module 2

METEOROLOGIE
PARTIE 2
Réalisation : M. Bielle
M.B
2
SOMMAIRE PARTIE 2
 LES PRECIPITATIONS
 LE VENT
 LES MASSES D’AIR
 LA CIRCULATION GENERALE
 LA FRONTOLOGIE ET CYCLOGENESE
M.B
3
LES NUAGES
CONSTITUTION
ET
PRECIPITATIONS
M.B
4
LES NUAGES
 CONSTITUTION PHYSIQUE DES NUAGES
De l’air sec et de la vapeur d’eau saturante
De l’eau à température positive ou surfondue
De la glace associée à l’eau ou seule
 Les gouttelettes d’eau.
Formées en atmosphère saturée par condensation sur des « noyaux de
condensation » ( poussières, particules, etc….)
Le milieu nuageux contient très peu d’eau:
Diamètre des gouttelettes : de 2 à 200µm, le plus souvent 20µm
Distance séparant deux gouttelettes 70 fois leur diamètre
(1,4mm)
Nombre de gouttelettes par Cm3 de nuage : 300 à 600
M.B
5
LES NUAGES
 Les cristaux de glace
 Ils trouvent leur origine dans la cristallisation d’une gouttelette
d’eau formée autour d’une particule solide appelée noyaux glaçogène,
pour des températures négatives
 Le noyau glaçogène provient de suie, cendres volcaniques, sable…..
 Son diamètre est de l’ordre de 0,1 à 7 µm
Nous retiendrons les seuils suivants :
-3° apparition de cristaux de glace
-12° les cristaux augmentent en nombre 1 pour 10m3 de nuage
- 32 augmentation bien marquée du nombre de cristaux au
moins 107 cristaux pour 10 m3 de nuages
- 41° augmentation systématique et brutale du nombre de
cristaux
M.B
6
LES NUAGES
NUAGE
Abrév.
Inter
Étage
Stable
ou Instable
Cirrus
Ci
Sup.
Sta / Ins
Glace
Cirrocumulus
Cc
Sup.
Instable
Glace
Cirrostratus
Cs
Sup.
Stable
Glace
Altocumulus
Ac
Moy.
Instable
Eau + Glace
Altostratus
As
Moy./ Sup
Stable
Eau + Glace
Nimbostratus
Ns
Inf / Sup
Stable
Eau + Glace
Stratocumulus
Sc
Inférieur
Sta / Ins
Stratus
St
Inférieur
Stable
Cumulus
Cu
Inf / Moy.
Instable
Cumulonimbus
Cb
Inf. à Sup
Instable
M.B
Constitution
Eau, Eau + Glace
Glace seule ( rare)
Eau , base
Eau + Glace
Glace au sommet
7
FORMATION DES NUAGES
 Refroidissement isobare:
1°) Les sols se refroidissent par rayonnement et l’air cède sa
chaleur aux sols par conduction, c’est ainsi qu’apparaît
l’inversion de rayonnement
M.B
Par rayonnement le domaine nuageux est généralement peu épais et subit
une forte évolution diurne
8
FORMATION DES NUAGES
 Refroidissement isobare:
2°) Cas: L’air chaud circule sur une surface froide d’où refroidissement
de l’air au contact de cette surface. Il y a advection d’air chaud sur un
sol froid
M.B
Par advection l’extension verticale des nuages est plus importante et leur
évolution diurne est difficile et peu sensible
9
FORMATION DES NUAGES
 REFROIDISSEMENT ADIABATIQUE
Les plus grandes masses nuageuses stables ou
instables résultent de ce processus. Il trouve son
origine dans :
1. L’ascendance d’une masse d’air chaud au
dessus d’une masse d’air froid
2. L’ascendance forcée sur un relief montagneux
3. Les ascendances liées à la convection
4. Les ascendances liées à la turbulence
M.B
10
FORMATION DES NUAGES
 Condensation par apport d’humidité
Le phénomène est caractérisé par l’apport de vapeur d’eau dans une
masse d’air proche de la saturation.
Cet apport provient évidemment de l’évaporation soit de surface
aquatique ou de sol saturé d’eau, soit de précipitations. Ce
processus est à l’origine de la formation des cumulus fractus et
stratus fractus sous les précipitations, du brouillard d’évaporation ou
de certains brouillards côtiers
M.B
11
FORMATION DES NUAGES
 Condensation par mélange.
