Les Fronts - Groupe des Sciences de l`Atmosphère

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Les Fronts
par Peter Zwack
Université du Québec à Montréal (UQAM)
Historique du modèle frontal.
Le modèle frontal actuel a été établi au début du XXième siècle par une équipe de chercheurs norvégiens.
Cette théorie est un des évènements majeurs de la météorologie moderne de ce siècle. Selon le modèle
proposé, les dépressions des moyennes latitudes se forment le long du front polaire séparant l’air
équatorial chaud et humide de l’air polaire plus froid et sec. Le modèle décrit les relations entre le
temps associé aux dépressions (zone de nuage, précipitations etc.) et les systèmes frontaux. Enfin, il
donne l’évolution d’une dépression frontale et ainsi permet d’aboutir à une prévision météorologique.
Les météorologistes utilisent encore les idées de ce modèle, même s’il est parfois contesté par des
chercheurs comme Alain Joly par exemple (cf. la Recherche, février 1995!: «!Le front polaire!: Un
concept dépassé...qui a la vie dure!»).
La monographie de Kutzbach (1979) sera notre principale référence pour cet historique, et il sera bon
de s’y référer pour avoir plus de détails.
Modèle du début du XIXième siècle!:
Afin de comprendre le succès du modèle norvégien, il faut remonter au début du XIXième siècle, période
où les premières réflexions et recherches sérieuses commencèrent en météo. C’est à cette époque
qu’apparut l’idée qu’une dépression et les précipitations qui l’accompagnent, sont les conséquences de
la rencontre de deux courants d’air de nature différente.
Les modèles développés au XIXième siècle sont réalisés à partir d’observation et font peu appel aux lois
de la physique de l’atmosphère. Un des premiers scientifiques à parler de rencontre de deux courants
d’air est Luke HOWARD en 1820. Il présenta une analyse réaliste et tridimensionnelle d’une zone de
précipitation associée à la rencontre de deux masses d’air, dans un livre intitulé «!Climate of London ».
En 1828, DOVE pose l’idée que deux courants linéaires de vent s’opposent, et que les changements de
temps y sont associés. En 1841, DOVE poursuit!: pour lui, les tempêtes et le temps résultent du conflit
entre les deux courants qui se déplacent alternativement de chaque coté du point d’observation. Les
champs météorologiques tels que la pression et la température sont directement reliés aux courants
tandis que les basses pressions sont des tourbillons engendrés à leur frontière. Ce modèle est
couramment utilisé en Europe jusqu’en 1870.
En 1841, l’américain Elias LOOMIS poursuit cette idée de rencontre de deux courants, en mentionnant
qu’aux latitudes moyennes ce mécanisme est à la source des précipitations. Un courant froid soulève
un courant chaud et humide qui se refroidit, se condense et donne de la pluie. Il illustre son idée par un
diagramme qui sera le premier schéma de ce qu’on appellera plus tard le front froid. De plus LOOMIS
appuie l’idée d’EPSY voulant que les nuages et la pluie soient le résultat d’un refroidissement
adiabatique de l’air humide par soulèvement.

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Figure 6-54 : (Kutzbach, 1979.) Rencontre du courant chaud du sud-est avec le courant froid du nord-ouest selon
Loomis en 1841.
Modèles basés sur la théorie convective!:
Dans les années 1830, James Pollar EPSY propose!le premier modèle basé sur la théorie convective
pour expliquer les tempêtes en utilisant les principes thermodynamiques. La dépression est considérée
comme une machine thermique alimentée par un courant d’air chaud central, et par le dégagement de
chaleur latente dû à la condensation de l’eau. Le réchauffement et l’expansion verticale qui lui sont
associés provoquent un soulèvement des niveaux isobariques et une divergence de l’air en altitude.
Cette divergence enlève de la masse dans la colonne d’air et provoque une baisse de pression au sol a
son tour responsable d’une convergence d’air vers le centre de la dépression au niveau du sol. Cette
théorie convective des dépressions prévaudra jusqu’à la fin du XIXième siècle, car elle explique
correctement plusieurs phénomènes propres aux dépressions comme la présence de température
chaude près du centre de la basse pression, les nuages et les précipitations. Au cours des années 1850,
les idées d’EPSY sur le rôle de la convection comme moteur des dépressions reçoivent le soutient de
FERREL.
L’idée de la rencontre de deux courants est maintenue par JINMAN proposant un nouveau modèle de
ce type en 1861.
En 1863, FITZROY présente un modèle des dépressions dans son livre «!Weather book.!» Il sait que
les dépressions des moyennes latitudes sont sous forme de vortex et élimine donc l’idée des courants
linéaires de DOVE. Il conserve l’idée de deux courants se rencontrant, engendrant une rotation à leur
frontière.
En 1863, BUCHAN publie une étude sur le temps associé au passage d’une dépression. Il est le
premier à remarquer que le minimum de pression se trouve près de l’endroit où le gradient (variation
horizontale) horizontal de température est le plus fort.
En 1870, le norvégien MOHN propose un modèle qui prolonge les idées de FERREL et D’EPSY. Il
ajoute que la dépression se déplace à l’interface de deux courants, (comme DOVE), mais que
l’interaction des courants engendre une reformation continuelle de la basse pression à l’avant de son
minimum. À partir de cas étudiés, il conclut que les courants convergent en permanence dans les
dépressions qui résultent du contraste thermique.
La figure ci-dessous présente un schéma (tiré de Kutzman 1979) montrant le modèle convectif d’une
dépression telle que vue dans les années 1860-1870.

