Écoulement au-dessus des couverts végétaux

 

Bien volé hier ? – Merdique, on a passé l’aprem le cul dans les branches… L’expression est imagée mais sur nos coteaux elle est à prendre au sens propre. Quoi qu’on fasse, où qu’on soit, y’a toujours un bois dans la dérive pour faire chier.

Les mouvements Honami : les ondulations qui couchent les orges en juin, cela nous parle aussi.

L’étude des mouvements induits par le vent sur les bois ou sur les cultures est motivée par des problématiques de recherche importantes en agronomie et en biologie. La verse ou les chablis sont des problèmes, autre centre d’intérêt la thigmomorphogénèse : l’influence des contraintes mécaniques subies par les végétaux sur leur croissance, ou encore la dispersion de particules, de spores, ou de pollens. Satisfaire notre curiosité, chercher à comprendre, il y a toujours pour nous à gratter dans la biblio publiée sur ces sujets.

 

Finningan dual-hairpin eddy

Dès 1979 Finningan a suggéré que les fluctuations dominantes du vent au-dessus des couverts végétaux sont régies par une instabilité de type couche de mélange, dites de Kelvin-Helmholtz, liée à l’inflexion du profil de vent moyen au niveau du sommet du couvert. Ce comportement est bien différent des écoulements de couche limite sur une surface rugueuse, comme pour un sol nu. Des champs cultivés aux couverts forestiers, l’analogie de couche de mélange permet de regrouper sous un mécanisme générique les fluctuations du vent au-dessus de couverts de type et de taille extrêmement divers.

Pour plus d’infos sur les instabilités de Kelvin-Helmholtz, le rapport de travaux menés en 2014 à l’Ecole des Mines de Lyon par un groupe d’étudiants :  Kelvin-Helmholtz Instabilities. Comme le titre ne l’indique pas, j’ai choisi ce doc pour sa rédaction en français. 

Certaines mesures de vent au-dessus de champs de blé ont mis en évidence des fréquences dominantes correspondant à la fréquence propre de vibration des plantes. Le modèle de couche de mélange prédit une fréquence principale régie seulement par l’épaisseur de vorticité du profil de vitesse. Finningan  alors proposé un modèle couplé, dans lequel les fluctuations du vent et le mouvement du couvert végétal interagissent, par lequel la fréquence de l’instabilité dévie de la loi de Kelvin-Helmholtz et s’accroche sur la fréquence propre des plantes.

Turbulence structure above a vegetation canopy, un article de John J. Finnigan, Roger H. Shaw et Edward G. Patton, cet article publié en 2009 dans : Journal of Fluid Mechanics décrit et analyse le mécanisme de formation des structures en épingle à cheveux renversées. J’ai choisi ici un des derniers articles de Finnigan.

En français donc plus abordable la thèse de Charlotte Py, de 2006 : Couplage entre la dynamique du vent et le mouvement d’un couvert végétal. 

Ou bien le chapitre 5.4 : de la thèse de Sylvain Dupont : Modélisation de la micrométéorologie à l’échelle de paysages complexes, révision d’un article de 2009 écrit avec F. Gosselin, C. Py, E. de Langre, P. Hémon, Y. Brunet : Modelling waving crops using large-eddy publié dans : Journal of Fluid Mechanics

Le sujet de ces études est l’interaction couvert végétal/vent, aussi les simulations LES et les validations dans les tunnels ou sur site ont été paramétrées sur des flux en situation de stabilité thermique neutre sur des hauteurs limitées de 3 à 5 fois la hauteur du couvert. A ces altitudes nous sommes en finale d’un posé en pleine campagne où les champs de blé ou de luzerne ne font pas parti de nos premiers choix. Ces structures violentes qui se développent sur de faibles hauteurs et des rayons limités sont à fuir, néanmoins il est probable qu’elles puissent amorcer (dans des situations où la hauteur de convection libre est abaissée au niveau du sol) ou tout au moins apporter un surcroît de quantité de mouvement aux cellules thermiques. Ce surplus est directement disponible. Dans les cas où les mouvements turbulents ne sont pas cohérents, leur énergie est en cascade transformée en chaleur, entrant de fait dans le bilan de la flottabilité des particules d’air, elle n’est pas pour nous perdue, mais son apport est alors plus diffus.