Globalement les grandes masses d’air ayant des
caractéristiques différentes ne se mélangent pas mais
se superposent. Considéré à petite échelle,
(confluence de deux vallées, limite de contact entre
deux contacts de deux grandes masses d’air), le
mélange existe.
Conclusion : le mélange conduit à la condensation
sous réserve que les deux masses d’air soient de
température différente et toutes deux proches de la
saturation.
Le mélange forme certains stratus et le brouillard de
mélange
M.B
12
LES PRECIPITATIONS
Pour précipiter , un nuage doit :
avoir une épaisseur suffisante :
 Supérieure à 500 m pour un Stratus
Supérieure à 1500 m pour un Cumulus ou un As
 Bénéficier d’une alimentation
permanente en vapeur d’eau
 Dans 97% des cas, il doit contenir des
cristaux de glace à son sommet
( Tempé < -3°)
M.B
13
FORMATION DES
PRECIPITATIONS
Pour qu’une gouttelette de nuage ( 20µm) se
transforme en goutte de pluie il faut qu’elle
atteigne un diamètre supérieur à 500 µm
Grandeurs comparées
1. Gouttelette de nuage Ø 20µm
2. Goutte de bruine Ø 300µm
3. Goutte de pluie Ø1 mm
4. Goutte d’averse Ø 4 mm
M.B
14
L’EFFET BERGERON
La présence dans le nuage de
cristaux de glace microscopiques au
sein d’un ensemble de gouttelettes
surfondues permet le transfert de
vapeur d’eau des gouttelettes vers
les cristaux. Ce processus intervient
seul pour amener le cristal à une
taille de 100µm.
Cristal de glace
M.B
Vapeur d’eau
Gouttelette
de nuage
15
LA COALESCENCE
Dans le nuage existent simultanément des
cristaux de glace et des gouttelettes
surfondues.
Soit parce que le cristal de glace chute ou
est agité par la turbulence il rentre en
collision avec les gouttelettes qui se
congèlent à son contact.
Ces contacts répétés font augmenter son
volume et son poids . A un certain stade la
chute de ce noyau va provoquer la
précipitation
Ce phénomène de grossissement du noyau
par collision se nomme la coalescence.
M.B
16
ETAT DE LA PRECIPITATION
 Effet Bergeron + coalescence vont donc
donner lieu à des précipitations. Selon la
température du parcours de la précipitation du
nuage jusqu’au sol, la précipitation peut être :
 liquide (bruine,pluie,averse)
 ou solide ( grésil, grêle, grêlons, neige,)
 2 cas particuliers peuvent alors se produire:
 L’évaporation de la précipitation
 La précipitation surfondue
M.B
17
PRECIPITATION SOLIDE
Grésil, Grêle , Neige.
Cristal
Flocons de neige
T < 0°C
Chute de neige
M.B
Isotherme 0°
18
PRECIPITATION LIQUIDE
Bruine, Pluie, Averse
Cristal
Flocons de neige
T < 0°C
Isotherme 0°
Flocon en fusion
0°
+2°
Goutte de pluie
T > 0°C
Pluie
M.B
19
PRECIPITATION SURFONDUE
0°C
T < 0°C
Flocons de
neige
Goutte de pluie
T > 0°C
0°C
T < 0°C
Pluie surfondue
M.B
20
SYMBOLE DES PRECIPITATIONS
M.B
21
LE VENT
LE VENT
DEFINITIONS.
Le vent est la composante
horizontale du déplacement d’une
masse d’air par rapport au sol.
Il est caractérisé en surface par:
 La direction d’où il vient
 Son intensité ou vitesse ( force)
M.B
23
INSTRUMENTS DE MESURE
 LA DIRECTION EST RELEVEE PAR
UNE GIROUETTE
LA VITESSE EST RELEVEE
PAR UN ANEMOMETRE
M.B
24
LA MANCHE A AIR
 La manche a air aéronautique est composée d’un
cône de tissus comportant 5 anneaux de couleur
alternée, 3 blancs et 2 Rouges.
 Chaque anneau gonflé par le vent en position
horizontal donne une appréciation de 5 nœuds de
vent.(Kts)
 Une manche à air horizontal indique un vent
supérieur à 25 Kts
 L’axe du cône indique l’axe de direction vers
lequel souffle le vent.
