Synthèse du cours n°6

Synthèse du cours n°6
- La circulation de l'air et de l'eau se matérialise par les vents (qui ont non seulement une
composante horizontale, mais aussi verticale) et les courants marins.
- Le fait que des mouvements (= énergie cinétique) se produisent au sein de l'atmosphère traduit
des variations dans la répartition de la masse atmosphérique (= énergie potentielle).
- Si l'air était également réparti tout autour de la surface terrestre, la pression de la colonne d'air
sur le sol serait de 101325 Pa (ou 1013.25 hPa). Dans le sens vertical, la répartition de la masse
atmosphérique dépend de l'équilibre hydrostatique (= équilibre entre la force de pression
dirigée vers le haut et l'attraction gravitationnelle dirigée vers le bas). Ainsi, le niveau au-dessus
duquel se situe 500 hPa se situe en moyenne vers 5600 m d'altitude.
- Toute perturbation par rapport à l'équilibre horizontal et/ou vertical se traduit par des
mouvements de compensation depuis les « hautes » pressions/géopotentiels (valeurs > moyenne
du niveau) vers les « basses » pressions/géopotentiels (valeur < moyenne).
- La rotation de la terre dévie les mouvements vers la droite dans l'hémisphère nord et vers la
gauche de l 'hémisphère sud, cette déviation s'annulant à l'équateur.
- L'ascendance (et la subsidence) de l'air est soit
●
(1) liée à des variations de densité au sein de la masse d'air en raison
d'échauffement/refroidissement et/ou d'enrichissement/appauvrissement en vapeur d'eau
(gaz moins dense que l'air sec) = « convection libre »
●
(2) liée à une action mécanique d'un obstacle et/ou du mouvement de l'air lui-même
(convergence, divergence, accélération, décélération) = « convection forcée »
- Le chauffage d'une colonne atmosphérique tend à diminuer sa pression totale au sol (par
augmentation du volume pour une masse donnée, ce qui diminue la densité totale de la colonne
d'air), mais à augmenter son géopotentiel en altitude (par élévation des niveaux d'égale
pression vers le haut). C'est l'inverse pour un refroidissement (augmentation de la pression au sol
et diminution du géopotentiel en altitude par contraction de la colonne d'air vers la surface)
La circulation : le rôle des mouvements verticaux
4.2
- De l’air qui pousse vers le sol (= subsidence) augmente la pression en surface (de la
même façon que l’on augmente son poids sans modifier sa masse en appuyant sur ces pieds
vers le bas) …
- … alors que de l’air qui s’élève vers le haut (ascendance) diminue la pression de surface
- Cet effet n’est possible que là où il y a une surface tangible c’est-à-dire la surface terrestre
- Ces mouvements verticaux ont une contrepartie horizontale car l’ascendance depuis les basses
couches crée un vide relatif ce qui provoque une convergence horizontale alors qu’une
subsidence vers les basses couches créé un excédent relatif ce qui provoque une diffluence
horizontale
- On peut regarder cet effet à l’envers car les mouvements horizontaux sont aussi susceptibles
d’engendrer des mouvements verticaux (confluence et/ou ralentissement dans les basses
couches = ascendance alors que diffluence et/ou accélération dans les basses couches =
subsidence)
- Quand l’origine des HP/BP en surface est principalement provoquée par la température, on
parle de HP/BP thermiques, alors que quand c’est principalement le fruit des mouvements de
l’air, on parle de HP/BP dynamiques. La combinaison des deux facteurs principaux intervient
dans les HP/BP thermo-dynamiques.
La circulation : géopotentiel et température
4.2
Facteur explicatif quasi-unique de la géographie des géopotentiels en altitude = température
moyenne de la colonne d’air
illustration de la relation simple en altitude entre géopotentiel et température :
- basses températures aux pôles (particulièrement dans l’hémisphère d’hiver) = bas géopotentiels
à cause du tassement de la colonne d'air vers le bas
- températures élevées aux tropiques = hauts géopotentiels à cause de la dilatation de la colonne
d'air cvers le haut
La circulation : HP/BP thermiques vs HP/BP dynamiques ?
