cours : bases

MODULE C01 – Climatologie et
Hydrologie
- Cours jeudi de 14 à 16h (Amphi I)
- 3 groupes de travaux dirigés (démarrage la semaine prochaine)
- Intervenants : 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
(03/11) 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 principalement) 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 : par exemple,
- 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 météorologiques hier vers 13h TU
- Températures plutôt
chaudes pour la
saison au sud
(jusqu'à +32°C en
Provence)
- Températures plus
conforme à la saison
du SW au 2/3 nord de
la France (+16°C en
Bretagne, en
Lorraine, dans le
Morvan)
- Quel est le contexte
météorologique à
plus vaste échelle ?
(www.infoclimat.fr)
1
Le temps météorologique d'hier = une expression du
climat d’un automne européen « normal » …
1
un anticyclone
protège une bonne
partie de l'Europe
au sud de 50°N et
les perturbations
tempérées sont
rejetées sur une
route assez
septentrionale du
centre de
l'Atlantique Nord
vers la Scandinavie,
même si des nuages
passent au-dessus
du nord de la France
(ce qui y diminue
l'apport radiatif)
Qu'est ce qui expliquent les conditions
météorologiques d'hier (temps clair et chaud, 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 (43°30', facteur planétaire et fixe). Nous sommes juste
avant 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)
et elle baisse aussi en moyenne vers le nord (le soleil est de moins en moins haut dans
le ciel en allant vers le nord dans l'hémisphère nord)
- les conditions atmosphériques transitoires qui changent plus ou moins vite.
Depuis plusieurs jours, nous connaissons des conditions anticycloniques (ciel clair avec
fort apport solaire + subsidence qui comprime l'air vers la surface) + un flux faible
provenant du sud (apport de chaleur par la circulation de l'air) = temps sec et plutôt
chaud.
- 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 position géographique) d'autres lents (le cycle annuel du rayonnement
solaire), et d'autres encore plus rapides (la circulation atmosphérique).
Le climat = intégration temporelle des conditions
météorologiques instantanées
1
- le temps peut changer radicalement d'ici une à deux semaines …
- 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
agissant 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
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
- À 2 m (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
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 :
UV
IR
Longueur d'onde et quantité
totale de rayonnement émis
sont proportionnelles à la
température de l'émetteur
nm = nanomètre
= 10⁻9 mètre
visible
(wikipedia)
(1) rayonnement : propagation d’ondes électro-magnétiques à la vitesse de la
lumière dans le vide : n'importe quel objet > 0K émet du rayonnement électromagnétique. Notre oeil s'est adapté au rayonnement solaire (« visible ») mais la terre,
l'air, nous-mêmes émettons aussi du rayonnement dans l'infra-rouge (invisible)
Température : définition et signification
2.1
(2) conduction : transfert de chaleur « sensible » du + chaud vers le – chaud par
contact moléculaire (peu efficace dans le système climatique)
(chaud)
(froid)
Conductibilité thermique relative par rapport à celle du cuivre (= 1) : granite = 0.0056,
eau = 0.0015, air = 0.000067.
(3) convection : transfert de chaleur du + chaud vers le - chaud 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
Température : définition et signification
2.1
(4) changement d’état de l’eau : en fournissant de l'énergie thermique à un corps,
on peut le faire changer d'état : 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).
B: lieu de la condensation (du gaz au liquide)
liée en général au refroidissement de l'air et
qui libère la chaleur « latente » transportée
par la vapeur d'eau
Ce mécanisme combinant changement d'état
de l'eau et convection/advection transporte
de la chaleur « latente » de A vers B, la
quantité étant proportionnelle à la quantité
de vapeur d'eau condensée
A: lieu de l'évaporation (du liquide vers le
gaz) qui nécessite un apport de chaleur et de
l'eau disponible
2.1
Température : définition et signification
La température reflète la quantité d'énergie thermique. Qu'est ce qui alimente
l'énergie thermique ? ou bien qu'est-ce qui fait qu'il fait « chaud » à un moment donné
et à un endroit précis ?