7 Kts
M.B
25
Mouvement
d’une particule d’air
Retenons succinctement
 Une particule d’air à la surface du globe
terrestre est soumis à :




Des forces de pression
Des forces de viscosité et frottement
Des forces d’attraction terrestre
La force de Coriolis ( elle dépend de la rotation de la
Terre et de la vitesse de la particule par rapport à la Terre)
 Force d’entraînement (dont on ne retient que la force
centrifuge liée à la rotation terrestre)
M.B
26
LES EQUATIONS DU VENT
RETENONS
Les relations vectorielles entres les forces
de pression et de Coriolis nous donne dans
l’hémisphère nord que :
La résultante des forces de pression est
dirigée des hautes pressions vers les
basses pressions
La force de Coriolis est perpendiculaire
au vecteur vitesse :
 Situé à droite du vecteur résultant dans l’hémisphère nord
 Situé à gauche du vecteur résultant dans l’hémisphère sud.
M.B
Hémisphère
nord
Vh
Fch
27
SENS DU VENT
Loi de Buys-Ballot
 Pour déterminer le sens du vent il suffit de positionner les forces de
pression et la force de Coriolis aux vues de ce que nous venons de voir:
Fph
Basses pressions
Basses pressions
Vg
Fph
Vg
Isobare
Isobare
Fch
Hémisphère Nord
HAUTE PRESSION
Fch
Hémisphère Sud
Règle de Buys Ballot : Dans l’hémisphère nord, le vent tourne dans le sens des
aiguilles d’une montre autour d’un anticyclone et dans le sens opposé autour d’une
dépression et inversement dans l’hémisphère sud
M.B
28
APPLIQUONS
Vg
Vg
A
Vg
Vent géostrophique
Vg
Vg
D
Forces de pression Fph
M.B
Forces de Coriolis Fch
29
VENT REEL
 Le vent géostrophique (Vg) est un vent
résultant d’un modèle mathématique.
 Or dans la réalité le vent est soumis à des
forces de frottement. ( Ffh)
Hémisphère nord
Retenons :
BP
Vent réel = 2/3 Vg sur mer
Fph

Ffh
M.B
Vent réel = ½ Vg sur Terre
Vg
Isobare
Fch
Ffh + Fch
HP
 = 10° sur mer
 = 30° sur Terre
30
RELATION ENTRE VITESSE DU
VENT ET LA PENTE DES
SURFACES ISOBARES (1)
Retenons :
A latitude égale le vent est
inversement proportionnel
à
l’écartement
des
isohypses ou des isobares.
Pour un écartement donné
des isohypses ou des
isobares, la vitesse du vent
augmente
lorsque
la
latitude diminue
M.B
31
RELATION ENTRE VITESSE DU
VENT ET LA PENTE DES
SURFACES ISOBARES (2)
 Au centre des
anticyclones(HP) et des
dépressions(BP) les
surfaces isobares passent
par une valeur nulle
 Au centre des
anticyclones(HP) et des
dépressions(BP) le vent
est nul. ( à conditions que ces
centres d’action ne soient pas animés d’un
mouvement de transition rapide )
M.B
32
VARIATIONS DE LA DIRECTION
DU VENT AVEC L’ALTITUDE DANS
LA COUCHE TURBULENTE
 l’influence des forces de
frottement est maximale au
voisinage immédiat du sol et
l’angle formé par la direction
du vent est l’isobare a luimême une ouverture
maximale
 A mesure que l’on s’éloigne
de la surface terrestre
l’angle diminue, la direction
du vent revient tangenter
l’isobare.
M.B
Sommet de la couche turbulente
Sol
33
CONVERGENCE ET DIVERGENCE
HORIZONTALES
Cu Cb
 Nous avons vu que du
fait des forces de
frottement le vent
« entre » dans les
dépressions et qu’il
« sort » d’un anticyclone.
