Définitions

LE VENT
Définitions
Observation et mesures
en surface
en altitude
Description aéronautique
décollage et atterrissage
aérodrome
Le mouvement horizontal
Les forces
pression et Coriolis
le frottement
Le vent géostrophique
équation
avec une carte d ’isobares
application
avec une carte d ’isohypses
application
mise en mouvement
règles de Buys-Ballot
Influence du frottement
évolution du vent dans la couche
limite
au voisinage de la dépression
au voisinage de l’anticyclone
Evolution verticale du vent
à partir d'une situation moyenne
dans la troposphère
dans la stratosphère
Le vent thermique
définition
relation vectorielle
résumé
Influence de la courbure : la force
centrifuge
trajectoire cyclonique
trajectoire anticyclonique
exemple
Le vent cyclostrophique
QUITTER
Définitions (1/2)
• Mouvement de l’air par rapport à la surface terrestre
– u composante zonale suivant un parallèle, >0 vers l’est
– v composante méridienne, >0 vers le nord géographique
– w composante verticale, >0 vers le haut
Composante Composante
horizontale verticale
Circ. générale 5 à 50 m/s 1 cm/s
ECHELLE
w << (u,v) à partir de
l’échelle synoptique, le
mouvement de l’air est
Synoptique
résumé, très souvent par la
Moyenne
seule composante
horizontale qu’on appelle le Aérologique
vent
Micro-échelle
5 à 100 m/s 1 dm/s
1 à 50 m/s
1 m/s
1 à 50 m/s
1 à 10 m/s
1 à 100 m/s 1 à 30 m/s
Vent : mouvement horizontal de l'air par rapport à la surface terrestre
Première
diapositive
2
Définitions (2/2)
rose de 8 directions
• direction
– d’où vient le vent par rapport au
nord géographique
– exprimée en secteurs ou degrés
sur des roses des vents de 4, 8,
16, 18 ou 36 directions
NO
315°
N
360°
NE
045°
O
270°
SO
SO
225°
225°
• vitesse (force ou intensité)
– exprimée en m/s, kt ou km/h
– 1 kt = 1 NM/heure = 1852 m/3600s  0,5 m/s
– 1 m/s = 3,6 km/h # 2 kt
E
090°
S
180°
SE
135°
50 kt 10 kt N
g
5 kt
300°
300°/65 kt
Première
diapositive
3
Observations et mesures (1/2)
• En surface
– pylône instrumenté
• capteur de direction : la girouette (18 ou 36 directions)
• capteur de vitesse : l’anémomètre (1 tour/seconde = 1m/s)
– l’enregistrement continu :
• de la vitesse et de la direction instantanées
(calculées sur 0,5s toutes les 0,5s)
• de la vitesse et de la direction
moyennées (calculées sur 2 et 10 mn
toutes les mn)
h = 6 à 10 m
H-10’
H-2’
H
Vinstantané(0,5s)
Vma
• extrema de vent (direction et vitesse)
sur une période de 10 mn réactualisés
toutes les minutes
x
V10'
V2'
Vmi
n
Première
diapositive
4
Observations et mesures (2/2)
• En altitude : mesure de l’entraînement d’un objet par le
mouvement atmosphérique
– un ballon suivi par radar, par satellite (GPS), par système de
navigation (Loran, Oméga…)
– un nuage suivi par satellite
– un aérosol qui réfléchit le rayonnement électromagnétique (le Lidar)
– une signature «turbulente» caractéristique entraînée par le vent
(profileurs)
– un aéronef
Première
diapositive
VS = VP + VW
5
Description aéronautique du vent de surface
(1/2)
• Pour le décollage et l’atterrissage : conditions de vent
relatives à une hauteur de 6 à 10 m le long de la piste
(capteurs additionnels)
– direction et vitesse moyennes sur 2 minutes
– extrema de vitesse au cours des 10 dernières minutes (*) lorsque la
variation par rapport à la vitesse moyenne est d’au moins 10 kt
– extrema de direction au cours des 10 dernières minutes (*) lorsque
la variation totale est supérieure ou égale à 60°
(*) ou à partir d’une discontinuité marquée
Première
diapositive
6
Description aéronautique du vent de surface
(2/2)
• Pour l’ensemble de l’aérodrome : conditions de vent
relatives à une hauteur de 6 à 10 m au-dessus de
l’ensemble du réseau de pistes
– direction et vitesse moyennes sur 10 minutes (*)
– maximum de vitesse au cours des 10 dernières minutes (*) lorsque
la variation par rapport à la vitesse moyenne est d’au moins 10 kt
– extrema de direction au cours des 10 dernières minutes (*) lorsque
la variation totale est supérieure ou égale à 60°
(*) ou à partir d’une discontinuité marquée
Résumé de la description du vent
Première
diapositive
7
Le mouvement horizontal
• Equation du mouvement horizontal
dVH
gradHP
-2 Z  VH+FH
= dt