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Figure 6-55 : (Kutzbach, 1979.) Modèle convectif des dépressions tel qu’il était au
cours des années 1860 et 1870. On y voit une coupe horizontale et verticale le long de la
ligne A-B passant par le centre C de la dépression. Les lignes pleines sont des isobares
et les flèches indiquent l’écoulement. La ligne tiretée représente l’axe vertical de la
dépression le !long duquel l’air est le plus chaud et l’espacement entre les isobares est le
plus grand. La circulation est cyclonique sous la ligne pointillée et anticyclonique au-
dessus.
À partir des années 1880, on concentre les efforts de la recherche sur l’influence du contraste
thermique horizontal dans la dépression. La théorie convective des dépressions devient obsolète puis
disparaît au profit de la théorie thermique des dépressions.
Modèles basés sur la théorie thermique!:
En 1880, KOPPEN, (directeur de la division de recherche en météorologie à Hambourg) démontre à
l’aide de ses connaissances en physique et ses expériences en synoptique ce que LEY avait déduit à
partir du mouvement des nuages!: les dépressions ont une pente verticale vers l’ouest. Il conclut que
cette pente est liée directement à l’asymétrie de la distribution des températures autour des dépressions.

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Il donne une illustration de ses résultats en utilisant les observations de LEY. Son modèle donne une
image très réaliste de la structure verticale et thermique d’une dépression, et on y retrouve quelques-
unes des caractéristiques fondamentales du modèle frontal.
Figure 6-56 : (Kutzbach, 1979) Influence de la distribution des températures, dans les dépressions, sur le champ de
pression en altitude selon Köppen. A gauche : les lignes pleines sont des isobares de surface ; les lignes pointillées
des isobares au niveau des cirrus ; les lignes tiretées des isothermes de la température moyenne entre la surface et les
hauts niveaux. A droite : les flèches grasses indiquent les vents de surface ; les flèches minces le déplacement des
nuages bas ; les flèches tiretées le déplacement des cirrus. Le cercle au centre représente la région où les vents sont
calmes.
En 1906, SHAW et LEMPFERT identifient les zones de provenance de l’air qui alimentent la
dépression, et les zones où se situent l’ascendance responsable de la pluie pour le cas des perturbations
rapides et lentes. Leurs résultats indiquent que l’air chaud venant du sud passe au-dessus de l’air froid
au nord-est suggérant la présence de ce qu’on appellera plus tard le front chaud. Leurs travaux incluent
plusieurs des caractéristiques du modèle frontal norvégien 12 ans avant sa publication.
Avènement du modèle frontal norvégien!:
En 1918, profitant de la période trouble de la guerre, le géophysicien Vielhelm BJERKNESS obtient du
gouvernement norvégien des crédits pour financer la création d’un centre de recherches et de prévisions
en météorologie. Il promet que ses recherches permettront d’optimiser les prévisions, ce qui aidera au
développement de l’aviation, à la prévision des tempêtes pour la pêche et à l’amélioration des récoltes
céréalières (le pays étant au bord de la famine). BJERKNESS a l’ambition de faire de la Norvège le
centre mondial d’expertise en météorologie pratique et théorique. Il s’entoure des meilleurs chercheurs
du moment et commence son travail.
Étude sur les surfaces de discontinuité!:
Depuis longtemps, les météorologistes s’étaient intéressés aux différents courants, et aux surfaces de
discontinuité thermiques les séparant. KOPPEN suggère en 1881 que le fort contraste de température
entre les deux courants provient de la forme du champ de pression, l’air provenant d’endroits fort

