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Cours de météorologie – ENPC David POLLACK david.pollack@meteo.fr Mars 2013 3H

Cours de météorologie – ENPC David POLLACK david.pollack@meteo.fr Mars 2013 3H Bibliographie [De Moor et Veyre, 1991] De Moor, G. and Veyre, P. (1991). Les bases de la météorologie dynamique. Cours et manuels. Météo-France. [Joly, 1992] Joly, A. (1992). Les tempêtes, les dépressions. Cours et manuels n° 7. Météo-France. « Physique et chimie de l'atmosphère », sous la direction de R. Delmas, G.Mégie et V.H Peuch, Belin, 2005. [Gill, 1982] Gill, A. E. (1982). Atmosphere-Ocean Dynamics, volume 30. Academic Press. [Holton, 1992] Holton, J. R. (1992). Dynamic meteorology. Academic Press, 3 e edition. [Malardel, 2005] Malardel, S. (2005). Fondamentaux de météorologie, éditions Cépaduès. Plan de l’intervention 1. Portraits d’atmosphère 2. Les lois physiques qui régissent les mouvements atmosphériques 3. Les perturbations des moyennes latitudes 4. La convection Portraits d’atmosphère Généralités – L’énergie solaire Notion d’échelle Portraits d’atmosphère Généralités : composition chimique de l’atmosphère Évolution très lente et très longue de la composition chimique de l’atmosphère (paléoclimatologie) mais accélération de cette évolution depuis la révolution industrielle (effet anthropique : ex augmentation du CO2) Jusqu’à 100 km d’altitude, atmosphère = mélange de gaz dans des proportions quasi-uniformes. On distingue l l’ ’Air sec Air sec et l l’ ’Air humide Air humide = Air sec + Vapeur d’eau, car la vapeur d’eau est traitée à part compte tenu de sa très grande variabilité dans les 1ers km et de sa faculté à changer d’état dans les conditions usuelles de températures et de pression: Composition de l’air sec (en % de sa masse) : • 75.5 d’N2 • 23.1 d’O2 • 1.3 d’Ar • traces d’autres gaz comme par ex le CO2 Il permet de définir le découpage vertical moyen de l’atmosphère La couche la plus basse entre le sol et la tropopause s’appelle la troposphère. C’est là que se trouve la majeure partie de la masse atmosphérique (90 %) et qu’ont lieu la plupart des phénomènes météorologiques. La tropopause sépare la troposphère de la stratosphère : altitude moyenne = 10 km mais varie en fonction de la latitude et de la situation météorologique. Les variations de l’altitude de la tropopause influent fortement les phénomènes météorologiques. La couche limite atmosphérique (1ères centaines de mètres de la troposphère) lieu de nombreux échanges de matière, de chaleur et de quantité de mouvement d’où un caractère turbulent. Généralités : profil vertical moyen de température L’énergie solaire L’énergie solaire L’énergie solaire Le Dernier Maximum Glaciaire (il y a 21000 ans) Le cycle de Milankovitch, 1920 Précession Inclinaison Excentricité Les phénomènes atmosphériques L’atmosphère est soumise à plusieurs type d’excitations extérieures, qui peuvent être • cycliques (ex : le rayonnement solaire) • irrégulières et complexes (ex : forçage terrestre, interaction avec la surface terrestre ou océanique) Forte variabilité spatio-temporelle de l’état initial du fluide atmosphérique. Mise en circulation du fluide dans le but d’un retour vers l’état d’équilibre. Les irrégularités atmosphériques constituent ce qu’on appelle couramment les les ph phé énom nomè ènes nes m mé ét té éorologiques orologiques Grande variabilité spatio-temporelle des différentes circulations atmosphériques. Les phénomènes atmosphériques : la notion d’échelle Échelle planétaire : circulation persistante qui occupe une bonne partie du globe. Mise en évidence de ce type de circulation en « filtrant » les plus petites échelles par un traitement statistique adapté. Ex : circulation de Hadley, régime de temps, mousson Échelle synoptique : Dépression et anticyclone des moyennes latitudes, ondes d’Est tropicale et cyclones tropicaux Méso-échelle : Vent régionaux, brises, lignes de grains Échelle aérologique : Orages isolés, tornades, thermiques pures Micro-échelle : Tourbillons de poussières, rafales, microphysique des nuages (formation de gouttelettes par ex) Dans la réalité, toutes ces échelles sont étroitement imbriquées D’après : Malardel Fondamentaux de météorologie Les phénomènes atmosphériques : la notion d’échelle D’après : Malardel Fondamentaux de météorologie La séparation en échelles n’est qu’une « vue de l’esprit ». En fait, toutes toutes les les é échelles chelles interagissent interagissent. . Par ex, un phénomène modifie son environnement ce qui va modifier le phénomène et donc à nouveau, modifier son environnement De même, les petites structures, dépendent du phénomène, mais elle finissent par le modifier également. En réalité, l’atmosphère est tellement complexe, qu’il faut tenir compte des processus à toutes les échelles pour obtenir une vision correcte des phénomènes atmosphériques. Les phénomènes atmosphériques : intéraction d'échelles Présentation à l’échelle du globe : vue d'ensemble La description de l’atmosphère présentée