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Cours climatologie pour ing Cours climatologie pour ingé énieurs et architectes

Cours climatologie pour ing Cours climatologie pour ingé énieurs et architectes nieurs et architectes ENAC EPFL 2006 ENAC EPFL 2006 Gel des sols Gel des sols Michel Michel Dysli Dysli Laboratoire de m Laboratoire de mé écanique des sols canique des sols D-1 f Première partie Première partie D-2 f Programme • Indices de gel et de dégel • Réchauffement du climat • Paramètres météorologiques • Phénomène du gel des sols • Dimensionnement des infrastructures et superstructures • Pergélisols (permafrost) • Bibliographie • Exercice Première partie Deuxième partie Troisième partie Indices de gel et de dégel (1) Cumulative degree by days above freezing [°C·day] Time Autumn Winter Spring Summer Autumn Air or surface temperature +5 0 -5 -10 [°C] Freezing Index If or FI Intermediate Thawing Index Thawing Index It or TI Intermediate Freezing Index Iaf or FIair / Iat or TIair => with air temperature Isf or FIS / Ist or TIS => with surface temperature D-3 f n = FIS / FI D-4 Indices de gel et de dégel (2) Air Freezing Indices versus Height 200 1000 2000 3000 0 Height above sea level [m] Air Freezing Index [°C·day] 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Complicated map of Freezing Indices Quebec Nicolet station 2000-2001 f Effect of the Gulf Stream Définition de l’indice de gel de dimensionnement = en général, indice de gel de surface FIS D-5 f Quelques solutions : Comme la profondeur du gel n’a pas le même effet sur toutes les constructions, usage d’un indice de gel de dimensionnement qui est atteint une fois pendant une période de x années (FI5, FI30, etc., par exemple, FI5 étant l’indice de gel qui se produit tous les cinq ans. La Norvège et, dans une certaine mesure, la Suède, utilise cette approche. Suisse : moyenne des trois hivers les plus froids des 30 dernières années. Dans les régions à faible indice de gel, pour tenir compte de l’alternance des périodes de gel-dégel pendant un hiver, il est nécessaire de définir des règles qui permettent de déterminer un indice de gel significatif qui conduit à une évaluation correcte de la profondeur maximale du gel. La Suisse utilise de telles règles depuis 2001. Indices de gel et de dégel (3) Réchauffement du climat (1) D-6 f Avec le réchauffement du climat, les indices de gel diminuent. FI [°C·day] Freezing Index of the air 1928 - 1999 1000 800 600 400 200 Winters 28-29 Château - d’Oex Davos Lausanne Sliding mean 10 years 41-42 55-56 62-63 84-85 98-99 D’où l’importance de la définition de l’indice de gel de dimensionnement Réchauffement du climat (2) D-7 f Le dimensionnement au gel et dégel des infra et superstructures est-il encore nécessaire ? Petite discussion un peu provocatrice D-8 4000 m.s.M 3000 2000 1000 200 Pergélisol alpin Mountain Permafrost Gel saisonnier Seasonal Frost f Réchauffement du climat (3) D-17 f Principaux paramètres météorologiques : • changement de phases (e.g. évaporation, fonte de la glace et de la neige) • température de l’air • radiations solaires • radiation de la surface du sol • vitesse et direction du vent (convection) • précipitations Paramètres météorologiques (1) Solar and surface radiations +1000 = +500 +150 +350 -350 -600 -50 +150 -950 +100 +200 -600 +1100 = 0 radiation absorbed by the atmosphere radiation reflected by the atmosphere Albedo A = 30 long-wave radiation reradiated earthward L earth surface long-wave earth radiation L long-wave radiation emitted to space by atmosphere long-wave radiation to which atmosphere is transparent +470 direct and diffused radiation +980 = +1450 -100 convection -200 evapo- transpiration -1150 = -1450 solar radiation absorbed by the earth’s surface energy reradiated by the earth’s surface outgoing radiation lost to space I+D Qh Qe A’ Paramètres météorologiques (2) D-18 f hours of the day cloudy day Winter night with sky becoming clear limit of atmosphere Tmean = -23°C earth’s surface short wave long wave L’ = 500 1000 L =300 A’=500 L =300 I+D=200 L =200 L =300 Qe=50 Qh=50 300 L’ =400 energy [Wh·m-2] I+D-A balance the soil cools – 1000 0 8 12 16 20 24 4 L - L + Qe + Qh on the surface L’ =400 Winter sunny day foggy night limit of atmosphere earth’s surface short wave long wave 1000 A’=300 Qe=100 Qh=50 L =100 L =200 I+D=500 200 A=50 L =300 L’ =300 L =200 energy [Wh·m-2] I+D-A balance the soil warms up + 1000 0 8 12 16 20 24 4 hours