« Méthodes d`analyse en sciences naturelles de l`environnement »
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« Méthodes d’analyse en sciences naturelles de l’environnement » PHYSIQUE DE l’ATMOSPHÈRE Climate Change and Climate Impacts C3i Université Université de Genè Genève Enseignant : Sté Stéphane Goyette Cours Filiè Filière A Master en Sciences de l’l’Environnement La circulation atmosphérique 1 Quatrième partie 1.4) La circulation atmosphé atmosphérique • les diffé différentes échelles spatiospatio-temporelles du • • • • • mouvement de l’l’air le modè modèle global tricellulaire la circulation aux latitudes moyennes les diffé différents types de circulations locales distributions de la tempé température, de la pression du vent et des pré précipitations définition de la Mé Météorologie et de la Climatologie Différentes échelles spatiotemporelles du mouvement de l’air 108 10 mm 1m 100 km 1 km caracté éristique de temps (s) échelle caract anné année 106 diffusion moléculaire El Nino courant jet phénomènes météo fronts, ouragans Mousson vent de vallée vent de pentes brise de mer 104 brise de lac cumulus tourbillons 1 semaine jour heure tornades 102 mois minute ondes sonores seconde turbulence de fine échelle 1 10-2 102 104 106 échelle caracté caractéristique de longueur (m) 108 2 Bilan d’énergie global moyen 100 % = 342 W m-2 Bilan Hydrique Global 100 % = 1040 mm +6% -6% -80% +14% +86% P P E -6% -14% E Atmosphère -20% +6% +20% +80% Continent -86% Océan E = évaporation P = précipitation 3 Schéma méridien moyen… Transports méridiens • Pourquoi ? Distribution de la chaleur des ré régions tropicales vers les ré régions polaires excé excédent Pôle solaire absorbé absorbé rt po ns tra infrarouge sortant déficit Équateur Bilan = solaire absorbé absorbé – infrarouge émis Transport de chaleur de l’ l’excé excédent vers les dé déficits (sensible + latente) 4 Circulation générale de l‘atmosphère 1) Circulation méridienne et sché schéma tricellulaire - Hadley - Ferrel - Polaire Schéma tricellulaire de la circulation générale de l’atmosphère 5 Circulation tricellulaire - climatologie • La cellule polaire est un systè système identique à la cellule de Hadley. Même si l'air est plus sec et froid il peut gé générer une circulation fermé fermée convective • Latitudes moyennes: l’l’air froid nordique rencontre l’l’air chaud mé méridional le long d’ d’un ruban thermique plus ou moins continu et intense. On assiste ré réguliè gulièrement à une cyclonisation de la circulation pour cré créer des dépressions qui poussent l’l’air chaud vers les Pôles et l’l’air froid vers l’l’Équateur (cellule de Ferrel) Ferrel) • Cellule de Hadley : le moteur de la circulation atmosphé atmosphérique dans les tropiques Transport de chaleur par les courants Océaniques • Ex. Gulf Stream (MODIS infrarouge) 6 Exemple : circulation générale de l’atmosphère – transport méridien de chaleur et d’humidité Circulations tropicales • Dans la zone intertropicale, les transferts d’é nergie d’énergie (chaleur sensible et latente) s’ s’effectuent essentiellement dans la verticale • La force de Coriolis est faible (f ~ sin ϕ ; -23.5 ° < ϕ < 23.5 °) • Les sources de chaleur sont maximales entre les deux tropiques provoquant l’l’instabilité instabilité et favorisant les mouvements convectifs • La circulation induite par la convection thermique est imbriqué imbriquée dans la Cellule de Hadley 7 Mécanismes de la Cellule de Hadley : coupe schématique verticale couches stables tropopause altitude Cellule de Hadley Équateur: quateur: instabilité instabilité maximale latitude Latitude: 2525-30° 30° Les Alizés: vents d’est sous les tropiques • Les vents d’ d’Est trouvent leur origine aux marges des ré régions de haute pression subtropicales • Elles ont une vitesse (~7 m/s) et une direction remarquableremarquablement constantes • La branche qui se situe à la surface de la Cellule de Hadley est dé dévié viée par la force