Climatologie – Résumé partie 3

Climatologie – Résumé partie 3
9. Circulation atmosphérique générale
Vents généraux liés aux différences de pression
Différences de pressions, d’énergie et de température génèrent :
- Mouvement verticaux (ascendance, subsidence)
- Mouvements horizontaux (vents et advections d’air)
L’air s’écoule des anticyclones vers les dépressions.
Gradients de pressions et vents
Les vents sont générés par les gradients de pressions. Intensité f(gradient) => dévié via
Coriolis.
Rotation de la Terre et force de Coriol is
La force de Coriolis est le résultat des
différences de vitesse de rotation entre
l’équateur où elle est maximum et les pôles
où est le nulle.
Une masse d’air en mouvement conserve sa
vitesse de rotation terrestre initiale. Dans
l’hémisphère nord :
o Vers le nord, elle ira plus
rapidement vers l’Est que la surface terrestre.
o Vers le Sud, elle ira moins
rapidement vers l’Est que la surface terrestre.
Dévie les courants vers la droite dans
l’hémisphère Nord et gauche au Sud.
La force est nulle à l’équateur.
La force dévie depuis le pôle (« au-dessus »)
et vers l’équateur. Les vents divergent à l’équateur puisque leur direction n’est plus la
même lorsqu’ils le traverse: alors qu’ils allaient en direction de l’équateur dans le premier
hémisphère, en traversant ils s’en éloignent au second et leur résultante s’inverse.
Vent géostrophique
Lorsque les vents soufflent parallèlement aux lignes d’isobares à cause de la force de
Coriolis. Ils ne vont plus alors des anticyclones vers les dépressions mais tournent autour des
centres d’action (rotation inverse dans les hémisphères).
La force de Coriolis n’a pas d’effet sur les vents locaux, les vents faibles et à l’équateur.
Les frottements du sol ont une incidence sur les vents, un vent géostrophique ne peut donc
se rencontrer qu’à partir de 500 à 1000m au-dessus du sol.
Frottement du sol et vent agéostrophique
La rugosité du sol = diminution de la vitesse du vent et de la force de Coriolis.
Influence jusqu’à 500 à 1000m car : spirale d’Ekman. L’effet est plus marqué avec les
continents que les océans.
Le bilan de toutes ces contraintes : l’air quitte obliquement (en travers) un Aet pénètre D
dans le sens inverse des aiguilles d’une montre au Nord.
Autres contraintes proche du sol: Topographie, température du sol.
Effet de la rotation de la Terre sur le déplacement des masses d’air
Direction et force dépendent aussi de : conservation du tourbillon absolu et de la
conservation du moment angulaire à la surface de la Terre.
Conservation du tourbillon absolu
Un tourbillon est un mouvement circulaire subi par un objet. Le tourbillon absolu est le bilan
entre le tourbillon d’une masse d’air et le tourbillon planétaire. C’est-à-dire, entre la direction
du tourbillon généré par le type de la masse d’air, soit positif dans une dépression et
négatif dans un anticyclone, et entre le tourbillon planétaire, c’est-à-dire la force de Coriolis.
Le bilan de ces deux effets peut annuler un système de pression, voir l’inverser !
Le tourbillon absolu doit garder une valeur constante, mais elle est fonction de la force de
Coriolis qui augmente de l’équateur aux pôles : le tourbillon de la masse d’air doit donc
diminuer pour conserver le tourbillon absolu si celle-ci se déplace en direction des pôles.
C’est-à-dire qu’une dépression (+) va alors s’affaiblir et un anticyclone (-) se renforcer.
Et inversement en direction de l’équateur : le tourbillon de la masse d’air doit augmenter
pour conserver le tourbillon absolu, une dépression va donc se renforcer et l’anticyclone
s’affaiblir car la force de Coriolis diminue.
Influence dans la circulation d’Ouest dans les moyennes latitudes avec des
ondulations Nord-Sud appelées ondes de Rossby qui fait une dorsale (« pique »
d’anticyclonique) vers les pôles et des talwegs vers l’équateur (« creux » de
dépression)
Conservation du moment angulaire
Un moment angulaire est le moment de la quantité de mouvement par rapport à un point
zéro. Un moment est la capacité d’une force à faire tourner un objet autour d’un point.