of the day L - L + Qe + Qh on the surface Balance of the radiations over short periods Paramètres météorologiques (3) D-19 f D-20 Influence des radiations solaires et des autres paramètres météorologiques sur l’indice de gel de la surface du sol FIS surface of the road FIS = 63 FI = 134 air Dec. Jan. Feb. March Edge of the Swiss prealps, 860 m.a.s.l 1979 - 1980 100 0 -100 [°C·day] Winter Characteristics Freezing index of the air FI [°C·day] Freezing index of the surface FIS [°C·day] 1979-80 1980-81 1982-83 Ratio n factor Mild and damp Cold with heavy snowfall and early arrival at the end of November Very mild and damp from January with a cold and rainy month of December 134 359 52 63 216 29 0.47 0.60 0.56 FIS est l’indice de gel de dimensionnement f Paramètres météorologiques (4) D-21f Radiations solaires en fonction de la latitude L’importance relative entre l’indice de gel de l’air FI et celui de la surface FIS du sol dépend de la latitude. Pour des latitudes nord entre 40° et 55° les radiations solaires et celles émises par le surface du sol sont les facteurs climatiques les plus importants. Plus au nord (> 55°), l’importance des radiations solaires diminue et ce sont des paramètres comme le vent qui deviennent prépon- dérants. Qui plus est, dans ces régions, l’indice de gel de la surface du sol devient plus grand que celui de l’air. L’énergie irradiée par la surface du sol est plus grande que celle reçue de l’espace => n = FIS / FI > 1. Paramètres météorologiques (5) D-22 f Vitesse et direction du vent (convection) Pendant l’hiver et pour presque toutes les régions, l’effet du vent sur l’indice de gel de la surface du sol est négligeable. Par exemple, de nombreuses mesures en Suisse l’ont démontré. Il n’est pas négligeable en haute montagne, sur certains caps et pour des latitudes nord >55°. C’est heureux, car le coefficient de convection de surface est une valeur très difficile à évaluer. Paramètres météorologiques (6) D-23 f Evaluation de l’indice de gel de surface Deux solutions : • Utilisation du classique facteur n : FIS = n · FIair Cependant, le facteur n est un multiplicateur alors que le phénomène qui produit la différence entre les deux indices résulte d’un bilan énergétique qui est modélisé par une somme. Ainsi : • Utiliser l’Indice de radiations : FIS = FIair - RI n ainsi que RI = f(I + D + L - L - Qe - Qh) sont déterminés par mesures et corrélations. Paramètres météorologiques (7) D-24 f Utilisation du facteur n Surtout en Europe, les valeurs n sont souvent mal utilisées : 0.9 to 0.8, car les conditions climatiques sont très variables. Cependant, si les valeurs n sont bien connues, comme au nord du continent américain, leur usage conduit à des résultats satisfaisants. Voir en particulier les nombreux articles de V. Lunardini du CRREL. Exemples du facteur n : Paramètres météorologiques (8) D-25 f Evaluation de l’indice de radiations L’utilisation de l’indice de radiation est surtout recommandé dans les régions montagneuses où les conditions climatiques sont très variables. Aujourd’hui, l’indice de radiation est seulement déterminé pour les régions alpines entre 40 et 45° N, ceci sur la base nombreuses mesures. Paramètres météorologiques (9) D-26 f Radiation Index RI [°C·day] Relationship valid only for the latitudes between 40 and 55° N 200 150 100 50 Results from about 2’000’000 measurements Sunshine Hours of sunshine GH [W·m-2] GH [MJ·m-2·day-1] weak med. strong none 10 30 40 50 60 70 80 20 1 3 4 5 6 7 2 1 3 4 2 Norme suisse SN 670 140a Evaluation de l’indice de radiations Paramètres météorologiques (10) Cours climatologie pour ing Cours climatologie pour ingé énieurs et architectes nieurs et architectes ENAC EPFL 2006 ENAC EPFL 2006 Gel des sols Gel des sols Michel Michel Dysli Dysli Laboratoire de m Laboratoire de mé écanique des sols canique des sols D-1 f Deuxième partie Deuxième partie D-2 f Programme • Indices de gel et de dégel • Réchauffement du climat • Paramètres météorologiques • Phénomène du gel des sols • Dimensionnement des infrastructures et superstructures • Pergélisols (permafrost) • Bibliographie • Exercice Première partie Deuxième partie Troisième partie Tout le problème du gel des sols est contenu dans la courbe caractéristique sol - eau (SWCC) D-3 f Weighted water content [%] wsat air entry value (valve) Suction [kPa] 10-1 100 101 102 103 104 drying Freezing water clay macro- pore silt grain uploads/Geographie/ gel-cours-dysli-epfl-2006.pdf