La météorologie

Météorologie
Définition
Etude de l’atmosphère
 Variabilité des conditions
Fait
 Observation d’un phénomène
 Analyse  modélisation
 Prévision
Cause
3 manières de fonctionnement du cerveau
 Fait  cause
 Cause  fait
 Les 2
Observation = problématique
Problème géographique et de Temps
Analyse
Modélisation par des lois thermodynamiques  modèle mathématique
Prévisions
Limites liés au temps (prévision valable 3h)
Organisation mondiale de la météorologie (OMM)
En 1796 la météo est d’utilisation militaire. Lamarck est le premier à faire des prévisions
division  observatoire de Paris.
1951  ONU gère l’OMM (toujours le cas)
Siège  Genève, centralise les informations
173 états
6 divisions
 Asie
 Afrique
 Europe
 Amérique centrale du Nord
 Amérique du Sud
 Pacifique Sud-Ouest
Observation en surface fonctionne par comparaison des informations et des relevés météo.
 Pression
 Température
 Taux d’humidité
 …
 Coordonner les observations
 Temps : UTC (Universal Time Coordonate) = heure de Greenwich
Observation toutes les 3h (0h, 3h, …. , 21h, 24h : heure de Greenwich pour toutes les
stations).
Observation en surface
 10058 stations d’observation
 France, 137 en métropole et 60 outre-mer
 Bateaux 5000
Observation en altitude
Ballons sondes
Relevés sur la totalité de la masse d’air.
Lancement 2 fois par jour (0h et 12h UTC).
7 stations
 Brest
 Trappes
 Nancy
 Lyon
 Nîmes
 Bordeaux
 Ajaccio
Observation radar
 Objectif : mesure des vents par leurs conséquences : masses nuageuses
26 radars en France  Aramis
Observation par satellite
 A défilement
 Géostationnaire
Atmosphère
Atmos : vapeur (grec)
Spheria : sphère
130km d’épaisseur
D’un point de vue météorologique, on considère qu’elle mesure 30km.
D’un point de vue conventionnel, elle commence au niveau de la mer.
D’un point de vue physique, elle imbriquée dans la surface de Terre.
Entre 0 et 5km
50% de la masse de l’atmosphère
Entre 0 et 16km
90% de la masse
Entre 0 et 30km
99% de la masse
Composition
 Azote 78,09%
 Oxygène 20,95%
 Argon 0,93%
 CO2 0,03%
 Gaz rares traces
 Vapeur d’eau
Atmosphère standard
P = 1013,15 hPa
T = + 15°C
g = 9,80665 m.s-2
Gradient vertical de T = –2°/1000ft
Ttropopause = – 56,5°C  inversion de T
Transfert de chaleur dans l’atmosphère
La conduction
La transmission de chaleur par contact.
Très faible dans l’atmosphère.
Les corps en jeu sont de très mauvais conducteurs.
La convection
Répartition de la chaleur sur toute la hauteur d’un fluide chauffé à sa base  courant de
convection.
Rôle très important, phénomènes météo les plus spectaculaires.
Le rayonnement
Ne nécessite pas de support matériel.
Rayonnement  photons
phénomène ondulatoire (λ)
rayonnement réfléchi
Albedo = rayonnement incident entre 0 et 1
Procédures
Action :
 De mémoire pour les procédures normales et certaines d’urgence
 Lues pour les procédures occasionnelles
Vérification, à 2 avec la checklists :
 1 lit (PNF) + vérifie, l’autre vérifie + répète « item »
Pression
Force appliquée sur une surface.
f (N)
P (Pa) = s (M2 )
Loi des Mariottes (1976)
P × Volume = constante à température constante
La constante dépend de la température et de la masse volumique.
La pression et le volume sont inversement proportionnels.
Loi de Dalton
Ptotale = ∑ Ppartielles
Dans l’atmosphère : Pa = P + e
gaz atmosphérique vapeur d’eau
Pression atmosphérique
Pression qui s’exerce sur l’atmosphère.
f mg
P=s= s
dz
La force qui s’exerce sur la colonne sur une surface précise.
s=1
P = mg ≡ (P + dP) – P
P – (P + dP) = mg
Volume = S dz
dP = mg
m = ρ V = ρ s dz
masse volumique
Loi d’équilibre hydrostatique
dPression = ρ dz g
Variation de pression atmosphérique
Variations régulières
Variations nycthémérales (période de 24h)
Maximum 1 hPa
 8h  22h en été
 10h  20h en hiver
Variations annuelles
Continents pression hiver > pression été
Océans pression hiver < pression été
Variations irrégulières
Ce sont les plus importantes dans l’atmosphère.