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différents, la transition se fait brusquement. Il dit que les précipitations se situent à la frontière air chaud
air froid.
Dans les années 1890, MARGULES étudie précisément les zones de discontinuité. Il tire ses
conclusions d’un réseau d’observations dense et de ballons de mesures. Il remarque qu’au cours d’un
réchauffement, l’air se réchauffe d’abord en altitude puis au sol, et que pendant un refroidissement,
l’air se refroidit d’abord brutalement au sol puis en altitude. Selon lui, la poussée d’air froid est
comparable à un mur incliné de plusieurs centaines de mètres de hauteur qui se déplace.
Le document de LEMPFERT et SHAW en 1906 note aussi le changement brusque de direction et de
force du vent, ainsi que des variations rapides de la température et de la pression. Ils soutiennent ainsi
l’idée d’une frontière bien marquée entre les masses d’air. LEMPFERT et CORLESS en 1910
décrivent le contact des deux masses d’air!: «!Un courant d’air chaud et humide du sud est envahi par
un courant froid et plus dense qui le soulève!».
En 1911 FICKER publie des études sur l’avancée d’air froid et d’air chaud en Europe dans lesquelles
il note le soulèvement de l’air chaud par l’air froid à l’arrière des dépressions le long de la frontière de
rencontre. Il constate que c’est ce soulèvement de l’air chaud qui provoque la condensation et la
formation de nuages. Ces hypothèses sont confirmées par HAWLICK en 1911. Celui-ci indique
qu’une dépression doit se former par la rencontre d’un courant chaud et humide du sud, et d’un
courant froid du nord. Il démontre aussi que la surface de séparation est inclinée, et que l’air froid
pousse sur l’air chaud à la manière d’un coin.
Le concept de l’air froid soulevant l’air chaud est donc bien établi avant la conception du modèle
frontal norvégien, et cette idée y sera complètement reprise.
Modèle frontal norvégien!:
Le groupe de Bergen souhaitant pouvoir consulter un grand nombre de données, il constitue un réseau
d’observation dix fois plus dense que la moyenne de l’époque. Les chercheurs peuvent également
recueillir des données en altitude à l’aide de ballon ou les déduire de méthodes reposant sur
l’observation des nuages, des températures et des pressions de surface. Ils regroupent toutes les
données obtenues (directes et indirectes) sur des mêmes cartes, ce qui permet une interprétation plus
facile des mécanismes en jeu. Malgré la quantité de données recueillies, ils constatent que c’est
insuffisant pour utiliser les équations diagnostiques, l’un des premiers buts de V.BJERKNESS.
Mais l’observation des cartes permet de mettre au point une méthode pour prévoir la pluie. Ils
remarquent une zone de convergence des vents qui semble être une caractéristique essentielle de la
dépression, ils observent aussi la structure thermique asymétrique, constituée d’une langue d’air chaud
bornée par de l’air plus froid. La zone de précipitation semble liée à la position de la convergence, alors
qu’avant on la croyait au centre de la dépression.
Jacob BJERKNESS (fils de Vielhelm) résume ces découvertes en énonçant le fameux modèle frontal
d’une dépression des latitudes moyennes à 21 ans (1919). La caractéristique principale de ce modèle
est la présence de deux lignes convergentes qui séparent les différentes zones de température et qui
prendront ensuite les noms de front froid et de front chaud. Les deux lignes se rejoignent au centre de
la dépression qui se trouve à la pointe nord de la langue d’air chaud. L’air froid et l’air chaud qui entre
dans la dépression sont séparés par des surfaces touchant le sol terrestre le long des lignes dirigeantes
et de grains. Dans la dernière partie de son article, il déclare qu’une perturbation qui se déplace est
constituée par une opposition de deux courants. Le courant froid s’enroule sous le courant chaud
tandis que le courant chaud s’enroule au-dessus du courant froid.