Soleil haut dans le ciel avec
une incidence (= angle avec
la surface) élevée
Un apport
horizontal
(=
advection)
de chaleur
par le vent
depuis une
région plus
chaude
Un mouvement
vertical
atmosphérique
vers le bas, ce
qui entraîne une
compression (qui
réchauffe un
gaz)
Surface chaude qui va
émettre beaucoup de
rayonnement infrarouge et de la chaleur
« sensible » (=
conduction)
Une atmosphère humide
(la vapeur d'eau est le
principal gaz à effet de
serre qui absorbe bien le
rayonnement infrarouge)
Température : moyenne annuelle
2.2
- géographie zonale de part et d’autre d’une région tropicale (au sens large ; 30°N30°S) assez uniformément chaude > 25°C
- la zonalité est particulièrement nette dans l'hémisphère sud
- l'Antarctique est nettement plus froid que l'Arctique
- dissymétries dans le détail : régions anormalement froides (ex. Tibet), remontée
des isothermes vers le nord vers l'est du Pacifique et de l'Atlantique Nord etc.
Température : moyenne annuelle
2.2
Trois causes fondamentales aux dissymétries ;
(1) le relief (par ex. Himalaya, Andes, Ethiopie plus froids que leur environnement)
(2) la continentalité (par ex. Antarctique Est plus froid que l' Antarctique Ouest plus
bas et plus « océanique »)
(3) le rôle de la circulation atmosphérique et océanique (par ex. Atlantique Nord-Est
et Europe plus chaud que le Québec et la Baie d'Hudson ou la Sibérie en raison de la
circulation majoritairement d'ouest + rôle des courants marins)
2.2
Température : moyenne annuelle
RS incident au sommet de l'atmosphère
Un facteur ultra-dominant
explique en grande partie la
géographie des températures : le
rayonnement solaire
RS incident en surface
RS absorbé en surface
- Incident au sommet = 324 W/m2, soit le ¼ de la constante solaire (1367 W/m2), qui
est le rayonnement solaire intercepté par le disque terrestre (= 100 unités) : effet de la
géométrie terrestre et de la projection associée des rayons solaires sur une surface de
plus en plus grande en montant en latitude (1)
- Incident en surface = 60 unités (20 unités absorbées et 20 unités reflétées par
l'atmosphère) : (1) + filtrage atmosphérique et nuages (très abondants le long de
l'équateur et aux latitudes sub-polaires de l'hémisphère sud) (2)
- Absorbé en surface = 50 unités (10 unités reflétées par la surface) : (1)+(2) +
réflectance de la surface (très importante au-dessus de la glace et très faible au-dessus
des océans)
Température : moyenne annuelle
2.2
- géographie zonale (moyenne de la carte = 170 W/m2)
- un facteur ultra-dominant : la géométrie terrestre = rayons solaires de plus en plus
inclinés en moyenne au fur et à mesure qu’on monte en latitude = la même quantité
d’énergie est répartie sur une surface de plus en plus grande (effet de projection) et
l’épaisseur atmosphérique à traverser croît (effet de filtrage)
- des facteurs secondaires: couverture nuageuse (les nuages reflètent bien le
rayonnement solaire), nature de la surface terrestre (l’eau absorbe plus de
rayonnement solaire que les continents, notamment ceux enneigés), etc.
Exemple de questions en 10 minutes
1. La convection est plus efficace que la conduction pour transférer la
chaleur au sein du système climatique : V/F ? 1. vrai
2. Quelles sont les latitudes les plus froides de la terre ?
2. Pôle sud (ou 90°S)
3. Quelle est la valeur de la constante solaire (à 10% près) en W/m 2 ?
3. 1367
4. Quel est le principal facteur explicatif de la géographie des températures
moyennes annuelles ? 4. la rotondité de la terre
5. La terre (surface et atmosphère) absorbe 70% du rayonnement solaire
5. vrai
incident : V/F ?
6. Quel est le principal réflecteur du rayonnement solaire à la surface
6. neige (ou glace)
terrestre ?
7. A combien correspond une température de +15°C en degrés Kelvin ?
7. 288K (273+15)
8. Quelles sont les latitudes délimitant la zone tropicale au sens large ?
8. 30°N-30°S
9. Quelle est la latitude du cercle polaire nord ?
9. 66°33'N
10. Qu'est ce qu'une zone climatique ?
10. une bande de latitudes autour de la terre