L’atmosphère tourne avec la Terre et elle possède un moment angulaire. Celle-ci est
proportionnel à sa masse, sa vitesse et aux rayons (augmente des Pôles à l’Équateur). Vu que
l’intégral des moments doit rester constant :
- la diminution de rayon de l’équateur aux pôles doit être compensée par une vitesse
de déplacement plus grande de la masse d’air et inversement
Histoire et schémas de la circulation atmosphérique générale
Schémas unicellulaires de la circulation
Halley (~1685) : Une seule cellule orientée
Nord-Sud. Courant général du Pôle à
l’équateur issu des dépressions thermiques
dans les régions équatoriales et anticyclones
thermiques dans les régions polaires.
Convergence des courants et ascendance
d’air au-dessus de l’équateur + divergence
en altitude. Pressions plus élevées à l’Équateur qu’aux Pôles en altitude.
Hadley (~1740) : Ajout de l’effet de Coriolis. Courant général Pôle -> l’Équateur, dévié en flux
d’Est et inversement en flux d’ouest. La composante est donc Est-Ouest.
L’épaisseur de l’atmosphère n’était pas assez grande pour permettre un schéma
unicellulaire.
Schémas tricellulaires de la circulation
Ferrel (~1890) : 3 cellules par hémisphère, une
polaire d’origine thermique avec courants d’Est
au sol et Ouest en altitude.
Une cellule de Ferrel dans les zones tempérées
dynamiques, courant d’ouest au sol et Est en
altitude.
Cellule de Hadley dans les zones tropicales d’origine thermique et dynamique, courant d’Est
au sol et d’Ouest en altitude.
Explication de la présence au sol de basse pression équatoriales, anticyclones
subtropicaux, dépression subpolaire et anticyclones polaires.
La cellule d’Hadley ne s’étend plus que jusqu’aux régions subtropicales avec les
courants en altitude de l’Équateur en direction des Pôles et un afflux d’air
excédentaire à partir des tropiques (à cause de convergence liée à la forme sphérique
de la Terre et de l’amincissement de la troposphère aux pôles, et de conservation du
moment angulaire = augmentation vitesse des flux).
Les vents accélèrent fortement dans la haute troposphère : jetstream ! Une partie de ce flux
doit s’écouler vers le bas.
Subsidence d’air dans les zones tropicales : formation d’anticyclone dynamique avec
divergence près du sol : une partie donne naissance aux alizés du NE et du SE ! L’autre
partie donne naissance aux vents d’Ouest.
Les vents d’Ouest rencontre les flux
d’Est générés par les hautes
pressions polaires ce qui créer une
convergence des courants près du
sol, donc une ascendance et
formation de dépression dynamique
dans les régions subpolaires.
Une divergence des courants en
altitude, qui permet un écoulement
des flux vers les Pôles où ils
convergent : cellule polaire. L’autre
partie va en direction de l’équateur :
3è cellule fermée de Ferrel.
Modification par Rossby en 1941 : La
cellule de Ferrel dans les latitudes
moyennes est ouverte, avec des vents d’Ouest à tous les niveaux grâce à l’afflux d’air
excédentaire observé en altitude à partir des tropiques. On observait des vents d’ouest en
altitude qui n’étaient pas expliqués avec Ferrel.
Zone de rencontre entre les vents d’Ouest des latitudes moyennes et les vents d’Est des
hautes latitudes => Front polaire et non pas une dépression subpolaires.
Le front polaire c’est un couloir dépressionnaire où se forment les dépressions et les fronts
dans les zones tempérées à polaires. C’est surtout une zone de rencontre entre l’air tropical et
l’air polaire, qui sont de grands échanges d’énergie qui créer le jet stream polaire (vent
violent au-dessus du Front Polaire).
Les ondes de Rossby sont des ondulations Nord-Sud importantes dans la zone des vents
d’Ouest des latitudes moyennes dans lesquelles se déplacent les anticyclones et dépressions
qui permet un important échange de chaleur entre régions polaires et tropicales. Détermine
donc la position des systèmes de pression.
1 L'échelle verticale est abusée (c'est normalement aplatit) et en plus, la
Terre est sphérique.
Grâce à cela, il y a une
explication aux : basses
pressions équatoriales et des
anticyclones subtropicaux,
alizés du NE et du SE, de la
zone de convergence
intertropicale, des vents
d’Ouest aux latitudes
moyennes avec des ondes de
Rossby, du couloir
dépressionnaire du Front
Polaire et des anticyclones
thermiques polaires, des vents
d’Est aux hautes latitudes qui
peuvent prendre une courbure
cyclonique en descendant en direction du Front Polaire. La présence en altitude des vents
d’Est au-dessus des basses latitudes, des vents d’Ouest au-dessus des moyennes et hautes
latitudes, des Jet Stream (polaire, subtropical, et équatorial).
