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Transport, flux et diffusion

La température est un paramètre clé pour caractériser l’état de l’atmosphère. La variabilité diurne du profil de température dans la couche limite atmosphérique (CLA) et la troposphère libre (TL) est à la base d’important processus météorologiques, dynamiques et radiatifs: stratification de la troposphère, formation des couches d’aérosols et de nuages, initiation de la convection, cycle diurne de la couche limite, propagation des ondes de gravité, transport… Intimement lié au profil de température potentielle est celui de flux de chaleur sensible qui permet de rendre compte des échanges biosphère-atmosphère et intra-atmosphère. Les profils de température potentielle et de flux de chaleur sensible, ainsi que la relation entre les deux (diffusivité thermique) font partie des paramètres atmosphériques les plus importants pour boucler le bilan de masse et d’énergie dans l’atmosphère et sont à la base de toute modélisation atmosphérique (LES, modèles régionaux).

Aujourd’hui, notre compréhension des échanges intra-atmosphériques de composés minoritaires cruciaux tels H2O ou CO2 ou de tout polluant (NOx, CO..) reste partielle par manque d’observations de la variabilité spatio-temporelle rapide du profil de température et de la vapeur d’eau et aussi d’observations simultanés des profils de flux de chaleur sensible et latente en dehors de la couche de surface. Sont concernés plus particulièrement les échanges au niveau de la couche d’entrainement (CLA-TL) ou le couplage/découplage de couches au sein même de la troposphère et la quantification de ces couplages. Un autre manque d’observation concerne les phases problématiques de transition du matin et du soir à la croisée de plusieurs schémas de représentation des processus.

Figure 1 Objectifs de recherche sur la dynamique atmosphérique

Les lidar TERA (température) et COWI (vitesse, HO2 et/ou CO2) et MOBILIS (aérosols) permettent de combiner mesures simultanées de vitesse et de scalaires et donc d’effectuer des mesures de flux en utilisant des méthodes de corrélation turbulente ou de gradient [Gibert JGR; Gibert JTECH]. A terme, une restitution des champs de vitesse et de concentration 3D sera possible expérimentalement et pourra être comparée aux résultats de simulations LES. Un lien pourra être effectué entre les processus dynamiques de petite échelle (turbulence coefficient de diffusivité) et leurs causes/effets à moyenne échelle (hauteur de couche limite, jets, ondes).

Différents projets du groupe sont en cours sur cette thématique: BLLAST, CHEESEHEAD.

Un exemple d’étude de la transition du matin et de synergie instrumentale MOBILIS-COWI est donné ci-dessous. La convection dans la couche limite force la formation d’ondes de gravité dans la couche résiduelle, identifiées par les fluctuations de la vitesse verticale de l’air et de la polarisation de la lumière laser rétro-diffusée par les particules dans l’atmosphère [Gibert QJRMS].

Figure 2 Exemple d’une synergie MOBILIS-COWI pour une étude de la transition du matin de la couche limite atmosphérique:
(a) Dépolarisation lidar à 532 nm  (b) Vitesse verticale. L’heure locale corresponds à l’heure UTC + 2h