 On dit alors que
dans les dépressions
il y a convergence
horizontale
Dans les anticyclones
il y a divergence
horizontale
M.B
Siège de la subsidence
St
Sc
34
Application pratique au vol
Dans l’hémisphère nord quand le vent vient sur la gauche de
l’avion c’est que nous allons vers un centre de basses pressions donc
vers du mauvais temps
A
D
M.B
35
Application pratique au vol
Dans l’hémisphère nord quand le vent vient sur la Droite de l’avion
c’est que nous allons vers un centre de hautes pressions donc
vers du beau temps
A
D
M.B
36
VITESSE DU VENT
 L’unité employée en aéronautique est le
nœud soit :
1 mille nautique à l’ heure
Soit 1,852 m / Heure
Abréviation : Kt
En aéronautique le vent indiqué est
un vent moyenné sur 2 minutes
M.B
37
LA
CIRCULATION
GENERALE
M.B
38
HYPOTHESES D’ETUDE
Le globe terrestre est sphérique
Le globe n’est constitué que d’océans
Nous ne considérerons que
l’hémisphère nord
Il sera introduit petit à petit selon les
besoins les paramètres liés aux
continents et aux saisons
M.B
39
LA CIRCULATION EN
SURFACE ( 1 )
 La répartition moyenne des pressions le long
d’un méridien met en évidence les relations
« centres d’action et latitude ».
Région polaire
Région 60° Nord
Région 30° Nord
Équateur
M.B
Anticyclone 1020 Hpa
Dépression 1000 Hpa
Anticyclone 1025 Hpa
Basse pression relative 1010 Hpa
40
LA CIRCULATION EN
SURFACE ( 2 )
 Tracé isobarique de la répartition
M.B
41
LA CIRCULATION EN
SURFACE ( 3 )
 Direction des vents aux différentes altitudes
M.B
42
CICULATION DANS LE PLAN
VERTICAL MERIDIEN
La forte
convergencedes
centres
dépressionnaires
provoque des
mouvements
ascendants de
grande ampleur
M.B
La forte
Divergence
des centres
Anticycloniques
provoque des
mouvements
descendants
à grande
échelle
43
CICULATION ENTRE 0 ET 20 Km
 Rappelons que le champ de mouvement de
l’atmosphère, les champs de pression et de température
sont en étroite corrélation.
 On trouvera donc
M.B
EN SURFACE
EN ALTITUDE
Anticyclone Polaire
Dépression
Dépression dynamique
du 60° N
Dépression
Anticyclone dynamique
du 30° N
Anticyclone
Dépression équatoriale
Anticyclone
44
ORIENTATION GENERALE
EN ALTITUDE
M.B
45
NOTIONS DE MASSE D’AIR
Km
20
15
Air
Equatorial
10
Air Tropical
Air
Polaire
5
0
M.B
Air
Arctique
90°N
60°N
45°N
30°N
5°N
0°N
46
INFLUENCE DES SAISONS ET DES
CONTINENTS
M.B
47
LES MASSES D’AIR
 L’AIR ARCTIQUE
 L’ AIR POLAIRE ( maritime ou continental )
 L’AIR TROPICAL ( maritime ou continental )
 L’AIR EQUATORAL
M.B
48
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
LA MASSE D’AIR ARCTIQUE.
Elle stagne sur la calotte polaire en
toutes saisons mais en hiver elle
s’étend aux partie septentrionales
(Canada et Sibérie)
M.B
49
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
LA MASSE D’AIR POLAIRE
 En quittant sa région d’origine l’air arctique devient air polaire.
Il est maritime (mP) ou continental ( cP) selon sa trajectoire.
 Les caractéristiques principales de la mP
M.B
 Instabilité : bien marquée dans les basses couches sélective
au dessus
 Vent : Les mouvements verticaux résultant de l’instabilité
transforment l’écoulement laminaire en écoulement turbulent, le
vent est irrégulier en vitesse avec de fortes amplitudes.
 Nuages : De type Cu et Cb. L’ air mP pénétrant sur un
continent froid en hiver se stabilise et les nuages à grand
développement vertical évoluent en Sc et Ac d’étalement. En
été au contraire, du fait d’un sol réchauffé par un plus fort
ensoleillement, l’instabilité amplifiée accentue la convection.
 Précipitations : elles ont un caractère d’averse, de pluie ou
neige ou grésil l’hiver ; l’été les averses sont de plus fortes
intensités et plus fréquentes et peuvent parfois générer plus
facilement de la grêle.
50
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
M.B
51
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
LA MASSE D’AIR POLAIRE
Les caractéristiques principales de la cP
( Polaire continentale)
L’anticyclone thermique scandinave ou sibérique en descendant sur un
sol froid et sec dans un courant de Nord ne modifie que très faiblement
sa structure verticale originelle qui reste caractérisée par une inversion
de température au voisinage du sol. Liée à l’action du vent sur un sol
avec relief la turbulence générée atténue l’intensité de l’inversion.
