Meso- micro- météorologie - Groupe des Sciences de l`Atmosphère

M
Me es so o- - m mi ic cr ro o- - m mé ét té éo or ro ol lo og gi ie e
(
(S SC CA A 4 46 66 62 2) )
P
Pr re em mi iè èr re e p pa ar rt ti ie e : : m mi ic cr ro o- -m mé ét té éo or ro ol lo og gi ie e
U
Un ni iv ve er rs si
it té é d du u Q Qu ué éb be ec c à à M Mo on nt tr ré éa al l
E
Ev va a M Mo on nt te ei ir ro o, , 2 20 00 09 9

Micrométéorologie
EM‐UQÀM Page‐ 2 -
1
1. . I IN NT TR RO OD DU UC CT TI IO ON N
1
1. .1 1. . É ÉC CH HE EL LL LE ES S E EN N M MÉ ÉT TÉ ÉO OR RO OL LO OG GI IE E
«Tout est une question d’échelle…»
La principale caractéristique de la planète Terre vue de l’espace est son atmosphère où des
tourbillons de nuage se déplacent continuellement sur une planète bleue. Pour le
météorologiste, l’échelle planétaire s’est la plus grande échelle à laquelle des phénomènes
météorologiques ont lieu.
On accepte actuellement l’existence de quatre échelles de phénomènes météorologiques :
échelle globale ou planétaire, échelle synoptique, mésoéchelle et microéchelle. Les
phénomènes associés à ces échelles ne sont pas indépendants. Chacun est influencé par tous
les autres.
Souvent un phénomène d’une certaine échelle est fortement influencé par des caractéristiques
topographiques de même ordre de grandeur. Par exemple, la météorologie à la mésoéchelle
(régional) est fortement influencée par la proximité d’un lac.
L’échelle globale, aussi connue comme échelle planétaire, englobe les phénomènes
atmosphériques de plus grande échelle. En générale, les phénomènes et caractéristiques
atmosphériques de dimensions supérieures à quelques milliers de kilomètres sont considérés
comme des phénomènes d’échelle planétaire. Les alizés, les vents d’ouest, les ondes de
Rossby et les courants jets, ainsi que des régions atmosphériques telles que les tropiques, les
latitudes moyennes, les régions polaires et la couche d’ozone sont des exemples de
caractéristiques météorologiques d’échelle planétaire.
L’échelle suivante (en termes de dimensions) est l’échelle synoptique ou continentale. Cette
échelle englobe des éléments du temps tels que les systèmes de haute et basse pression, les
masses d’air et leurs frontières ou fronts, des éléments qu’on trouve dans les cartes
météorologiques. Les dimensions horizontales des phénomènes synoptiques sont de l’ordre
d’un millier de kilomètres (de l’ordre de grandeur d’un continent) et, verticalement ils
s’étendent de la surface jusqu’à la basse stratosphère.
La mésoéchelle, aussi connue par échelle locale, contient les éléments atmosphériques dont
les dimensions horizontales varient entre quelques kilomètres et la centaine de kilomètres (la
taille d’une ville ou d’une région métropolitaine). Les lignes de grain et autres tempêtes
convectives, les brises de mer et de terre, et d’autres écoulements orographiques comme les
vents de montagne et de vallée.
Finalement, la plus petite échelle météorologique, la microéchelle, inclut les processus

Micrométéorologie
EM‐UQÀM Page‐ 3 -
atmosphériques de dimensions inférieures à quelques kilomètres. Cette échelle concerne un
champ cultivé, une colline, un petit parc arborisé. En météorologie, on ne parle pas beaucoup
de cette échelle, mais c’est à cette échelle qui nous modifions, volontaire ou
involontairement, dans le temps.
Donc, les phénomènes atmosphériques décrivent une très grande gamme d’échelles (en temps
et en espace) et un même système d’équations doit pouvoir décrire l’ensemble de ces
échelles. Par exemple, il doit permettre de décrire l’évolution de la fumée de cigarette ou bien
un front atmosphérique. Il est évident qu’on ne peut étudier en même temps l’ensemble des
mouvements de l’atmosphère.
Selon le problème traité, les processus qui dominent diffèrent et des modélisations
appropriées doivent être utilisées. On est ainsi amené à définir plusieurs échelles caractérisées
par leurs dimensions horizontales (L) et les échelles temporelles (t) associées (tableau 1.1).
Figure 1.1 : Échelles météorologiques. Crédits : Dominique Lambert
//sup.upstlse.fr/uved/Ozone/BasesScientifiques/projet/site/html/VentGeo_1.html#EchelleMet
eo