de Coriolis vers la droite de l’écoulement, ’écoulement, soit toujours vers l’Ouest • Angl. Angl. Trade Winds 8 Zone de convergence intertropicale USA Amé Amérique du Sud Australie La Cellule dite « de Ferrel » • De moins grande constance que la cellule de Hadley, la cellule de Ferrel représente le lieu de transfert de l’énergie entre les tropiques et les latitudes polaires • Déviation des vents vers l’ouest sous l’effet de la force de Coriolis • Compensation de l’action des Alizés sous les tropiques • En l’absence d’un tel équilibre, la rotation de la Terre serait progressivement freinée par les forces de frottement 9 Illustration schématique de la Cellule de Ferrel Vents d’ d’Ouest Alizé Alizés Ferrel Hadley Ex: Perturbation dans l’Atlantique Nord Cellule de Ferrel (thermiquement indirecte) - élévation forcé forcée de l’l’air froid dans les hautes latitudes - subsidence né nécessaire de l’l’air chaud (tiè (tiède) dans les latitude moyennes (basses) consé conséquence : utilisation de l’é nergie ciné l’énergie cinétique (tempêtes, etc… etc…) 10 Circulations extra-tropicales • Notions introductives • Instabilités hydrodynamiques (baroclines) • Cyclogénèse et systèmes frontaux Notions introductives • Le climat extra tropical (latitudes moyennes ~ 30° 30° – 60° 60°) se caracté caractérise par une grande variabilité variabilité des conditions dans le temps et dans l’l’espace • Cette variabilité variabilité s’explique essentiellement par la confrontation des masses d’ d’air froides d’ d’origine polaire avec les masses d’ d’air chaudes d’ d’origine tropicale • Le long de l’l’interface entre ces deux grands systè systèmes (le (le front polaire) polaire) se manifeste l’l’activité activité frontale la plus importante 11 Illustration schématique de l’instabilité barocline chaud pression froid trè très fort gradient mouvement rapide La cyclogénèse • La cyclogénèse est une théorie qui s’applique à la • • formation des dépressions des latitudes moyennes. Elle est liée à l’instabilité barocline. La cyclogénèse est le développement ou l’intensification d’une circulation cyclonique dans l’atmosphère qui mène à la formation d’une dépression. Son opposé est la cyclolyse et son équivalent pour la formation d’anticyclones est l’anticyclogénèse Cette instabilité favorise la formation de gradients thermiques et de pression importants Ces gradients atteignent un maximum entre des masses d’air froides et chaudes 12 Cycloniques et Anticycloniques (hémisphère nord) L H Simulation de la tempête (extrême) Lothar (1999): Nuages • Simulations par le groupe “C3i” C3i” avec le modè modèle régional de climat CRCMCRCM-2 13 Simulation de la tempête (extrême) Lothar (1999): Précip. • Simulations par le groupe “C3i” C3i” avec le modè modèle régional de climat CRCMCRCM-2 Autres circulations • Le comportement de la cellule de Walker est • • • nécessaire pour à la compré compréhension du phé é nomè è ne du El Niñ ñ o (en anglais ENSO ou El ph nom Ni Niñ Niño - Southern Oscillation) La mousson est le nom d’ d’un systè système de vents périodiques, actif particuliè è rement dans l’l’océ particuli océan Indien et l’l’Asie du Sud Le cyclone tropical est un type de dé dépression qui prend forme dans les océ océans de la zone intertropicale Circulations locales… locales… 14 Transport Atmosphérique • Circulation gé générale de l’Atmosphè Atmosphère Circulation latitudinale (Cellule de Walker) La Mousson • La mousson caracté caractérise une classe de vents pé périodiques. • • • D’origine arabe, le mot mousson «mausim» mausim» signifierait saison. On l’l’emploie à la fois pour indiquer la saison durant laquelle ce vent souffle dans le sudsud-ouest de l’l’Inde et les ré régions adjacentes mais aussi pour nommer les pré précipitations particuliè particulièrement abondantes associé associées à ce vent La mousson se manifeste particuliè particulièrement en Asie du sud et du sudsud-est (Inde, Pakistan, Thaï Thaïlande, Chine du sud), ainsi que dans d’ d’autres parties du monde (Australie du nord, Afrique orientale) Les mé mécanismes de la mousson sont multiples mais sont essentiellement associé associés à la diffé différence de capacité capacité thermique des océ océans et des continents situé situés dans les ré régions tropicales La mousson est en fait une brise de terre / de mer ! 