La force de Coriolis
gradHP

FCH = -2 Z  VH
La force de frottement
FH
L'accélération horizontale
dVH
dt
La force de pression
Première
diapositive
FPH = -
8
Les forces (1/2)
• La force de pression
P
D
– perpendiculaire aux isobares
– dirigée vers les basses pressions
1 P
FPH =
 L
l
gradHP
A
– perpendiculaire au vecteur vitesse
– dirigée à droite du vecteur vitesse
dans l’hémisphère nord
FCH = -2 .sin.(k  VH)
k
FCH = 2 .sin .VH
Première
diapositive
P  P
FPH
• La force de Coriolis
–  vitesse de rotation de la terre = 7,29.10-5 s-1
–  latitude
– on appelle f = 2. .sin  le paramètre de Coriolis
gradHP

FPH = -
VH
H
FCH(HN)
9
Les forces (2/2)
• La force de frottement
– intervient dans la couche limite de surface (500/1500m)
– négligeable au-dessus de 500/1500m (atmosphère libre)
• L’accélération horizontale
– en première approximation peut être considérée comme
négligeable
Première
diapositive
10
Le vent géostrophique : équation
• Hypothèses
– mouvement horizontal
– pas de frottement (h > 500/1500m)
– pas d’accélération (mouvement rectiligne uniforme)
•  Equilibre entre la force de pression et la force de Coriolis
FPH + FCH = 0
-
gradHP
- f(k  Vg) = 0

Première
diapositive
 Vg =
1
(k  gradHP)
f
11
Le vent géostrophique : carte d’isobares
FPH
l
H
Vg
P
Vg (HN)
P+P
FCH
– parallèle ou tangent aux isobares
– laisse les hautes pressions sur sa droite (HN)
1 P
Vg =
f L
Première
diapositive
Unités
– P : Pa
– l : m
–  : kg.m-3
– f : rd.s-1
– Vg : ms-1
12
Le vent géostrophique : application
Ng
45°N
500 km
1010
1015
Direction :
270°
Intensité :
1
500
Vg=
1,2x2x7,29.10-5xsin(45°) 5.105
Vg = 8
m/s
Latitude telle que f=10-4 (latitude tempérée) :
 # 1kg/m3
 Vg= 10 à 50 m/s
 P = 1 à 5 hPa
 l = 100 km
Première
diapositive
13
Le vent géostrophique : carte d’isohypses
gradHP = .9,8.gradPZ
 Vg =
9,8
f
(k  gradPZ)
k
l
P
Vg
Z
Vg (HN)
Z+Z
– parallèle ou tangent aux isohypses
– laisse les hautes valeurs sur sa droite (HN)
Vg =
9,8 Z
f l
Z
= pente (P)
l
Unités
– Z : mgp
– l : m
– f : rd.s-1
– Vg : ms-1
 à  donnée Vg est proportionnel à la pente de la surface isobare
Première
diapositive
14
Le vent géostrophique : application
Ng 300 hPa
45°N
200 km
9160
Direction : 090
°
Intensité : Vg=
9100
9,8
60
2x7,29.10-5xsin(45°) 2.105
Vg = 30 m/s
• Latitude telle que f=9,8.10-5 (tempérée)
Vg =
 Z (mgp)
 l (100 km)
Vg ( m.s-1) est égal à la pente de la surface isobare (mgp/100km)
Changement d’unités et facteur D
Première
diapositive
15
Mise en place de l’équilibre géostrophique
1- la force horizontale de pression anime la particule
2- la force de Coriolis dévie la trajectoire de la particule
3- l’équilibre est atteint lorsque les deux forces sont
égales et opposées
H.N.
P1
P2
D
D
FPH
P1
D
FPH
P1
VH
VH
P2
A
Première
diapositive
P3
Vg
P2
FCH
P3
FPH
A
P3
FCH
A
16
Règles de Buys Ballot
Z1<Z2<Z3
• en atmosphère libre
- le vent est  aux isohypses (ou isobares)
- laisse les hautes valeurs sur sa droite dans
Z1
B
Z2
l’hémisphère Nord (gauche pour l’H.S.)
- est d’intensité inversement proportionnelle à
l’écartement des isohypses (ou isobares)
• le vent géostrophique est une bonne
approximation du vent réel
– hors de la couche de frottement
Z3
H
– pour des latitudes supérieures à 20°
– pour des trajectoires rectilignes
Première
diapositive
H.N.
17
Influence du frottement
FPH + FCH + FfH = 0  V'H
HN
D
FPH
V'H
 V
g
P
FfH
A
- FPH
Fch
Première
diapositive
FCH
Continents Océans
V réel
50% Vg 70% Vg
déviation
30°
10°
18
Evolution du vent dans la couche limite
V
atmosphérique
V
100
V200
50

