6. Le vent près du sol dans les système météorologiques

SCA2625 Dynamique E-1
6. Le vent près du sol dans les système météorologiques
Près du sol le vent perd son énergie cinétique par frottement qui ralenti le vent (comme une force).
Vh
sol
Force de frottement
r = - a Vh
Figure DynE-1: Force de Frottement,
r
, par unité de masse. a est le coefficient de
frottement.
Le résultat est que le vent ne suit pas les isobares exactement mais se tourne un peu vers la basse
pression. Les effets sont importants. D'abord le vent au sol converge dans les basses pressions et
les creux de pression produisant (conservation de la masse) du mouvement ascendant qui, à son
tour, produit les nuages bas et la précipitation. Cela est la cause du mauvais temps dans les
dépressions et les creux. Par contre, le vent au sol diverge dans les anticyclones et les crêtes de
pression. Donc ces derniers sont associés au mouvement descendant et, par conséquent, de
l'absence générale des grandes zones de nuages et de précipitation.
source: Lutgens et Tarbuck 1986
Figure DynE-2: La direction du vent près du sol observée dans les systèmes
météorologiques (taille horizontale de l'ordre de 1000 km).

SCA2625 Dynamique E-2
Source: Lutgens et Tarbuck 1986
Figure DynE-3: : Schéma de la circulation d'air associée aux cyclones et aux anticyclones.
(a) Les vents convergents sur le plan horizontal en surface et l'air ascendant sont associés
aux dépressions ou cyclones.
(b) Les hautes pressions ou anticyclones sont associées à de l'air descendant et des vents
divergents sur le plan horizontal en surface.
Le frottement produit une force de friction près du sol. Cette force est dirigée essentiellement dans
la direction opposée à la direction du vent et elle est proportionnelle à la grandeur de la vitesse du
vent:
r = - a Vh
E-1
où a est le coefficient de frottement qui dépend du turbulence qui dépend de la nature de la surface,
de la vitesse du vent et de la stabilité de l’air.

SCA2625 Dynamique E-3
Source: Lutgens et Tarbuck 1986
Figure DynE-3: Comparaison entre les vents en altitude et les vents de surface montrant
les effets de la friction sur le déplacement de l'air. La friction ralentit la vitesse des vents
de surface et diminue donc la force de Coriolis. Ceci a pour effet que les vents coupent à
travers les isobares.
En effet, il existe aussi une quasi-équilibre entre les trois forces horizontales près du sol :
frottement, Coriolis et gradient de pression.
La somme des forces de pression, Coriolis et frottement est donc
0 = - 1
ρ∇p + f k × V - aV (E-2)
Multiplions l’éq. E-2 par k × et notons que k × k × V = -V
0 = - k × 1
ρ∇p + f V - a k ×V(E-3)
Multiplions l’éq. E-3 par f/a, on trouve que
f k ×V = - f
ak × 1
ρ∇p + f2
a V (E-4)
En substituant E-4 dans E-2 et gardant tous les termes avec
V
sur la coté gauche, on trouve
V a + f2
a = -1
ρ∇p + f
a k × ∇p(E-5)
Notons que a + f2
a = a2 + f2 a
(E-6)
on trouve que V = a
a2 + f2 - 1
ρ∇p + f
a k × ∇p
(E-7)

SCA2625 Dynamique E-4
Il y a donc deux composantes du vent: Une dans la direction de la force de gradient de pression
(opposée du gradient de pression : de la haute pression vers la basse pression).
V = a
a2 + f2 - 1
ρ∇p
et aussi une autre composante parallèle aux isobares avec la basse pression à sa gauche.
V = a
a2 + f2 f
a k × ∇p
1000 hPa
1004 hPa
1008 hPa
Advection de
l'air froide Pas d'advection
Frontogénèse
Frontogénèse
0 C 5 C 10 C 15 C 20 C
Figure DynE-4: La convergence due au frottement du vent dans les dépressions et les
creux en surface créé l'augmentation du gradient de température (des fronts) et du
mouvement ascendant (voir Figure DynE-3) et donc des nuages et précipitation. Les
fronts sont donc associés à du mauvais temps.
Formation des zones frontales (zones de forts gradients de température dans les creux et
les dépressions
Notons aussi que la convergence du vent au sol dans les dépressions et les creux augmente le
gradient horizontal de la température dans ces systèmes et crée les fronts (zones de fort gradient de
la température). Nous trouvons ainsi que les fronts sont attachés aux dépressions et se trouvent
généralement dans les creux de pression. Les fronts sont donc associés au mauvais temps.

SCA2625 Dynamique E-5
7. La source des systèmes de météo : La divergence et la convergence
en altitude.
Figure DynE-5: Pression à la surface de la Terre = poids de l’air au-dessus
Nous avons vu que la pression au sol égale le poids de l'air au-dessus. Donc pour créer une chute
de pression au sol, il faut enlever sur le plan horizontal (par divergence) de l'air de la colonne. Nous
avons vu qu'à cause des effets de frottement, le vent au sol converge dans une basse pression. L'effet
du frottement est donc d'augmenter la masse dans la colonne au-dessus d'une basse pression et de
la combler. Ainsi, l'existence d'une dépression exige la divergence de la masse au-dessus de celle-ci
(voir la figure DynE-3).
Il existe plusieurs sources de divergence (convergence) qui créent des dépressions (haute pressions)
et des creux (crêtes):
-un maximum de réchauffement (refroidissement) dû au dégagement (absorption) de chaleur latente
(exemples: ouragans, zone de convergence intertropical,…)
-un maximum de réchauffement (refroidissement) du à l'advection de l'air chaud (froid) (exemples:
fronts chauds, fronts froids,…)
-un maximum de réchauffement (refroidissement) dû au dégagement (absorption) de chaleur
sensible (exemples: creux sur les grandes lacs en hiver)
-lorsque le vent s'éloigne (s'approche) des obstacles orographiques
-lorsque le vent souffle d'un creux (crête) vers une crête (creux)