15 La Mousson d’hiver • En Asie, la mousson d’hiver se caractérise par des vents froids à la surface qui soufflent depuis l’Asie centrale • Les vents d’Ouest sont dominants en altitude • Ceux-ci sont guidés par la présence de l’Himalaya qui défléchit l’écoulement en altitude en une branche située au Sud de l’Himalaya et une autre plus au Nord • Les vents d’Ouest repoussent les influences tropicales (chaleur, humidité) vers le sud La Mousson d’été • En été, alors que la circulation dominante d’Ouest • • se situe plus au Nord, la branche Sud de l’écoulement faiblit (les vents d’Ouest circulent essentiellement au nord de l ’Himalaya) Ceci permet au continent de se réchauffer et de générer une région de basses pressions thermiques, laquelle favorise une convergence d’air tropical et humide qui, au contact de l’instabilité thermique proche du sol, provoque la formation de forte convection 16 Systèmes Tropicaux extrêmes • Ouragan : – Un ouragan est un cyclone tropical, i.e., un type de dépression tourbillonnaire qui prend forme dans les océ océans de la zone intertropicale • Un cyclone tropical est une large zone de nuages en rotation, de vent et d’ d’orages. Sa principale source d’énergie ’énergie est le dé dégagement de chaleur latente causé causé par la condensation de vapeur d’ d’eau en altitude. Le cyclone tropical pet ainsi être vu comme une machine thermique, au sens de la thermodynamique • Structurellement et dynamiquement, dynamiquement, il est trè très diffé différent d’un cyclone des latitudes moyennes ! Quelques définitions (1 / 2) • Atmosphè Atmosphère : c’ c’est la couche gazeuse (fluide) entourant la Terre • Les sciences de l'atmosphè l'atmosphère consistent à étudier les processus lié liés au mouvement, aux échange de chaleur, à l’humidité humidité et à la chimie dans l’atmosphè atmosphère • La météorologie repré tude à courte éché représente l’é l’étude chéance des phé phénomè nomènes atmosphé atmosphériques (haute fré fréquence) – Fluctuations quotidiennes du temps – Étude des proprié propriétés physiques, optiques et électriques de l’atmosphè atmosphère – Variation des éléments mé météorologiques proches de la surface (turbulence, micromé micrométéorologie) orologie) – Étude des circulations et des processus particuliers Déplacement des systè systèmes mé météorologiques Nuages et pré é cipitations pr Systè Systèmes frontaux Brises de mer, brises de montagne Ouragans, tornades, etc... etc... 17 Quelques définitions (2 / 2) • La climatologie est l’é tude des phé l’étude phénomè nomènes mé météorologiques se produisant sur le long terme (basse fré fréquence) et de leur évolution dans le temps – Le climat repré représente la synthè synthèse des effets de l’l’absorption de la radiation solaire et de la dé déperdition du rayonnement infrarouge sur les systè système océ océanique, cryosphé cryosphérique, rique, biosphé biosphérique, atmosphé atmosphérique et lithosphé lithosphérique – On travaille surtout sur les moyennes mensuelles, saisonniè saisonnières ou annuelles de variables telles que la tempé température ou les pré précipitations • L’aérologie est l’é tude expé l’étude expérimentale in situ des caracté caractéristiques physiques et chimiques de la troposphè troposphère et de la stratosphè stratosphère. C’ C’est une technique de la mé météorologie qui utilise les radiosondes, les satellites, les donné données provenant d'avions de ligne et de fusé fusées • L’aéronomie repré représente la science de l’l’atmosphè atmosphère à haute altitude (au(audelà delà de 20 – 25 km) où où les phé