ici est réalisée à partir d'analyses de l’état de l’atmosphère issues des principaux centres de prévision numérique • Image satellite en janvier et juillet • L’atmosphère vue de profil Image satellite IR Profil vertical moyen de température • Symétrie entre l’HN et l’HS par rapport à la bande nuageuse Intertropicale qui oscille de part et d’autre de l’équateur vers l’hémisphère d’été. • Aux moyennes latitudes, systèmes nuageux qui s’enroulent en spirale (sens trigo : HN ; inverse HS) • Bande très pauvre en nuages (vers 30° ) surtout sur les continents désertiques. Une certaine symétrie zonale (symétrie du forçage atmosphérique par le rayonnement solaire mais imparfaite (océan/continent, relief, etc). JANVIER JUILLET D’après : Malardel Fondamentaux de météorologie Vue d'ensemble : image satellite infrarouge Dans la troposphère, décroissance verticale quasi-linéaire en fonction du Logarithme de la pression (-6° /km) La première rupture de pente est la signature moyenne de la tropopause L’altitude de cette rupture de pente dépend de la latitude latitude et de la saison saison. D’après : Malardel Fondamentaux de météorologie Vue d'ensemble : profil vertical de température moyenne Présentation à l’échelle du globe : Bilan radiatif • • • par cercle de latitude sur la verticale sur la planète Synthèse : • Les courbes en moyenne zonale montrent un déséquilibre radiatif méridien et vertical nécessité de mélange assuré par la convection (petite échelle) et des mouvements de grande échelle horizontale. 2. Le bilan radiatif sur la planète montre des contrastes longitudinaux importants (albédo, ZCIT, mousson) En moyenne annuelle, le bilan radiatif des régions polaires est déficitaire et celui des régions équatoriales et tropicales est excédentaire. Comme aucune région ne se réchauffe ni se refroidit perpétuellement transport de l’excédent d’énergie vers les plus hautes latitudes. rayonnement solaire moyen reçu au sommet de l’atmosphère la partie du rayonnement solaire qui est absorbée rayonnement infrarouge moyen émis vers l’espace D’après : Malardel Fondamentaux de météorologie Bilan radiatif de la Terre Importance relative du transport atmosphérique par rapport au transport océanique -Aux hautes latitudes, le transport atmosphérique domine et est maximum entre 40° et 50° de latitude quelle que soit l’atmosphère. -Aux basses latitudes, le transport océanique est prépondérant (>50% du transport total d’énergie) et maximum vers 30°N. Dans l’hémisphère sud, le pic est atteint vers 20°S. Source : Vonder, 1973, adapté par F. Beucher L’atmosphère est quasi-transparente au rayonnement solaire reçu sauf dans les basses couches (courbe de droite) Le flux radiatif sortant vers l’espace provient plutôt des hautes couches de l’atmosphère. Donc, déséquilibre vertical nécessité de mélange vertical (convection pour la petite échelle + circulation de grande échelle (Hadley) D’après : Malardel Fondamentaux de météorologie Bilan radiatif moyen sur la verticale Représente le bilan : énergie absorbée – énergie émise Hémisphère d’été globalement excédentaire, sauf pour les grands déserts (Sahara) Flux radiatif net au sommet de l’atmosphère D’après : Malardel Fondamentaux de météorologie Présentation à l’échelle du globe : le vent On distingue le vent zonal u (>0 pour un vent d’Ouest) et le vent méridien v (>0 pour un vent de Sud) • • Profil méridien de la moyenne zonale et verticale du vent zonal Synthèse : En étudiant les champs en moyenne annuelle, on met en évidence : - le courant jet subtropical - les alizés - les cellules de Hadley - la ZCIT Toutefois, ces différentes structures ne sont pas toujours visibles au jour le jour, possèdent une variabilité spatio-temporelle grande (intra-saisonnière), sont influencées par la nature des basses couches (océan, continent, relief), ne sont pas nécessairement axisymétriques. Profil méridien de la moyenne zonale du vent zonal Profil méridien de la moyenne zonale du vent méridien et profil méridien de la moyenne zonale de la vitesse verticale Champ de vent zonal moyenné En moyenne, les vents sont d’Ouest aux moyennes et hautes latitudes et d’Est aux basses latitudes Ecart-type de vent méridien très fort (>10m/s), alors que le vent méridien moyen (non représenté) l'écart-type est de l’ordre du m/s prudence dans l’interprétation des champs moyens D’après : Malardel Fondamentaux de météorologie Profils méridiens du vent Présence du courant jet subtropical : noyau de vent très fort au niveau de la tropopause vers 30°de latitude, plus fort à un niveau de pression donné dans l’HS Dans l’hémisphère d’été, noyau moins intense et plus proche du pôle qu’en hiver Dans la bande tropicale, vents d’Est ; maximum près du sol et plus forts dans l’hémisphère d’hiver alizés DJF JJA D’après : Malardel Fondamentaux de météorologie Moyenne zonale du vent zonal Le maximum de vent méridien moyen est plus faible que le maximum de vent zonal 2 extréma de signes opposés : - dans les uploads/s3/ enpc-ch01-portrait-atm.pdf