le systeme climatique

MODULE C01 – Climatologie et
Hydrologie
- Cours jeudi de 14 à 16h (Amphi I)
- 3 groupes de TDs les mardis et mercredis
- Intervenants : R. Capanni, R. Barbero & V. Moron
- Pour toute demande relative à ce cours, vous devez m’envoyer un
e-mail obligatoirement avec l’en-tête « CO1 : … » à
[email protected]
- Les cours sont en accès libre chaque jeudi soir sur le site de l’UFR
- Modalités du contrôle des connaissances
- première session ; contrôle continu = 50% et contrôle final
(dissertation de 3 heures) = 50%. Le contrôle continu se
décompose en un examen de mi-semestre (= 35%) en amphi
(04/11) et des exercices en cours/TD (= 15%)
- seconde session et dispensés du CC ; contrôle final = 100%
- optionnaires ; cours n°1-6 (2 x 6 = 12h) et 9 premiers TDs (3 x
9 = 27h)
Objectifs du module C01
- Apprendre les bases de la répartition spatiale et des variations
temporelles (au cours de l’année et de la journée) des principales
variables climatiques (températures, précipitations, vents etc.) et
leurs facteurs explicatifs
- D’abord décrire les phénomènes en les hiérarchisant (notion
d’échelle spatiale)
- … puis les expliquer en conservant la hiérarchie descriptive.
- Les facteurs explicatifs sont en nombre restreint;
- le rayonnement solaire absorbé
- la géométrie et la géographie terrestre (répartition des
continents, forme des bassins océaniques, contraste terre-mer
etc.)
- les reliefs terrestres
- toutes les interactions entre les éléments du système climatique
(par exemple, le champ des températures détermine en partie la
circulation de l’air et de l’eau, qui à son tour influence le champ
des températures ...)
Articulation cours/TD
- Cours : bases générales avec examen des principaux éléments
(géographie des températures, précipitations et de leur
principaux facteurs explicatifs). L’échelle spatiale privilégiée est
planétaire et zonale.
- TD : examen détaillé de la géographie des variables climatiques et
surtout exploration des mécanismes précis. Une calculatrice est
utile en TD.
Plan général du cours
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Introduction
Les températures
Les précipitations et le cycle de l’eau
La circulation atmosphérique et océanique
Les climats
Exemples de climat à l’échelle régionale
Conclusion
1
Le climat : qu’est que c’est ?
1
Klima = inclinaison. Cela fait référence au premier facteur explicatif
de la géographie des climats : le rayonnement solaire et
notamment son inclinaison (= incidence) sur la surface
terrestre.
-
climat = temps qu’il fait et temps qui passe. Théoriquement, le
climat d’un espace repose sur la moyenne au moins trentenaire des
conditions atmosphériques définies par les températures, les
précipitations, la pression atmosphérique, le vent etc.
-
contrairement au temps météorologique qui est directement
sensible, le climat est une notion relativement abstraite. Cependant,
nous intégrons de fait le climat (15°C nous paraît très frais en juillet
et très chaud en janvier …) et l’ensemble du monde végétal s’adapte
aux conditions météorologiques sur le long-terme, c’est-à-dire le
climat. Par ailleurs, le temps météorologique et le climat
répondent aux mêmes règles physiques
-
Les conditions thermiques ce matin entre 7h et 7.30h TU
- Températures plutôt
douces pour la saison
(10° à 20°C) avec
une croissance du NE
(+ massifs
montagneux) vers les
côtes W et S
- Environ +14°C à
+21°C en Provence
(soit +4° à +5°C audessus des normales
de saison)
- Quel est le contexte
météorologique à
plus vaste échelle ?
(source : www.infoclimat.fr)
1
Le temps météorologique de ce matin = une expression du
climat d’un automne européen « normal » …
23/9/2010 à 07.00 TU (source EUMETSAT)
A2
D
A1
1
- un anticyclone sur
l'Europe centrale
(A1) en translation
lente vers l'est...
- une vaste
dépression allongée
de l'Irlande vers la
Norvège avec
remontée de
perturbations sur
son flanc est ...
- un second
anticyclone (A2) sur
le centre de
l'Atlantique
- nous sommes pour
l'instant dans un
flux de sud-sudouest avec une
perturbation en
approche sur la
péninsule ibérique
Qu'est ce qui explique les conditions météorologiques de ce
matin (temps clair et doux, peu de vent) en Provence ?