phénomè nomènes électromagné lectromagnétiques sont importants Météorologie versus Climatologie ex : pré prévision numé numérique 18 Le climat et les zones climatiques • Le climat est dé déterminé terminé par l’l’ensemble des statistiques des • • • conditions atmosphé atmosphériques d’ d’une ré région donné donnée couvrant une période d’ d’environ 30 ans. Il se distingue des conditions mé météo qui dé désignent les conditions à court terme La dé détermination du climat s’ s’effectue gé généralement à l’aide de mesures statistiques annuelles et mensuelles de donné données atmosphé atmosphériques locales : tempé température, pré précipitations, ensoleillement, humidité humidité, vitesse du vent, etc… etc… On repré tat moyen de représente souvent le climat comme étant l’é l’état l’atmosphè atmosphère au cours de 30 anné années: à cela il faut ajouter des statistiques d’ d’ordre plus élevé levé comme la variabilité variabilité, les extrêmes, etc… etc… Une faç façon simple de le repré représenter graphiquement est la détermination de zones climatiques plus ou moins homogè homogènes, mais mais il en existe beaucoup d’ d’autres ! Zones climatiques réelles • Le schéma simplifié, symétrique autour de l’équateur, se complique dans la réalité à cause de divers facteurs, notamment : • la distribution iné inégale des surfaces océ océaniques et continentales • la diffé différence dans la distribution terre/océ terre/océan entre les hémisphè misphères Nord et Sud • le relief • la vé végétation et son cycle saisonnier • les banquises • etc… etc… 19 Climat en animation… Climat en animation… 20 Climat en animation… Climat en animation… 21 Suite… étude du climat : climatologie ! Extra slides 22 Illustration du phénomène ENSO Conditions normales Conditions El Niñ Niño Vents et régions caractéristiques • Du fait de la force de Coriolis tous les mouvements de l’l’air sont dé dévié viés vers leur droite dans l’l’HN: – Alizé Alizés, vents d’ d’Est dans les tropiques – Vents d’ d’Ouest aux latitudes moyennes – Vents d’ d’Est au pôle • Zone de convergence inter tropicale (ITCZ): zone proche de l'é l'équateur où où les alizé alizés de chaque hé hémisphè misphère se rencontrent. Temps chaud et humide, vents faibles. Majorité Majorité des forêts tropicales humides. Mobilité Mobilité de cette zone suivant les saisons: vers le nord en janvier, vers le sud en juillet. 23 Principaux systèmes de vent Ceintures de pression Thé Théorique Réelle 24 Cyclones tropicaux • Masses d'air tropicales humides et Vent max enregistré enregistré: 280 [km/h] • • • chaudes, au dessus des océ océans, entre les latitudes 2020-25° 25° nord et sud. Diamè Diamètres de 100 à 1500 km), pression de l'air en leur centre plus basse et gradient de pression plus élevé levé Capacité Capacité de provoquer des vents extrêmement forts: dans les ouragans et les typhons (ouragans du Pacifique) possibilité possibilité de dé dépasser les 33 m/s (120 km/h), avec un record de 104 m/s (375 km/h) – dans l'ouragan Allan, en 1980. Source de son énergie: évaporation de l'eau des océ océans puis dissipation progressive de l’é nergie lorsqu'il avance l’énergie au dessus des terres Front froid • Remplacement d'une masse d'air chaud par une • • • • masse d'air plus froid. L’ L’air froid plus dense pousse l'air chaud à s'é s'élever En s’é levant, condensation et formations nuageuses s’élevant, de type cumulonimbus accompagné accompagnées de pluie, orage, grêle, tornade (sur 50 à 70 [km] et de courte duré durée) A l’l’arriè arrière du front froid, air plus sec, plus dense et plus froid La tempé température peut chuter de 15 [° [°C] en l’l’espace d’une heure Aller voir animation: http://www.meteocom.ch/new/Fr/9_Fr_Situations/9522_2005http://www.meteocom.ch/new/Fr/9_Fr_Situations/9522_2005-1212-02.html 25 Front chaud • Avancé Avancée d’ d’une masse d'air chaud moins dense vers • • • • une masse d'air froid plus dense. Air chaud passe sur air froid Avancé