces séries spatiales permettent alors de calculer les composantes moyennes et turbulentes de ces paramètres, ainsi que les différents moments turbulents et le taux de dissipation de l’éner-gie cinétique turbulente ε. Les méthodes de calcul de ces moments turbulents et de ε seront présentées au chapitre 4, dans lequel ces paramètres seront largement utilisés.
Chaque vol durait approximativement 3 heures, et était réalisé entre 11:00 et 14:00 TU durant des périodes d’observation intensive. Un vol était constitué d’au maximum 10 paliers horizontaux de longueur 40 à 50 km environ (c.f. Figure 2.2) et de deux à trois sondages ver-ticaux. Les paliers horizontaux étaient répartis à différentes hauteurs dans la CLC dans deux plans verticaux perpendiculaires qui se croisaient au-dessus du point sol (c.f. Figure 2.2). Le point sol est le lieu où était disposé le radar UHF de Viabon.

La campagne ESCOMPTE 2001

Pour répondre aux objectifs du programme ESCOMPTE, un effort expérimental conséquent a été mené pour décrire la dynamique et la chimie de l’atmosphère et constituer une base de données très détaillée. Cinq périodes d’observation intensive (POI) ont eu lieu lors de forts épisodes de pollution. Pendant les POI, le dispositif expérimental existant était complété par la mise en œuvre d’instruments supplémentaires.
Aux moyens expérimentaux spécifiques de la campagne ESCOMPTE se sont ajoutés ceux du programme CLU ou « Couche Limite Urbaine » (Mestayer et al., 2005). Ce programme dévo-lue à l’étude de la couche limite urbaine sur Marseille a permis d’installer un réseau dense de mesures pour appréhender plus finement la dynamique sur la ville.
Cros et al. (2004) et Mestayer et al. (2005) énumèrent et décrivent en détail l’ensemble du dispositif expérimental de la campagne ESCOMPTE et CLU respectivement. Il comprenait des instruments de mesures in situ (stations de surface, avions, bateaux, ballons plafonnants et radiosondages) et des moyens télédétectés (sodars, lidars et profileurs UHF et VHF).
Seuls les instruments, qui ont été utilisés pour la présente étude, sont décrits par la suite. Ils sont localisables dans la zone côtière du domaine ESCOMPTE et dans l’agglomération mar-seillaise par des acronymes (cf. Figures 2.3 et 2.4).

Les profileurs de vent

De nombreux profileurs de vent ont été installés durant la campagne ESCOMPTE, dont 1 mini-sodar, 6 sodars, 4 profileurs UHF, 1 radar mini-VHF et 1 profileur VHF. Le principe de fonctionnement de ces instruments est identique excepté que les sodars émettent une onde sonore et les profileurs UHF et VHF une onde électromagnétique.
De manière analogue aux radars profileurs de vent, les sodars mesurent en continu dans le temps des profils verticaux de la constante de structure de la température de l’air (CT 2), les trois composantes du vent et un paramètre de turbulence (l’écart type de la vitesse verticale).
Le tableau 2.1 présente la liste des profileurs qui ont servi à ce travail, leurs emplacements (dont l’acronyme permet la localisation sur les figures 2.3 et 2.4) et les laboratoires en charge de ces instruments. La nature de la surface sur lesquelles ils ont été installés, est également indiquée dans ce tableau, suivant le découpage urbain, suburbain et rural. La surface est de type urbain si la zone urbaine est très dense, comme le centre ville de Marseille. Le type suburbain correspond à une zone urbaine peu dense, comme une zone résidentielle située en périphérie de ville. Enfin le type rural correspond à une zone agricole avec éventuellement des habitations clairsemées. Au total, les données des quatre radars UHF et de trois sodars ont été utilisées.
Les quatre radars UHF de Saint Chamas (SC), Marignane (Mg), Aix-les-Milles (Ax) et l’Observatoire de Marseille (Ob) sont des profileurs UHF PCL1300, donc identiques à celui de Viabon qui a été utilisé durant la campagne TRAC-98. Durant l’expérience ESCOMPTE, ils ont fonctionné alternativement en deux modes avec la même résolution temporelle de 5 min. Le premier mode a permis de couvrir des hauteurs comprises entre 75 et 2000-2500 m avec une résolution verticale de 75 m. Le deuxième mode a permis de réaliser des mesures entre 200-300 à 4000-5000 m de hauteur avec une résolution verticale de 375 m.
Les sodars de Saint Jérôme (SJ), Vallon Dol (VD) et Saint Chamas (SC) réalisent des me-sures entre 0 et 500-600 m de hauteur avec une résolution verticale de 50 m. La résolution temporelle de ces instruments varie entre 15 et 20 min. Le sodar de VD était couplé à un sys-tème RASS (Radio Acoustic Sounding Systèm) qui permet de mesurer la température virtuelle de l’air. Cette technique est basée sur la réflexion d’une onde électomagnétique sur le front d’onde acoustique (Girard-Ardhuin et al., 2003).