1
Mélange de plusieurs facteurs agissant à différentes échelles spatiales et temporelles
- le contexte saisonnier (facteur de l'échelle planétaire et variation temporelle lente)
et notre position en latitude (facteur planétaire et fixe). Nous sommes juste après
l'équinoxe d'automne (nuit de longueur égale au jour sur toute la terre et soleil à 90°
au-dessus de l'horizon à 12h locales à l'équateur) = la température baisse plus ou
moins rapidement depuis l'été (de moins en moins de rayonnement solaire disponible)
- la position longitudinale (facteur domanial et fixe) à l'ouest d'une masse
continentale et à l'est d'une masse océanique aux moyennes latitudes = la circulation
atmosphérique tend à se faire d'W en E. L'air nous provient préférentiellement depuis
l'océan atlantique.
- les conditions atmosphériques transitoires qui changent plus ou moins vite.
Depuis quelques jours, conditions anticycloniques avec flux provenant du sud = temps
sec et plutôt doux. Ces conditions sont en train de changer avec le décalage de la
dépression atlantique vers l'est (nuages et précipitations ce soir et demain) puis
basculement du vent au nord (mistral) à cause de la translation de l'anticyclone A2
vers l'est. En quelques jours, les conditions météorologiques vont donc changer de
sec/doux à humide et pluvieux/doux puis frais/sec (les conditions 1 et 2 n'auront pas
ou peu changer entre temps ...)
- En résumé, les conditions météorologiques instantanées s'inscrivent dans une suite
de mécanismes imbriqués les uns dans les autres dont certains sont fixes (par
exemple la latitude ou la position à l'ouest d'un continent) d'autres lents (le cycle
annuel du rayonnement solaire), et d'autres encore plus rapides (la circulation
atmosphérique).
Les conditions météorologiques il y a 8 jours (le 15/9/2010 à
12h TU) ...
1
- des éléments identiques à aujourd'hui (conditions météo locales dans le SE : doux et
sec + dépression en approche sur la Péninsule Ibérique + contexte saisonnier ~
identiques + toutes les conditions géographiques invariables)
- mais aussi de fortes différences (gradient thermique avec +12°C à Langres, +31°C à
Narbonne + circulation atmosphérique rapide d'ouest sur le nord de l'Europe avec un
anticyclone plutôt centré sur la Méditerranée + Afrique du Nord)
(source : www.infoclimat.fr)
(source : EUMETSAT)
Le climat = intégration temporelle des conditions
météorologiques instantanées
1
- le temps va changer assez radicalement entre aujourd'hui et demain …
- l'an passé, à la même date, le temps était différent … et l'an prochain, on peut
imaginer qu'il sera aussi différent ...
- cependant, la température a peu de chances d'être > 35°C ou < 5°C
- si on considère l'ensemble des conditions de septembre-octobre depuis une trentaine
d'années, on aura une idée du climat automnal en Provence = températures
intermédiaires entre été et hiver + maximum annuel des précipitations.
- de façon plus générale, le climat provençal est caractérisé par exemple par la
sécheresse estivale typique du climat méditerranéen. Cet élément climatique est
déterminant dans la végétation naturelle par exemple.
- A une échelle spatiale plus vaste, le climat de l'Europe de l'ouest est par exemple
caractérisé par une alternance saisonnière des températures, des précipitations
annuelles généralement comprises entre 500 et 2000 mm, etc.
Ainsi, le climat intègre l'ensemble des conditions météorologiques
instantanées sur une longue période (en théorie 30 années de données nécessaire
pour définir un climat), ces conditions étant dictées par des mécanismes physiques à
plusieurs échelles spatiales et temporelles
Malgré son caractère statistique, le climat participe de notre environnement ou
notre « cadre naturel » et de nombreux éléments sont fortement marqués par
les conditions climatiques (par exemple la végétation naturelle)
LES ECHELLES SPATIALES EN CLIMATOLOGIE
1
NORD
FUSEAU
REGION
DOMAINE
ZONE
SUD
GLOBE
OUEST
EST
LES GRANDES ZONES CLIMATIQUES
Pôle Nord 90°N
SENS
STRICT
définition
astronomique
66°33’N
Cercle polaire Arctique
1
ZONE POLAIRE
60°N
ZONE DES LATITUDES MOYENNES
30°N
Tropique du Cancer
23°27’N
ZONE INTER-TROPICALE
23°27’S
SENS LARGE
définition
climatique
EQUATEUR
Tropique du Capricorne
30°S
ZONE DES LATITUDES MOYENNES
60°S
66°33’S
Cercle polaire Antarctique
Pôle Sud 90°S
ZONE POLAIRE
LE SYSTEME CLIMATIQUE
~ 150 000 000 km
1
surface
continentale et
sous-sol
atmosphère : fluide
gazeux
biosphère : monde vivant
océan : fluide liquide
cryosphère : glace marine
et continentale
Les éléments du système climatique sont en constante
interaction et échangent matière (eau …), chaleur et
mouvement (vent …). L’unique source d’énergie de
départ provient de l’absorption du rayonnement solaire
- l’étude d’un système par approche analytique est intrinsèquement imparfaite :
l’exemple des champs de températures …
1
- pourquoi fait-il chaud à un endroit à un moment donné ? au moins trois mécanismes
possibles …
- parce que le soleil est haut dans le ciel et qu’il n’y a pas de nuages (=
facteur radiatif) et/ou …
- parce que le vent transporte de l’air chaud vers l’endroit précis à ce moment
là (= facteur lié à la circulation horizontale de l’air) et/ou …
- parce que la masse d’air s’affaisse vers le sol, une compression réchauffant
l'air (= facteur lié à la circulation verticale de l’air)
- dans le premier cas, l’apport de chaleur provient du soleil. Dans les deux autres cas,
il provient de la circulation de l’air lui-même. Les 3 effets peuvent se combiner.