Micrométéorologie
EM‐UQÀM Page‐ 4 -
Tableau 1.1 : Échelles de temps (t) et d’espace (L) des échelles météorologiques.
Micro-échelle ou
échelle turbulente
Méso-échelle ou
échelle ré
g
ionale
Échelle synoptique
ou échelle planétaire
L ≤ 2 km 2 ≤ L ≤ 2000 km ≥ 2000km
T Moins de 10 minutes De quelques minutes
à quelques
j
ours
Environ 10 jour et
plus
Phénomènes turbulence,
convection, diffusion
de polluants d'une
usine dans une ville
ou d'un site
industriel se situant
dans ce domaine
brises, fronts,
transport de
polluants provenant
d'un site urbain ou
industriel, ou encore
à l'échelle d'une
région, d'un pays à
un autre se situant
dans ce domaine
circulation des
cyclones et
anticyclones des
régions tempérées,
les ondes planétaires;
la pollution de la
stratosphère
D’autres cours, comme dynamique de l’atmosphère, étudient les phénomènes atmosphériques
aux échelles planétaire et synoptique. Dans ce cours on abordera essentiellement la
mésoéchelle et la microéchelle.
Chaque échelle peut être, selon les auteurs, subdivisée en plusieurs sous-échelles,
différentiées selon les phénomènes physiques prépondérants comme montre la figure 1.2.
Dans la première partie de ce cours nous étudions la portion du spectre météorologique dont
les échelles spatiales variant entre 2 mm et 2 km et les échelles de temps entre quelques
secondes à quelques heures.
Comme nous avons déjà noté ces échelles sont reliées : nous verrons que l’énergie cinétique
est transférée (en cascade) des grandes échelles vers les plus petites jusqu’à se dissiper
moléculairement par frottement.

Micrométéorologie
EM‐UQÀM Page‐ 5 -
Figure 1.2 – ordre de grandeur des échelles spatiales et temporelles micro et méso.
(D’après Orlanski, 1975)
1
1. .2 2. . C CA AR RA AC CT TÉ ÉR RI IS ST TI IQ QU UE ES S D DE E L LA A C CO OU UC CH HE E L LI IM MI IT TE E
La mécanique des fluides et la thermodynamique nous permettent de déduire les équations
qui régissent le comportement de l’air atmosphérique. Celui-ci est un mélange de gaz qui,
aux pressions et températures caractéristiques de notre planète, peuvent être considérés
comme des gaz parfaits. Traditionnellement on défini un gaz qui on appelle l’air sec,
constitué par les gaz dont la température critique est au-dessous des températures planétaires
et dont la proportion est constante dans l’espace et dans le temps. L’air humide est défini
comme le mélange de l’air sec et de la vapeur d’eau. Nous introduirons dans l’annexe 1.A
(sections 1.A.1 et 1.A.2) les principales grandeurs qui décrivent le contenu de vapeur d’eau
de l’air.
Dans la couche limite l’écoulement est turbulent. Dans l’atmosphère la turbulence est
d’origine thermique et dynamique. La turbulence thermique est provoquée par l’instabilité
qui dépend de la stratification de masse dans l’atmosphère. Nous ferons un rappel des
conditions de stabilité statique de l’atmosphère dans l’annexe 1.A.
Dans une situation d’instabilité dynamique ou thermique (ou les deux) le comportement de
l’atmosphère est aléatoire et le mouvement moyen doit être décrit statistiquement. La
turbulence est décrite par des grandeurs statistiques que nous définirons et interpréterons
physiquement.