Moyenne spatiale = 1013.25 hPa
l’anticyclone de Sibérie est rapidement surmonté de basses
pressions en altitude (par rapport à la moyenne du niveau) = il
est provoqué par les basses températures au sol et de la
totalité de la colonne d’air (= facteur latitudinal + saison +
continentalité + neige au sol) ; c’est donc un anticyclone
thermique (qui évite d’ailleurs l’advection d’air moins froid vers
la Sibérie !) qui disparaît en été car le sol n’est plus enneigé, le
rayonnement solaire est plus efficace etc.
la ZCIT correspond à des basses pressions en surface
surmontée de hautes pressions en altitude = elle correspond à
la fois à l’ascendance d’air forcée par la confluence
dynamique des alizés ou d’un alizé avec un flux de mousson
et aussi à l’échauffement de la surface, notamment sur les
continents , ce qui diminue la densité; c’est donc une
dépression thermo-dynamique
-
l’anticyclone des Açores est
surmonté par des hautes pressions
en altitude et correspond donc à une
accumulation d’air à tous les
niveaux troposphériques = c’est
un exemple d’anticyclone dynamique
qui est provoqué par un effet de
masse (beaucoup d’air relativement
à la moyenne du niveau) entraînant
une subsidence verticale vers la
surface ; c’est donc un anticyclone
dynamique où la nature
anticyclonique s’explique à la fois
par la température moyenne de la
colonne d’air et le mouvement de
subsidence induit par la circulation
de l’air
4.2
Moyenne
spatiale =
5600 mgp
La circulation : les vents en surface et en altitude
4.2
- vents en altitude (> 3 km d’altitude
environ) : circulation rapide (> 100 km/h en
moyenne) et généralisée d’ouest avec
vitesse plus élevée (= jet-stream) aux
moyennes latitudes et en hiver, et vents
d’est beaucoup plus lents et saisonniers à
proximité de l’équateur
ALTITUDE (> 3 km)
SFC (< 3 km)
- vents en surface (< 3 km environ) : plus
de variations spatiales et saisonnières ;
- de façon générale, les vents sont
moins forts en surface qu’en altitude
même si il existe des exceptions
(tornades, cyclones)
- vents de secteur ouest dominant aux
moyennes latitudes (+ fort sur les
océans et en hiver);
- vents de NE/SE dans la zone tropicale
nord et sud (mais mousson estivale de
SW/NW) sur certains fuseaux;
- plutôt des vents d’est polaires
La circulation : les forces à l'origine du vent
4.2
la direction et la vitesse du vent dépendent d’un certain nombre de forces ; les 3 plus importantes
sont; Force de Pression (Fp), Force de Coriolis (Fc) et Force de friction (Ff). Les autres
forces (comme la force centrifuge) ont en moyenne une contribution plus faible. Le schéma
suivant présente la composition des forces dans l’hémisphère nord.
1. Fp accélère l’air des hautes vers les basses
BP
pressions. L’accélération est proportionnelle au
gradient de pression (HP – BP / distance entre
les deux) …
2. Fc dévie (vers la droite dans l’hémisphère
nord) le mouvement initial: le mouvement
géostrophique correspond à l’équilibre entre Fp
et Fc (= vent parallèle aux isobares) …
3. Ff freine le mouvement et diminue l’intensité
de Fc: la direction du vent réel se rapproche de
la direction initiale.
HP
- dans la réalité, l’ajustement ne se fait
évidemment pas par étapes mais de façon
instantanée et combinée entre Fp, Fc et Ff...
