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A Simple Model for the Afternoon and Early-Evening Decay of Turbulence over Different Land Surfaces

Résumé

Recent years have seen an increasing interest in the late-afternoon transition between the convective and stable regimes of the atmospheric boundary layer. There are several differences between the two regimes. On one hand, the convective boundary layer is characterized by an unstable stratification, turbulent mixing of mass, momentum and heat and buoyancy-driven eddies. On the other hand, the stable boundary layer is associated with a strong stable stratification that tends to suppress vertical motions generated by mechanical turbulence. One of the key processes of this complex transition period is the forcing time scale associated with the surface heat flux. Unfortunately, very few modeling studies have used realistic decaying time scales for the sensible heat flux. Therefore, in the first part of this study, we present a new function that better represents the afternoon and early-evening transitions and validate it with eddy covariance measurements over different land surfaces. The objectives are to capture the buoyancy forcing time scales observed in nature and the influence of surface properties. In the second part of the study, we show preliminary results of large-eddy simulation of atmospheric flow over heterogeneous cooling stripes. We focus our attention on the temperature advection between the different stripes as a result of their different cooling rates. Overall, this study is one of the first to model the convective decay of turbulence using realistic time scales over heterogeneous terrain.

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Planetary boundary layer
In meteorology, the planetary boundary layer (PBL), also known as the atmospheric boundary layer (ABL) or peplosphere, is the lowest part of the atmosphere and its behaviour is directly influenced by its contact with a planetary surface. On Earth it usually responds to changes in surface radiative forcing in an hour or less. In this layer physical quantities such as flow velocity, temperature, and moisture display rapid fluctuations (turbulence) and vertical mixing is strong.
Convection
La convection est l'ensemble des mouvements internes (verticaux ou horizontaux) qui animent un fluide et qui impliquent alors le transport des propriétés des particules de ce fluide au cours de son déplacement. Elle peut être due à des différences de température, une agitation mécanique, un pompage etc. Ce transfert implique l'échange de chaleur entre une surface et un fluide mobile à son contact, ou le déplacement de chaleur au sein d'un fluide par le mouvement d'ensemble de ses molécules d'un point à un autre.
Couche limite
vignette|redresse=2|Couches limites laminaires et turbulentes d'un écoulement sur une plaque plane (avec profil des vitesses moyennes). La couche limite est la zone d'interface entre un corps et le fluide environnant lors d'un mouvement relatif entre les deux. Elle est la conséquence de la viscosité du fluide et est un élément important en mécanique des fluides (aérodynamique, hydrodynamique), en météorologie, en océanographie vignette|Profil de vitesses dans une couche limite.
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