Variation lentes : 5 à 10 jours
Plusieurs dizaines hPa
 Déplacement des masses d’air
Variations rapides : – 10h
Jusqu’à 30 hPa
 Orages
Variations en fonction de l’altitude
dz
25km 5hPa
1013hPa
dP
0
Géopotentiel ϕ
g est fonction de l’altitude, plus on monte et plus g diminue
Définition
En un point situé à une altitude donnée, le géopotentiel de ce point est l’énergie que l’on
doit appliquer pour contrer g.  L’énergie dépensée pour amener ce point au sol.
Unité : mètre géopententiel = mgp
1 mgp = 9,81J.kg-1
Cartes de pression
Carte isobare
995
990
985
980
D
A
1020
1010
1000
Anticyclone
Système d’isobares fermées dont la cote croit vers l’intérieur.
A altitude équivalente, la pression est plus élevée.
985
990
A
Dépression
Système d’isobares fermées dont la cote décroit vers l’intérieur.
A altitude équivalente, la pression est moins élevée.
990
985
980
D
Marais barométrique
Zone étendue sans variation de pression.
Carte isohypse
Carte représentant l’altitude d’une isobare.
Par exemple 700mb (millibar)
2890
2885
2880
D
Température
La température n’est pas une grandeur mesurable mais repérable.
On utilise des échelles de température arbitraire.
Echelle Celsius, variation linéaire
 Fusion de la glace  O °C
 Ebullition de l’eau  100 °C
Echelle Kelvin, absolue
 Glace fondante  273,16 K
 Ebullition de l’eau  373,16 K
 0 absolu = 0 K
Echelle Farenheit
 0 °C = 32 °F
 100 °C = 212 °F
9
 T(°F) = T(°C) + 32
5
Variation de température
Variation nycthémérale
Température
maxi
mini
temps
lever du soleil
+½h
méridien
+ 2h
L’amplitude dépend
 La saison
 La latitude
 La nature du sol
 L’humidité
 L’altitude
 Nébulosité
Variation annuelle
T(°C)
Equateur
Paris
0°C
Sibérie
Température virtuelle Tv
Equation des grandes pressions
PV = nRT
Atmosphère : gaz + vapeur d’eau
P = ρRT
ρ : masse volumique de l’atmosphère (gaz + vapeur d’eau)
R = Ra : constante du gaz sec (sans vapeur d’eau)
P = ρ Ra T v
Tv : température qu’aurait l’air sec pris dans les mêmes conditions que
l’atmosphère considéré (Pρ  ρ = ρa)
Rapport de mélange r
m
r = mv
a
mv : masse volumique de l’air sec à température Tv
ma : masse volumique de l’air sec à température T
Tv = (1 + 0,608r) T
Tension de vapeur d’eau
On considère l’air sec comme un gaz parfait.
On considère l’élévation (ou l’affaissement) d’une particule d’air comme adiabatique.
Gradient adiabatique
dT
−2°C
−9,8°C
=
=
dz 1000ft 1000m
Tension de vapeur réelle e
PT = ∑Ppartielles = Pair sec + e
e : pression partielle de la vapeur d’eau
Tension de vapeur d’eau saturante ew
Pression maximale atteinte au moment où l’équilibre entre les phases gazeuses et liquide est
rompu.
Saturation  e = ew
Relation entre e et r
e
m
r = 0,622 (P−e) = mv rapport de mélange réel
a
pression air sec
e
rw = 0,622 (P−ew
w)
e
vapeur d’eau
+ glace
+ eau liquide

Instable
ew = f(T)
eice = f(T)
T négative
rapport de mélange saturant
T positive
Nuages
Genre  forme
Espèce  forme + structure interne
Variété  caractéristiques particulières
Etage  hauteur moyenne
Le genre
Cirrus
 Altitude
 Forme lenticulaire
 Glace
Cirrocumulus
Cirrostratus
Altocumulus
Altocumulus
Nimbostratus
Stratocumulus
Cumulus
Cumulonimbus
T(°C)
Emagramme
Altitude (m)
Pression
2500 750hPa
2000 800hPa
1500
Courbe d’Etat
1000 910hPa
500
-10
0 1000hPa
5 10
20
30
T(°C)
1ière étape :
On observe « l’état » de l’atmosphère.