Avancée lente et installation tranquille par dessus un front froid pour les remplacer Nuages de type cyrrus peuvent annoncer le front 1000 [km] à l’avant de celuicelui-ci Pré Précipitations associé associées moins sé sévères que celles des fronts froids mais plus étendues dans le temps et l’espace (300(300-400 km) Aprè Après passage, air plus chaud et plus humide Brise de mer et brise de terre Phé Phénomè nomène diurne Phé Phénomè nomène nocturne 26 Brise de vallée et brise de montagne Elé Elévation par convection: possibilité possibilité de pré précipitations en fin de journé journée Descente par gravité gravité sous l’l’effet du refroidissement: possibilité possibilité de brouillard si air du fond de vallé vallée plus humide Fœhn (du Sud) • • • • • • Fort courant du SS-SW en altitude auau-dessus des Alpes Air humide arrive de Gênes et s’él ’élève auau-dessus des premiè premières montagnes Avec l’l’ascendance, refroidissement et condensation donc pré précipitations sur le flanc Sud des Alpes Au Nord, le flux descend le long des pentes, se ré réchauffe et s’ s’assè assèche Sur le Plateau, rencontre des masses brumeuses d’ d’air froid donc inversion d’ d’altitude Dissipation progressive de la nébulosité bulosité dans les Pré Préalpes. Formation de nuages lenticulaires 27 Observations • Arrivé Arrivée subite d'un vent de tempête venant de • • • l'ouest, descendant des hauteurs des Alpes dans les vallé vallées et le plat pays Augmentation exceptionnelle de la tempé température de 10 à 20° 20°C, extrême transparence de l'atmosphè l'atmosphère et formation de nuages lenticulaires particuliers dans le ciel bleu Particuliè Particulièrement important en hiver: fonte des neiges et vé véritable temps de printemps en l'espace d'une nuit Sec et chaud lorsqu'il arrive à basse altitude. 3000 m Tair=7.5 Tair=7.5°°C Description physique 1500 m Tair=15 Tair=15°°C Tair=37.5 Tair=37.5°°C Tair=30 Tair=30°°C • Pré Présence né nécessaire de hautes montagnes qui obligent l'air en • • • mouvement à s'é s'élever jusqu'aux crêtes, mais ne l'empêchent pas de redescendre dans les vallé vallées En s’é ’élevant, levant, l'air atteint des zones de moindre pression et se s refroidit (refroidissement adiabatique) en moyenne de 1° 1°C par 100 mètres (si pas de nuages) En altitude, le refroidissement élimine une partie de l’l’humidité humidité contenue dans l’l’air par formation de nuages et pré précipitations (pluie ou neige). En outre, la chaleur emmagasiné emmagasinée est libé libérée et réchauffe l'air. Le refroidissement adiabatique se trouve ainsi « freiné freiné » de 0,5 °C en moyenne tous les 100 mè mètres Aprè Après le passage des crêtes, les nuages se dispersent rapidement, car l'air, plus chaud, ré récupè cupère plus de vapeur d'eau gazeuse. L’ L’air redescend ensuite dans la vallé vallée et se ré réchauffe totalement de maniè manière adiabatique (1° (1°C par 100 m). 28 19.02.2006 : situation de fœhn en Suisse 17.02.06: Formation d’ d’une dé dépression sur le Golfe de Gascogne 18.02.06: la dé dépression traverse la France 19.02.06: A l'avant de cette dé dépression, un puissant courant de sud à sudsud-ouest souffle au dessus des Alpes à une vitesse d'environ 90 à 130 km/h (vent moyen) à 3000 m. Ce puissant courant d'altitude, associé associé à un trè très fort gradient de pression, provoque la mise en place d'une situation de foehn marqué marquée au Nord des Alpes. Lié Liée à cette situation de foehn, d'abondantes pré précipitations de barrage se produisirent au sud des Alpes Le foehn se lè lève dimanche matin dans toutes les vallé vallées alpines et s'é s'éteint dimanche soir vers 19h00. Il souffle jusque sur le lac Lé Léman, la ré région de Zü Zürich, et s'é s'étend même trè très avant sur le lac de Constance. Sous son influence, les tempé températures grimpent jusqu'à jusqu'à 13 degré degrés dans les fonds de vallé vallées, comme par exemple à Aigle, Altenrhein ou encore Lucerne 29