Les jetstream soufflent en dessous de la tropopause, en direction d’ouest pour le polaire et le
tropical et en direction d’est pour le jetstream équatorial.
Effets thermiques sur le schéma de la circulation atmosphérique générale
-
Des anticyclones d’origine thermique se forment en hiver au-dessus des continents
froids de l’hémisphère Nord dans les latitudes moyennes.
- En hiver, les océans sont plus chauds que les continents donc les fronts polaires sont
plus marqués au-dessus des océans, alors que c’est l’inverse en été et les anticyclones
subtropicaux sont plus marqués sur les océans alors qu’il y a des zones légèrement
dépressionnaires qui se créé sur les continents.
- Les cellules polaires et de Hadley ont une plus grande extension en hiver qu’en été.
- Latitude moyenne, vents d’Ouest se charge en eau et s’assèche sur les continents
- En été : vents d’Ouest et Front polaire sont plus septentrionaux (plus au nord) =>
Saison sèche en été en Méditerranée
La saison des pluies dans les régions tropicales et tempérées dépend de la ZCIT
ZCIT
Correspond avec le passage du soleil au zénith. Remonte au Nord en été et au Sud en hiver.
Les mouvements saisonniers sont plus marqués sur les continents que sur les océans.
Cette zone est la convergence des vents alizés.
En janvier, cela se localise au Sud de l’Équateur géographique : les alizés déborde sur
l’hémisphère et change d’orientation (de NE à NO). => pluie façade orientales Afrique
australe et Australie
En juillet c’est l’inverse. Mousson en Asie du Sud-est et pluie en Afrique de l’Ouest.
La ZCIT ne se caractérise pas toujours pas de gros nuages de convection et des pluies
abondantes : (A) il se passe cela lorsque deux cellules de Hadley se font face chacune depuis
l’un des hémisphères, plutôt dans les équinoxes, (B) mais ce n’est pas le cas lorsqu’il y a une
ou deux cellules intermédiaires nommée de «Walker » qui peuvent s’intercaler entre les
cellules de Hadley. Cela se passe plutôt dans les solstices. Les perturbations des cellules de
Walker génèrent les phénomènes El-Niño, La Nina.
Cellules de Walker et El Niño
(a) Cellule de Walker normale
sur le Pacifique : les courants d’Est
au sol sont issu de la convergence
des alizés qui emportent les eaux
chaudes du Pacifique vers l’Ouest.
Ceci créer de l’upwelling le long des
côtes péruvienne, et ascendance et
basse pression sur l’Ouest du
pacifique avec des pluies abondantes
et une subsidence de l’air au-dessus
de la côte péruvienne donc une
sécheresse. Si cette cellule se
renforce : situation La Nina avec des
pluies abondante en Asie du Sud-est
et Est Australie.
(b) circulation inverse lorsque
faible activité de ZCIT (El Niño),
autour de Noël. Il n’y a plus
d’upwelling. Pluie abondante sur
l’Est du Pacifique, subsidence dans
l’occidental Pacifique avec une sécheresse
El Nino : Tous les 2 à 10ans, dure ~12 à 18mois. Issu de l’oscillation de la cellule de Walker
qui est assez régulière : ENSO (El Nino Southern Oscillation).
Assez peu d’influences sur le climat de l’Europe.
Mousson
C’est le renversement saisonnier d’une saison sèche à la saison des pluies ou vice-versa. Les
pluies sont amenées par les alizés originaires de l’hémisphère opposé.
Saison sèche en hiver en Asie du Sud-est et pluie en été.
Mousson aussi présente en Australie du Nord et en Afrique austral et occidentale.
Duct et drift
Duct : lors que le ZCIT est au-dessus des océans Atlantiques et Pacifiques avec de faibles
mouvement saisonniers et des courans d’Est
dominants et développement de cellules de
convections.
Drift : ZCIT au-dessus de l’Afrique et de l’Asie avec
des mouvements saisonniers importants qui créé les
moussons. ZCIT se présente sous la forme d’un
front intertropical (FIT).
Circulation atmosphérique générale dans la haute troposphère
Champs de pression et les vents dans la haute troposphère
Décroissance plus rapide de la pression avec l’altitude dans un air froid que chaud.