P = P a Ta T v
Par ballon sonde on mesure la température correspondante à une pression  points d’Etat.
Emogramme 45°
2500
750hPa
2000
800hPa
1500
-20°C
1000
-10°C
500
-5°C
0
900hPa
1000hPa
5°C
10°C
20°C
2ième
étape :
On trace la courbe d’Etat.
C’est l’état (la composition) de l’atmosphère en 1 point géographique donné et à un instant
donné.
3ième étape :
Elévation d’une particule non saturé.
Elle subit une élévation ou diminution adiabatique.
4ième étape :
Elévation d’une particule saturée  pseudo-adiabatique.
5ième étape :
Prévision Pression, Température, Humidité.
r
H% = 100 r
w
0m
510m
950m
1500m
2000m
2500m
3000m
3500m
4000m
12°C
14,5°C
10°C
8°C
4°C
-3°C
-6°C
-10°C
-7°C
(sondage)
8h00
10h00
12h00
14h00
16h00
Température prévisionnelle
12°C
20°C
24°C
26°C
28°C
Base et sommet des cumulus
A 15h : T°prévue = 23°C
Saturation prévue = 6°C
Humidité
Particule saturée  e = ew
Saturation à P = constante
Particule 20°C à 1000m.
Givrage
2 solutions contre
 Antigivrage  circulation d’air chaud
 Dégivrage  gonflage d’un ballon (dernier recourt quand le givre est déjà là)
Altimétrie
Evangelista Torricelli (1608 – 1647)
Le Torr
vide
1m
mercure
Altimètre : baromètre différentiel
Application à l’aéronautique
Altitude vraie : altitude ou hauteur topographique  indépendante des conditions météo
Altitude pression : ΔP dépend des conditions atmosphériques
QFE : altitude pression = atmosphéric pressure at field elevation
QNH : altitude pression = atmosphéric pressure at nautical height
Fonctionnement par différence de pression
Pression de référence  calage altimétrique
Calage QFE : c’est le calage qui consiste à afficher dans la fenêtre la pression au niveau du
terrain
En pratique : l’avion au sol, on affiche 0 sur l’altimètre et on lit la valeur QFE dans la fenêtre.
Calage QNH : c’est le calage qui consiste à afficher dans la fenêtre la pression qui règne au
niveau de la mer (en considérant la variation de pression/altitude comme standard)
pression vraie
variation vraie
variation standard
P
En pratique : l’avion au sol  afficher l’altitude vraie
L’avion en vol : Zi = H + Zt avec Zt amplitude topographique
QNH : pression théorique et pas réelle au niveau de la mer
Le QFE est réel, on part de la pour déterminer le QNH.
Calage 1013,25 hPa (mb) ou 29,92 inHg (inch mercure)
On affiche dans la fenêtre la pression au niveau de la mer en atmosphère standard.
C’est le calage des niveaux de vol (FL = flight level)
FL 100 = 10 000 ft (1013,25 hPa) QNE
Relations de passage
Zt
QNH = QFE + 27,5
QNE = (1013 – QFE) 27,5
QNE = (1013 – QNH) 27,5 + Zt
ΔZ (ft)
= 27,5
ΔP(hPa)
Exercice :
Un avion vole à une altitude indiquée Zi de 29 900ft avec l’altimètre calé à 990hPa.
Quelle serait son altitude indiquée si son altimètre était calé à 1000hPa ?
𝑥 − 29900
= 27,7
10000 − 990
x = 30 175 ft
Exercice :
Un avion est posé sur un aérodrome dont l’altitude vraie est 200m.
L’altimètre est calé à 996 = QFE.
 Quelle est l’altitude indiquée ? 1m = 3,28ft
Zi = 0
 Quel est le QNH ?
Zt = 200*3,28 = 656 ft
𝑍𝑡
QNH = QFE + 27,5
QNH = 1020hPa
Exercice :
Zt = 8355ft ; QNH = 1000hPa
𝑍𝑡
QFE = QNH – 27,5
QFE = 686,2hPa
Correction de calage
Hypothèse : en un même point, 2 altimètres sont calés à des QNH (QNH1 et QNH2)
différents.