Vg
isobare
V300
V400
V500
500/1500 m
entre 50 et 500 m le vent
se renforce avec la
hauteur et tourne dans le
sens des aiguilles d'une
montre (HN)
C
L
A
V10
V25
V50
isobare
H.N.
entre 0 et 50 m le vent se
renforce avec la hauteur
sans trop de rotation
Première
diapositive
19
Influence du frottement
• Conséquence sur le mouvement vertical (1/2)
FABRICATION
NUAGEUSE
z
ASCENDANCE
D
CIRCULATION CYCLONIQUE en surface
 CONVERGENCE
Première
diapositive
20
Influence du frottement
• Conséquence sur le mouvement vertical (2/2)
DILUTION
NUAGEUSE
z
SUBSIDENCE
A
CIRCULATION ANTICYCLONIQUE en surface
 DIVERGENCE
Première
diapositive
21
Evolution du vent le long de la verticale (1/3)
• Le vent géostrophique est lié à la pente des surfaces
isobares (application à partir d’une répartition moyenne)
Z
Z
Equateur
Pôle
P4
tropo
P3
Vent max
tropo
P2
P1
t
Deux sondages effectués vers
le pôle et vers l’équateur
Première
diapositive
P Pôle Nord
Equateur
22
Evolution du vent le long de la verticale (2/3)
• Application à partir d’une répartition moyenne
Dans la troposphère les vents d’Ouest augmentent avec l’altitude
les vents d'Est diminue avec l'altitude
Première
diapositive
23
Evolution du vent le long de la verticale (3/3)
• Application à partir d’une répartition moyenne
Dans la stratosphère les vents d’ouest diminuent avec l’altitude
les vents d'Est augmentent avec l'altitude
Première
diapositive
24
Le vent thermique (1/3)
• Définition : différence entre le vent géostrophique à un
niveau supérieur et le vent géostrophique à un niveau
inférieur
VT = Vgsup - Vginf
H
L
Psup
Structure moyenne
en température entre
Pinf et Psup
Air chaud
VT = Vgsup - Vginf
Air froid
Vginf
L
Vginf
isohypse
H.N.
H
Pinf
Première
diapositive
25
Le vent thermique (2/3)
• Relation vectorielle
Vgsup =
Vginf =
9,8
f
9,8
f
(k  gradPsupZ)
Vgsup - Vginf =
(k  gradPinfZ)
Or Zsup-Zinf = E = K.Tm
Vt =
avec K=67,445.log(Pinf/Psup)
9,8
f
k
VT
Première
diapositive
f
(k  grad(Zsup - Zinf))
(k  gradE) =
9,8.K
f
(k  gradTm)
E+E
gradTm
E
Pinf
9,8
H.N.
26
Le vent thermique (3/3)
• Résumé
k
VT
gradTm [gradE]
VT
- parallèle ou tangent aux isothermes
moyennes (ou isoépaisseurs)
- laisse les hautes valeurs sur sa droite (HN)
1 E
VT =
f  L
Première
diapositive
Unités
– E : mgp
– l : m
– f : rd.s-1
– Vg : ms-1
27
Influence de la courbure (le vent du gradient 1/4)
• Trajectoire courbe 
dVH
=
dt
(
dVH
dt
)
N
#0
accélération normale à la trajectoire, pas
d'accélération tangentielle
 FPH + FCH =
(
dVH
dt
)
N
 FPH + FCH + Fcent = 0
- perpendiculaire à V
 Force centrifuge Fcent - vers l’extérieur de la trajectoire
- Fcent = V2/Rtraj
Rtraj = rayon de courbure de la trajectoire
Première
diapositive
28
Influence de la courbure (le vent du gradient 2/4)
• trajectoire cyclonique
D
HN
FPH
FCH + Fcent = FPH
Rtraj
V2
f.V +
= f.Vg
Rtraj
V
Fcent
FCH
Vg
V2
V - Vg = <0
f.Rtraj
Le vent ("du gradient") est inférieur au vent géostrophique
Première
diapositive
29
Influence de la courbure (le vent du gradient 3/4)
• trajectoire anticyclonique
HN
FPH
FPH + Fcent = FCH
Fcent Vg
Rtraj
A
FCH
V
V2
f.Vg +
= f.V
Rtraj
V2
Vg - V = <0
f.Rtraj
Le vent ("du gradient") est supérieur au vent géostrophique
Première
diapositive
30
Influence de la courbure (le vent du gradient 4/4)
• Exemple1 : connaissance de Vg et de R rayon de courbure de l’isohypse
2
V2g
V
– on assimile la correction de courbure :
à
f.Rtraj
f.Risohypse
latitude telle que f=10-4
Correction de courbure C
Vg calculé sur la carte : 20 ms-1
V2g
202
C=
=
= 4 m/s
3
6
f.Risohypse 10 .10
R isohypse mesuré : 1000 km
trajectoire cyclonique V = 20 - 4 = 16 ms-1
trajectoire anticyclonique V = 20 + 4 = 24 ms-1
• Exemple2 : connaissance de V et de R rayon de courbure de la trajectoire
– calcul direct de la correction
Première
diapositive
V2
f.Rtraj
pour retrouver le vent géostrophique
31
Autres vents
• Le vent cyclostrophique : mouvement cyclonique de petite
échelle à proximité de l’équateur (latitude faible mais non
nulle)
– force de Coriolis négligeable
– équilibre entre la force de pression et la force centrifuge
FPH + Fcent = 0
 FPH = Fcent
V2
f.Vg =
V = (f.Rtraj.V2g)½
Rtraj
Première
diapositive
32
LE VENT
Première
diapositive
FIN