Ecoulements orographiques

Tout o bstacle a u ne i nfluence dy namique s ur l e m ouvement de l ’air et c ette i nfluence v arie, e n importance et en nature, à la fois suivant la géométrie de l’obstacle, l’état de l’air (notamment sa stabilité statique) et la situation de l’obstacle par rapport au courant général. La présence d’une île isolée da ns u n éc oulement s table v a l e per turber en gén érant di verses perturbations c omme le blocage du flux général sur la partie insulaire exposée au vent, des tourbillons de circulations sous le vent de l’île, etc. Schématiquement, l’obstacle d’un relief peut agir de deux façons extrêmes sur l’écoulement d’ une m asse d’ air qu i l ’aborde, en f onction de l a s tabilité de l ’atmosphère, de l a hauteur de l ’obstacle e t de la v itesse de l’écoulement : ou l’obliger à s’élever ( régime d e soulèvement orographique ou « flow-over») o u l a d iviser en d eux b ranches q ui c ontournent horizontalement l’obstacle (régime de contournement ou «flow-around»).

Le paramètre atmosphérique approprié pour discerner ces régimes d’écoulement est le nombre de Froude Fr, qui caractérise dans un fluide l’importance relative à l’énergie cinétique et à l’énergie potentielle de flottabilité. Il est défini par le rapport suivant :

où U est l a v itesse m oyenne de l ’écoulement, N la f réquence de Brunt-Väisälä e t h la ha uteur caractéristique de l’île.

1.3.1.1 Soulèvement orographique ou le régime « flow-over »

Le r égime d e s oulèvement ou « flow-over», da ns l equel l a pa rtie ba sse de l ’écoulement f ranchit l’obstacle, se caractérise par des valeurs du nombre de F roude qui sont bien supérieures à l’unité (i.e. én ergie c inétique d u f lux i ncident t rès s upérieure à l ’énergie p otentielle r equise pour surmonter l’obstacle).

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Lorsqu’un écoulement synoptique (celui des alizés dans notre cas) rencontre un relief suffisamment large et é levé, des o ndes de gr avité s ont gén érées s oit a u-dessus de l ’obstacle, s oit en a val de celui-ci. La masse d’air stable transportée par le vent franchit l’obstacle en subissant une ascendance orographique (Fig. 1-13) : en amont du relief, les parcelles d’air sont alors soumises à une détente et se refroidissent. Puis, une fois les sommets franchis, l’air plonge de l’autre côté de l’obstacle en aval et subit une compression. Il atteint un niveau d’équilibre autour duquel il oscille.

Si l’humidité atmosphérique est suffisante, des nuages peuvent se former en amont au sommet de l’obstacle.

Ce s oulèvement de m asse d’ air entraînant des m odifications t hermodynamiques t rès s ensibles et différentes en amont et en aval de l ’obstacle est appelé «effet de foehn» [Berroir, 1991]. Le nom de c e phénomène es t b ien s ûr a ssocié à c elui d’ un v ent de s ud, le F oehn, qu i s ouffle dans l es vallées d es A lpes au trichiennes e t su isses ; m ais l es effets d e même n ature s ont géographiquement i nnombrables, et en c haque r égion et en c haque épo que o ù l e per met l a conjugaison d’un relief et d’un régime de vent, il souffle des vents de foehn (le chinook au Colorado, le Zonda en Argentine, le Chergui au Maroc, etc.).

Figure 1-13: Représentation schématique du soulèvement orographique. En amont de l’obstacle, l’air qui remonte la pente, subit une détente et se refroidit. En se refroidissant, la vapeur d’eau se

condense et forme des nuages, qui peuvent donner des précipitations. En aval du relief, l’air redescend et subit une compression. [Whiteman, 2000].

1.3.1.2 Contournement de l’île ou le régime « flow-around »

Le régime de c ontournement ou « flow-around », dans lequel la partie basse de l ’écoulement doit se séparer pour contourner l’obstacle, se caractérise par des valeurs du nombre de Froude qui sont bien i nférieures à l’unité (i.e. énergie cinétique du flux i ncident faible d evant l’énergie potentielle nécessaire pour surmonter l’obstacle).

Une île, comme celle de La Réunion, avec un relief élevé qui émerge au milieu de l’océan constitue un obstacle important à l’écoulement fortement stratifié générant d’importantes turbulences dans le champ de vent en aval. Située dans une zone océanique sous l’influence régulière des alizés de

Vue de profil

Vue du dessus

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sud-est, la Réunion constitue un laboratoire naturel idéal pour étudier les phénomènes de sillage.

L’île force le flux synoptique d’alizé qui s’en approche à se séparer en deux branches, causant le déventement de l a z one directement ex posée a u f lux gén éral ( 1), gén érant les a ccélérations l es plus fortes sur les côtes parallèles à ce flux (2) et la présence en aval d’un «retour» (3), vent concernant la côte sous le vent et dont le sens est globalement opposé à celui du flux général (Fig.

1-14).

Figure 1-14: Représentation schématique du régime de contournement

Des considérations théoriques de différents régimes d’écoulement obtenus lors de plusieurs expériences s ont r egroupées da ns l ’article de B righton ( 1977), qu i es t u ne é tude qu alitative des perturbations d’un écoulement tridimensionnel à faible nombre de Froude (<1).

Une large variété de phénomènes induits par un écoulement perturbé par une île isolée a été documentée p ar de n ombreuses ét udes s pécifiques à di fférentes îles u tilisant des o bservations satellitaires et aériennes ainsi que des techniques numériques. L’interaction des différents processus de petite échelle a fait l’objet en particulier de quelques études menées sur les îles Hawaii, d ont le s r eliefs e t le s c aractéristiques t opographiques s ont c omparables à c eux d e la Réunion. Par exemple, des campagnes expérimentales, basées sur des données collectées au cours des projets « Joint Hawaii Warm Rain Project » en 1985 et « Hawaiian Rainband Project » en 1990 [Austin et al., 1996, Rasmussen et al, 1989, Smolarjievicz et al., 1988], ont montré que les ondes de gr avité, l es ba ndes pl uvieuses et l a c onvection p rofonde peu vent r ésulter de l ’écoulement d e l’alizé au-dessus de l’île. De plus, lorsque le courant atmosphérique général contourne une île, un sillage de vent se développe du côté de la partie sous le vent de l’île, où l’intensité du vent diminue sous l ’effet du r elief qu i j oue u n r ôle de protection. S ur l a c ote a britée du vent, de grands tourbillons dans la circulation de l’air peuvent se produire. Smith et Grubisic (1993) ont utilisé des observations co llectées d urant l a cam pagne « H awaiian R ainband P roject » p our e xaminer

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l’écoulement dans le sillage de B ig Island (une des îles d’Hawaii) et trouver la présence de v ortex sur la c ôte sous le vent. Il e xiste également plusieurs d ocuments s ur la formation de tels vortex dans l e s illage des îles Canaries et de M adère [ Chopra et Hubert 1965, Zimmermann 1969, M oll 1971].