Si la trajectoire de cette « descente froide » passe par la baltique, l’air
un peu plus chargé d’humidité provoque des formations de St ou Sc
peu épais et faiblement précipitants sinon cet air asséché ne provoque
que très peu de nuages.
M.B
C’est le temps froid et sec avec une bonne « bise » bien établie de
Nord-Est . L’hiver cela « pince » , l’ été il fait sec et « soif » !
52
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
M.B
53
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
LES MASSES D’AIR TROPICALES (T)
Ce sont les masses d’air originaires des
régions du 30° N. Elles acquièrent leurs
caractères
spécifiques
soit
dans
les
anticyclones océaniques soit dans les
dépressions thermiques continentales on
distinguera donc:
 Les masses d’air tropicales Maritimes ( mT)
 Les masses d’air tropicales Continentales (cT)
M.B
54
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
1°) LES MASSES d’AIR TROPICALES MARITIMES
Qu’elles stagnent au centre des noyaux anticycloniques
océaniques ou qu’elles en fassent le tour elle reçoivent l’énergie de
la surface des océans ( chaleur directe et vapeur d’eau)
Cette énergie devrait être très active si la convection pouvait se
développer mais du fait de la subsidence ce développement est
bloqué l’énergie des apports océaniques va donc s’accumuler
dans les basses couches. La divergence horizontale expulse ces
masses d’air hors de l’anticyclone et c’est ainsi qu’elles gagnent
des latitudes plus élevées.
En se rapprochant des zone du 60° N elles vont subir les effets
cumulés de la convergence horizontale et de l’ascendance
dépressionnaire provoquant un déplacement vertical important
dans une atmosphère instable.
En arrivant sur une surface plus froide que la masse d’air dans la
partie nord de cette zone l’apport énergétique est tari. En quelques
heures la mT instable se transforme en mt Stable
M.B
55
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
M.B
56
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
CONVERGENCE
PROVOQUANT
UN FLUX DE
SUD-OUEST
Génératrice de
situations
orageuses en été
M.B
57
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
LES CARACTERISTIQUES DU mT
Vent : En phase instable le vent est turbulent
En phase stable le vent est d’amplitude faible
Nuages : en mT Stable
En dehors des zones de conflit
St et Sc
Dans les zones de conflit
As, Ns, Cs
Nuages : en mT instable
Cu et Cb sont de règle, associés à des Ac et Cc.
Les Cb ont un développement vertical important jusqu’à la tropopause
Précipitations : Bruine sous le St
Pluie ou neige selon la témpé sous des As et Ns
Toutes averses sous les Cu et Cb
M.B
58
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
LES MASSES D’AIR TROPICALES
CONTINENTALES……. En Hiver .
Le plus souvent sous contrôle anticyclonique,
elles sont subsidentes et sèches.
Lorsque
leur
parcours
emprunte
la
Méditerranée, elles se chargent d’humidité et en
arrivant sur les Pyrénées, le Massif Central ou
les Alpes, donnent naissance à des nuages
orographiques parfois orageux, accompagnés
de précipitations abondantes.
M.B
59
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
M.B
60
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
LES MASSES D’AIR TROPICALES
CONTINENTALES……. En été .
M.B
Les déserts Sahariens et Libyens sont surchauffés
et secs, l’ air cT est très instable en basses
couches. Sous l’influence de la dépression
thermique s’étendant du Sahara à l’ Espagne le cT
traverse la Méditerranée et évolue en mT par
l’apport d’humidité. Cet air chaud, instable et
humide rencontre alors sur le continent des sols
chauds qui augmentent son instabilité au voisinage
des reliefs donnant naissance à des nuages de
Type Cu et Cb de grande ampleur accompagnés de
très fortes précipitations de pluie ou de grêle.
61
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
M.B
62
MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES
MASSES D’AIR
LES MASSES D’AIR EQUATORIALES
Juste pour clore ce chapitre on considèrera que
ces masses d’air enfermées entre les ceintures
anticycloniques subtropicales des hémisphères
Nord et Sud sont alimentées par de l’air très
chaud et humide; souvent en instabilité
sélective elles sont soumises à la convergence
des alizés. Cela donne naissance à des nuages
à fort développement vertical Cb générateurs
de fortes précipitations. On peut observer entre
ces Cb des Ns avec pluie. C’est le fameux « pot
au noir ».
M.B
63
FIN
DE
LA
PARTIE 2
METEOROLOGIE
Partie 3 :
M.B
LA FRONTOLOGIE
64