Écoulement de lisière – Vz

En Sud-Ouest au départ de Grenois, la dérive nous pousse en direction de Vézelay, tirer au plus court nous fait survoler la forêt Asnières – Montillot, à force de me faire rétamer sur Les Bois de la Madeleine, j’ai fini par les contourner systématiquement. Pourtant au-dessus de cette clairière, tous les facteurs sont réunis assurer le succès de la transition, cultures et village au centre d’une forêt haute et touffue. Naïvement j’insistais au-dessus des champs et du village, je m’y suis fait dégueuler d’une force… C’était méconnaître les écoulements de lisière.

La figure 4.5, p 59 de la thèse de Sylvain Dupont, chapitre 4.4 : Ecoulement de lisière est édifiante. Les schémas représentent le comportement des variables clés, ici la Vz, sur une coupe longitudinale d’une clairière. Les lignes noires en pointillés indiquent le contour des arbres. Même si l’effet de lisière à lui seul ne peut permette de nous refaire, en amont de la lisière il va par accrétion pomper toutes les particules d’air réchauffées au contact du village et des cultures, et donc y concentrer la subsidence.

Ne pas s’engager bas sur Les Bois de la Madeleine reste surement la meilleure option. Pour s’en sortir grâce à l’effet de lisière, il nous faudra du cran pour enrouler au-dessus des arbres, dans la dérive nous attendent 4 à 5 kms d’une forêt haute et dense.

Colline boisée

Dans la même veine, de Sylvain Dupont, le chapitre 4.5 p 64 : Écoulement au-dessus d’une colline boisée, est tout aussi intéressant. Sur la Fig. 4.8 sont simulés la vitesse longitudinale du vent (a) et le flux de quantité de mouvement (b). La ligne noire représente le contour ou la vitesse longitudinale est nulle, la ligne noire  en pointillés indique l´épaisseur de la zone de sillage derrière la colline, et la ligne blanche pointillés le sommet de la canopée.

Bon sang mais c’est bien sûr!

En a) nous ne sommes pas surpris de constater au faîte de la colline un fort pincement du gradient de vitesse juste au-dessus du sommet de la canopée, la fig b) montre que cette forte augmentation de vitesse  ne génère pas les Vz attendues, car le flux de quantité de mouvement replonge derrière la colline, sous le vent. Méchamment contrés sans pour autant monter, nous reconnaissons bien ici ces situations où le temps s’étire… 

Sur cette simulation la hauteur de la colline, représente 2 fois la hauteur des arbres.  Sur nos coteaux ce rapport est bien plus important, par ex à Grenois ce rapport avoisine le facteur 10. Peut-on en attendre une amplification du phénomène ?

Jet de basse couche

L’effet double lame de la matinée, le coup de vent au déco avant que l’inversion ne “saute”. Il suffit que le haut du coteau se retrouve à la limite de la couche d’inversion, cet écoulement typique d’une colline boisée, renforce le jet de basse couche quand il se forme. A l’arrivée au déco, nous sommes surpris,  aucun run ne calculait l’accélération, tout rentre dans l’ordre dès que le soleil soulève le couvercle nocturne qui couvre la plaine.

Bien que ce ne soit pas le sujet de cette page, pour éclairer ma remarque juste 2 mots d’explication sur les jets de basse couche : La capture d’écran est tirée d’un slide publié par MétéoFrance, sans intérêt autre que la planche n° 12 où est présenté un schéma des conditions de formation d’un jet de basse couche. La couche d’inversion nocturne s’est formée à partir de la couche de surface au contact du sol refroidit par radiation. Déconnecté de la rugosité de surface, le flux ne répond plus alors aux contraintes des écoulements de couche limite et se comporte comme une zone d’entrainement. Ce qui induit un cisaillement Kelvin-Helmholtz à l’origine du jet de basse couche. Stull confirme ce changement d’état dans son schéma en “redescendant” la zone d’entrainement au contact du sol en fin de nuit.

 

 

S’interroger sur ces écoulements au-dessus des couverts végétaux, ne va pas révolutionner nos cheminements. Il reste qu’en vol, la lecture de notre couche de surface est passionnante, la grille est complexe, la grammaire riche.

 

J.Jacques   –   25 août 2018