Un anticyclone se renforce avec l’altitude s’il est surmonté d’un air chaud
Une dépression se renforce avec l’altitude si elle est surmontée d’un air froid
À cause des températures, il y a en générale une profonde dépression en altitude au-dessus
des Pôles (nommé vortex circumpolaire) et une ceinture de haute pression au-dessus des
régions tropicales et équatoriales.
Dépression plus profonde au Sud qu’au Nord à cause que le Sud est constitué de continent
alors que le Nord d’un océan (banquise).
En altitude, il n’y a pas d’influence des morphologies continentales : les champs de pression
sont donc plus simples en altitude qu’au sol.
Les anticyclones polaires et les dépressions subpolaires disparaissent en altitude
Les anticyclones subtropicaux se décalent vers l’Équateur et les anticyclones
équatoriaux disparaissent en altitude
Ce champ de pression engendre un puissant vent de gradient de l’Équateur aux Pôles qui est
dévié par Coriolis => Vents d’Ouest. Ils sont en général plus fort au Sud qu’au Nord car le
gradient est plus élevé.
Le vent souffle d’Est l’équateur.
Un peu de variation saisonnière pour des questions thermiques : dépression plus profondes
aux Pôles en hiver qu’en été => Le vent est donc plus fort en hiver.
Ondes de Rossby
Onde présente dans la circulation d’Ouest avec Thalwegs et Dorsales.
En laboratoire, elle se créé en chauffant l’eau sur les bords (=Équateur)
et on la refroidi en son centre (=Pôles) et en faisant tourner le cylindre
rapidement. Ces ondes dépendant aussi de la topographie et des
contrastes thermiques continent-atmosphère : elles seront plus
marquées au Sud qu’au Nord.
Cycle des ondes de Rossby
Elles se créer et se détruise selon un cycle de 4 à 6 semaines.
1) Peu développée, peu d’échange thermique tropique-pole, circulation d’Ouest rapide
2) Les ondes se creusent et forment des méandres de plus en plus prononcés, circulation
d’Ouest se ralentit et échange d’énergie important
3) Les méandres se coupent et on retourne en (1).
Des « gouttes » d’air polaire et tropical qui se sont détachées du front Polaire vont vers le
Sud et le Nord en se résorbant. Mais les froides peuvent se renforcer vers l’Équateur en vertu
de la conservation du tourbillon absolu et peuvent générer un temps maussade..
Grande influence du cycle dans les moyennes et haute latitude. Avec des fortes
ondes, on peut avoir une situation de blocage avec des A ou D stationnaire.
Liens entre les pressions en altitude et au sol dans les ondes de Rossby
Les ondes sont fortement liées au champ de pression au sol : anticyclone dynamique
surmonté d’une dorsale, dépression dynamique d’un thalweg. Les centres d’actions peuvent
être décalés.
Les ondes de Rosby amène de l’air froid aux basses latitudes et du chaud aux hautes.
Jet Stream
Couloirs avec des vitesses de vent très élevées dans la circulation d’Ouest.
Deux Jet Stream importants :
- Polaire, surtout au niveau de 300hPa =~9000m/mer
- Subtropical, 200hPa=~12000m/mer
Ils peuvent fusionner. Ils sont plus puissants à l’hémisphère Sud où les ondes sont plus
faibles. Vitesse maximal juste au-dessous de la tropopause.
Jet Stream polaire : Se localise au-dessus du Front Polaire = rencontre masse d’air tropical et
polaire => ascendance et libération de grandes quantités d’énergie avec la condensation de la
vapeur d’eau qui va être en partie convertie en énergie cinétique.
Jet Stream subtropical : 3 facteurs de convergence d’air => forme de la Terre, amincissement
de la troposphère et conservation du moment angulaire. Il se localise au-dessus de la cellule
de Hadley, du côté polaire. Résujlte d’un afflux d’air excédentaire en altitude venant de
l’Équateur. Cet afflux provoque le Jet Stream et une subsidence d’air au-dessus des régions
subtropicales.
Les Jet Stream ont donc une position variable selon le moment de l’année selon la position
du Front Polaire et de la cellule de Hadley :
Le jetstream subtropical se situe plus bas que celui polaire. En général ils sont plus au Sud en
en hiver et plus au Nord en été.
Il existe un 3ème Jet Stream au-dessus de la ZCIT, le Jet Stream équatorial d’Est.