Les moyens aéroportés

Les moyens aéroportés étaient importants durant la campagne ESCOMPTE, puisque cinq avions et un ULM ont volé à plusieurs reprises au cours des POI. Dans ce travail, seules les don-nées des avions de recherches ARAT et Dornier seront utilisées, donc seuls ces deux appareils sont décrits ci-après.
Le tableau 2.2 présente l’ensemble des paramètres mesurés par chacun de ces deux avions. Ces appareils mesuraient les composantes moyennes des paramètres dynamiques et thermody-namiques classiques (pression p, humidité q, température T et les 3 composantes du vent u, v, w), ainsi que les composantes turbulentes q0, T 0, u0, v0, w0. Ils réalisaient également des mesures de rayonnement visible (VIS) et infra-rouge (IR) montant et descendant (haut et bas). Enfin, ils étaient équipés pour réaliser des mesures de concentration des mêmes composants chimiques, à l’exception des aérosols et du carbone suie C que seuls l’avion ARAT mesurait, et du dioxyde de carbone CO2 que seul l’avion Dornier mesurait.

Table des matières

Introduction 
I Cadre théorique et expérimental de l’étude 
1 Rappels bibliographiques: la couche limite atmosphérique en période de brise de mer
1.1 Le système de brise de mer
1.1.1 Structure du système de brise de mer
1.1.2 Facteurs gouvernant le système de brise de mer
1.2 La couche limite atmosphérique dans le courant de brise de mer
1.2.1 Description
1.2.2 Les différentes approches pour la prédiction de l’épaisseur de la CLA
1.2.3 La formulation de la CLA par les « modèles en couche »
2 Les campagnes de mesures
2.1 La campagne TRAC-98
2.1.1 Le radar UHF de Viabon
2.1.2 L’avion Merlin IV
2.2 La campagne ESCOMPTE 2001
2.2.1 Les profileurs de vent
2.2.2 Les moyens aéroportés
2.2.3 Les stations de surface
2.2.4 Les ballons plafonnants
2.3 Les conditions météorologiques
II Les profileurs de vent UHF: des instruments pour l’étude de la couche limite atmosphérique 
3 Principes généraux de la mesure par radar profileur de vent
3.1 Principe de fonctionnement
3.2 Acquisition et traitement des données
3.2.1 L’acquisition des échantillons
3.2.2 Intégrations cohérentes
3.2.3 Transformée de Fourier et intégrations incohérentes
3.2.4 Calcul des moments spectraux
3.3 Processus de rétrodiffusion et paramètres atmosphériques
3.3.1 L’équation radar
3.3.2 Rétrodiffusion par les inhomogénéités spatiales de l’indice de réfraction de l’air
3.3.3 Retrodiffusion par les hydrométéores
3.3.4 Paramètres atmosphériques
4 Détermination de termes du bilan d’énergie cinétique turbulente avec un radar profileur de vent UHF
4.1 Méthodologie
4.1.1 Mesures télédétectées
4.1.2 Mesures aéroportées
4.1.3 Comparaison des mesures aéroportées et télédétectées
4.2 Application et résultats
4.2.1 Le taux de dissipation
4.2.2 Les flux de quantité de mouvement
4.2.3 Le bilan de l’énergie cinétique turbulente
4.3 Conclusion
5 Apport d’un réseau de profileurs de vent à la trajectographie de panaches de polluants
5.1 Méthodologie
5.1.1 Champs tridimensionnels
5.1.2 Trajectographie de particules d’air
5.2 Evaluation des performances
5.2.1 Comparaison aux mesures in situ de vent de l’avion ARAT
5.2.2 Comparaison aux trajectoires de ballons plafonnants
5.3 Application à l’étude de la pollution
5.3.1 La pollution atmosphérique
5.3.2 Les conditions météorologiques
5.3.3 Le transport et la diffusion de polluants
5.4 Conclusion
III La basse troposphère en période de brise de mer durant la campagne ESCOMPTE 2001 
6 Structure régionale du système de brise de mer et de la couche limite atmosphérique
6.1 Systèmes de brises sur la zone côtière marseillaise
6.1.1 Des brises locales à la brise régionale
6.1.2 Extension verticale de la brise
6.1.3 Le passage du front de la brise de mer
6.2 La couche limite atmosphérique dans la zone côtière
6.2.1 Description
6.2.2 Paramètres directeurs
6.2.3 Conclusion
7 Structure fine de la brise de mer et de la couche limite atmosphérique
Conclusion 
Bibliographie 
A Etude pour l’amélioration des mesures à bas niveaux du radar UHF Degrewind PCL1300
A.1 Le problème des mesures à bas niveaux
A.2 Objectifs et bilans des campagnes de mesures
A.2.1 Limitation de l’impact de l’émetteur sur le récepteur
A.2.2 Effets d’une émission basse puissance
A.2.3 Effets d’une enceinte grillagée
A.3 Conclusion
B Publications et conférences

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