- or, la circulation horizontale et verticale de l’air dépend partiellement du champ de
températures …
- ce raisonnement circulaire illustre l’imbrication des phénomènes à partir d’une
source d’énergie unique (rayonnement solaire absorbé)
- le cours est par essence analytique et il ne pas oublier de faire la synthèse.
Plan général de la partie 2 : les températures
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
Définition et signification
Température : moyenne annuelle
Température : cycle annuel
Température et altitude
Synthèse
2
Température : définition et signification
2.1
- mesure par rapport à une échelle
- Celsius (°C) ou centigrade ; 0°C = congélation de l’eau au niveau de la mer et
100°C = ébullition de l’eau au niveau de la mer
- Fahrenheit (°F) ; 32°F = 0°C, 100°F = 38°C
- Kelvin (K) ; 0K=-273.15°C : zéro absolu (pas de températures Kelvin négatives)
273.15K = 0°C
288.15K = 15°C
373.15K = 100°C
donc T(K) = 273.15+T(°C) et T(°C)=T(K)-273.15
- zéro absolu ?
- limite thermique infranchissable universelle
- niveau où tous les atomes sont immobiles à l’échelle microscopique
- les températures reflètent donc aussi une notion énergétique (= énergie cinétique
interne ou énergie thermique) et indiquent la quantité de chaleur au sein du
système climatique
- en surface (et sous abri), les températures observées sur terre varient dans
l’absolu entre –90°C (Antarctique central) à près de +60°C (déserts tropicaux). En
France, les records s’établissent à –33°C (Langres en décembre 1879 ; T. moyenne
mensuelle à Paris = -7.9°C) et +44°C (Toulouse en 1923). Cette valeur a sans doute
été dépassée dans le Gard (Conqueyrac, +44.1°C) en août 2003
Température : définition et signification
2.1
-au départ, un SEUL apport de chaleur = le rayonnement solaire
… cet apport de chaleur est utilisé
pour élever la température (énergie
thermique) …
… mais aussi élever les parcelles
d’air ou d’eau (un air/eau plus
chaud est moins dense et tend à
s’élever par rapport à l’air/eau
plus froid = énergie potentielle)…
… évaporer de l’eau ou faire fondre la glace (= énergie latente), …
… ou déplacer l’air et l’eau (= énergie cinétique).
- L’énergie totale (Etot) d’une parcelle d’air est donc la somme des 4 formes
d’énergie ; Etot = Et + Ep + El + Ec
- La quantité d’Et est proportionnelle à sa température ; celle d’Ep à son potentiel (~
altitude) ; celle d’El à la quantité de vapeur d’eau; celle d’Ec à sa vitesse.
Température : définition et signification
2.1
La chaleur est transportée/échangée par 4 mécanismes physiques distincts
(détaillés en travaux dirigés), qui sont susceptibles de faire varier la température à un
endroit et à un moment donnés :
- rayonnement : propagation d’ondes électro-magnétiques à la vitesse de la lumière
dans le vide (entre le soleil et le système climatique et au sein de l’atmosphère
principalement, par exemple effet de serre) : n'importe quel objet > 0K émet du
rayonnement électro-magnétique
- conduction : transfert de chaleur du + chaud vers le – chaud par contact
moléculaire (peu efficace dans le système climatique)
- convection : transfert de chaleur par mouvement vertical et horizontal (=
advection) en relation avec les gradients de densité (de l’air/eau chaud est moins
dense que de l’air/eau froid). Ce mécanisme beaucoup plus efficace que la conduction
au sein du système climatique n’est possible que dans les fluides (océan et
atmosphère) et correspond donc à la circulation verticale/horizontale de l’air et de l’eau
- changement d’état de l’eau : l’eau existe sous 3 états (solide, liquide, gaz) et le
changement de l’un à l’autre absorbe ou libère de la chaleur (les changements du
solide vers le gazeux absorbe de la chaleur et les changements du gazeux vers le
solide en libère) (cf. partie 3.1 et TD)