- … dans l'hémisphère sud, la déviation exercée
par la Force de Coriolis s'effectue vers la gauche
La circulation : le sens de rotation autour des HP/BP
Schéma en plan dans l’hémisphère Nord
D
A
4.2
- air divergent depuis le centre des anticyclones et
convergent vers le centre des dépressions (idem dans
l'hémisphère sud)
- la vitesse du vent est proportionnelle au gradient de
pression : plus la pente est forte, plus la vitesse est
importante tout comme en montagne (idem dans HS)
- rotation anticyclonique dans le sens des aiguilles
d’une montre (inverse dans l’hémisphère sud) et
cyclonique dans le sens inverse (sens des aiguilles
d’une montre dans l’hémisphère sud)
- comme la Force de Coriolis s'annule à l'équateur, la
direction du vent y est déterminée par la seule force
de pression et l'air s'écoule directement du centre de
l'anticyclone vers le centre des dépressions (il ne peut
donc pas y avoir de structures très dépressionnaires
ou très anticycloniques à l'équateur car les HP
éventuels se vident très rapidement vers les BP)
Force de pression
Vent en surface
La circulation : la combinaison vertical/horizontal
4.2
Schéma en coupe
- subsidence au-dessus du centre de
l’anticyclone = compression de l’air =
réchauffement et assèchement relatif de l’air
A
- ascendance au-dessus du centre de la
dépression = détente de l’air =
refroidissement et humidification relative de
l’air (et formation de nuages si l’air se sature
lors de l’ascendance)
D
- cela ne signifie pas qu’il fasse toujours chaud et sec sous un anticyclone ! Car d’autres facteurs
interviennent dans l'établissement du niveau de la température (cf. partie 2). Mais les conditions
verticales dans un anticyclone sont stables et instables dans une dépression ce qui y favorise la
formation de masses nuageuses épaisses. Dans un anticyclone, seuls des nuages peu épais
peuvent se former dans les basses couches si l’air en surface est humide et se refroidit
suffisamment pour se saturer (= nuages de type stratiforme)
La circulation : l'exemple d'hier à 06h TU
Géopotentiel à 500 hPa (en couleurs),
pressions réduites au niveau de la mer
(lignes blanches) et températures à 500 hPa
(en lignes grisées)
4.2
Vent moyen à 10 m (couleurs = vitesse en
noeuds, 1 noeud = 1.852 km/h)
- Anticyclone dit « de blocage » (car il modifie profondément la circulation d'ouest moyenne)
dynamique car surmonté d'air chaud, centré sur la Scandinavie encadré par deux vallées
dépressionnaires froides en altitude
- Flux de sud faible sur l'Europe de l'ouest
- Petite dépression entre Var et Corse (flux d'Est un peu plus rapide de Nice à Marseille)
Les schémas de circulation atmosphérique
4.3
- la circulation de l’air résulte des principes précédents et transporte de la chaleur des
zones/secteurs chauds vers les zones/secteurs froids (c'est-à-dire en moyenne de la zone
tropicale vers les pôles, de l'hémisphère d'été vers l'hémisphère d'hiver, de la surface vers
l'altitude). En d'autres termes, la circulation de l'air (et de l'eau) tend à contrebalancer les
écarts de température nés fondamentalement de l'absorption différenciée du rayonnement
solaire.
- historiquement, cette circulation a fait l’objet de théorie visant à proposer une vision générale
des mouvements de l’air
- E. Halley (1686) propose les premières cartographies « météorologiques » des alizés
- G. Hadley (1735) a proposé le premier modèle (= idéalisation conceptuelle) de la circulation
atmosphérique générale
- années 1920s : des météorologues norvégiens proposent un modèle de la circulation
atmosphérique aux moyennes latitudes (la théorie du « front polaire »)
- 1922 : premières formalisations numériques de l’état de l’atmosphère par Richardson : pour la
première fois, un calcul est effectué pour estimer l’état de l’atmosphère 6 heures après une date
initiale observée
- année 1950-60s : premières simulations numériques simplifiées puis générales conduisant à la
prévision météorologique numérique puis aux modèles de circulation générale (utilisés
notamment pour établir les scénarios pour le futur)
La circulation atmosphérique : un exemple estival
4.3
- image infra-rouge du
23/7/2007 à 18h TU (temps
universel à 0° de longitude)
- on remarque bien les deux
principales bandes nuageuses
(et de fait des précipitations);
ZCIT (plus large sur l’Afrique) et
les deux bandes des latitudes
moyennes nord et sud.
- les zones peu nuageuses
(excepté des nuages bas) vers
20°-40°N et 10°-30°S sont
également très nettes
- les deux bandes nuageuses
n’ont clairement pas les mêmes
caractéristiques
morphologiques …
La circulation atmosphérique : hier ...
INFRA-ROUGE le 09/11/2011 (12h TU)
4.3
VISIBLE le 09/11/2011 (12h TU)
- au-delà de la différence de jour et d'année, on retrouve dans les grandes lignes la géographie
avec la ZCIT (vers 5°-10°N au-dessus de l'Atlantique et décalée sur le bassin du Congo), deux
zones tropicales avec nuages bas et/ou hauts (pas précipitants) et deux bandes avec les
perturbations tempérées
Les différences ZIT vs zone extratropicale (1)
translation peu sensible vers le NE du système nuageux principal enroulé
4.3
Les différences ZIT vs zone extratropicale (2)
Forte variation diurne de la convection organisée en paquets de différente taille
4.3