ZiQNH2 = ZiQNH1 + (QNH2 – QNH1) 27,5
Correction de température
Tvmoy
ΔZvraie = ΔZi Tstd
moy
avec T en Kelvin
Si Tv > Tstd alors ΔZv > ΔZi.
Plus chaud que la température standard  plus haut que l’altitude affichée par l’altimètre.
Si Tv < Tstd alors ΔZv < ΔZi.
Plus froid que la température standard  plus bas que l’altitude affichée.
Exercice :
Un avion veut se poser sur un terrain Zt = 7625ft, QNH = 1005hPa, T = 5°C.
 Quel est le QNE ?
QNE = (1013 – QNH) 27,5 + Zt
QNE = 7845hPa
 Le pilote affiche le QNE à l’index de l’altimètre. Quelle valeur devra-t-il lire sur son
altimètre lorsqu’il passe à 10NM (2875ft) DME (Ts = 272,3°) ?
Tvmoy
ΔZv = ΔZi Tsdtmoy
Zi = Zv
Tsdtmoy
Tvmoy
= 2816ft
Triangle des vitesses
Pour une voiture la vitesse est calculée par rapport à la Terre.
Pour un avion elle est calculée par rapport à la masse d’air.
Vp = Vs si Vw = 0
⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗w
Vs = ⃗⃗⃗⃗
Vp ± V
Vp = vitesse propre ; Vs = vitesse sol ; Vw = vitesse du vent
Détermination graphique
On part de la Vp.
Dérive
⃗⃗⃗⃗𝑤
gauche
𝑉
⃗⃗⃗
𝑉𝑠
⃗⃗⃗
𝑉𝑝
dérive droite
⃗⃗⃗⃗𝑤
𝑉
⃗⃗⃗𝑝
𝑉
⃗⃗⃗
𝑉𝑠
Dérive : angle entre Vp et Vs (soit gauche, soit droite)
Vitesse lue sur le badin IAS = Indicated Airspeed (vitesse indiquée)
C’est une vitesse air.
Ki = coefficient d’erreur instrumentale
IAS + Ki = CAS = Calibrated Airspeed (vitesse calibrée)
Kc = coefficient de compressibilité (< 1)
CAS + Kc = EAS Estimated Airspeed (vitesse estimée)
EAS
= Vp (TAS = True Airspeed : vitesse vraie)
√δ
Nombre de Mach (M)
C’est le rapport entre la vitesse de l’avion dans la masse d’air et la vitesse du son dans cette
même masse d’air.
TAS
M = C sans unité
TAS dépend de δ et C : vitesse du son
C ne dépend que de la température de l’air
Cen kt = 39 × T°
Cen m/s = 20,1 × √T°
Exercice :
Sur une route donnée, on relève :
 Cap vrai, Cv = 005°
 Vitesse propre = vitesse sol
 Vw = 90°/vitesse inconnue
Quel cap vrai doit-on prendre pour revenir sur la route exactement inverse, la Vp et Vw
étant identique ?
Dérive aller = dérive retour (norme).
165°
Nord
Vsretour
Vpretour
Dérive Vw
Vs
10 °
Vp
5°
Départ
Le cap est toujours associé à la Vp et la route à la Vs.
Nord 000°–360°
Ouest 270°
Est 90°
Sud 180°
Point équitemps
Le temps de vol entre le point de départ et le point d’arrivé est égale au temps entre le point
d’arrivé et le point d’équitemps.
D
Arrivée
d
équitemps
d = D × Vsol
départ
Vsolretour
aller
+ Vsolretour
Point de non-retour
On tient compte de l’autonomie de l’avion sous la forme du temps de vol initial T.
Vsolaller × Vsolretour
d=T
en NM (Nautic Mile), T en h et le reste en kt (nœuds)
Vsolaller + Vsolretour
Vsolretour
t = T × Vsol
aller
+ Vsolretour
en h
Exercice :
Un aérodrome A est situé à 212NM dans le 280° d’un aérodrome B.
Un avion de Vp = 220kt passe vertical A à 08h37. Son prochain point de report est vertical B.
Le vent Vw = 030/50kt.
Déterminer l’heure de passage au PET (point équitemps) entre A et B.
Vsaller = 200 kt
Vsretour = 230 kt
d = 113,4 kt