VSMP

Département fédéral de l‘intérieur DFI
Office fédéral de météorologie et de climatologie MétéoSuisse
Analyse et prévision
Physique
Météorologie synoptique
Pierre Eckert, MétéoSuisse
Département fédéral de l‘intérieur DFI
Office fédéral de météorologie et de climatologie MétéoSuisse
Sujets abordés
•
•
•
•
•
•
Dynamique
Mouvements dans l’atmosphère
Thermodynamique et énergie
Circulation générale sur la planète
Théorie du front polaire
Stabilité verticale de l’atmosphère
MétéoSuisse ¦ Energie
Département fédéral de l‘intérieur DFI
Office fédéral de météorologie et de climatologie MétéoSuisse
Force (dynamique): lois de Newton
• Loi d‘inertie:
Un corps qui n‘est soumis à aucune force suit un mouvement
rectiligne uniforme
• Action=réaction
Tout corps qui agit par une force sur un corps voisin est
soumis de la part de ce corps à une force égale et
Soleil
directement opposée.
F1
F2
Contact direct
Terre
F1
F2
Action à distance
• Loi du mouvement:
F=ma : Force (N)= masse(kg) * accélération(m/s2)
MétéoSuisse ¦ Energie
Force du gradient de pression
Force
Haute Pression
Basse Pression
H
L
𝐹
Force par unité de masse:
𝑚
Pierre Eckert ¦ Prévision
=
1 Δ𝑝
𝜌 Δ𝑦
4
Force de Coriolis
Il s’agit d’une force FC qui provient de la rotation de la Terre. Elle
ne s’exerce que sur les objets en mouvement.
FC
v
v
Hémisphère Nord
Hémisphère Sud
FC
FC= m f v
f = 2 Ω sin λ
Ω = 2π / 86400 s
λ : latitude
La force de Coriolis est nulle à l’équateur, maximale aux pôles
Pierre Eckert ¦ Prévision
5
Force de Coriolis
C’
C
C’’
Source : Hack (1978), modifié Fallot (2006)
Force de Coriolis
Source : Hack (1978)
Vent géostrophique
p1
H
p2
p3
Fp
Fc
L
vg
Une particule d‘air au repos dans la haute pression est soumise à la force de
gradient de pression et se déplace vers la basse pression, dès qu‘elle acquiert de
La vitesse elle dévie vers la droite grâce à la force de Coriolis, les deux forces
s‘équilibrent, et la particule d‘air se déplace parallèlement aux isobares.
Pierre Eckert ¦ Prévision
8
Vent géostrophique
Force de Coriolis= Force de gradient de pression
Équilibre des forces
1 Δ𝑝
𝑣𝑓 =
𝜌 Δ𝑦
1 Δ𝑝
𝑣𝑔 =
𝑓𝜌 Δ𝑦
Pierre Eckert ¦ Prévision
9
Vent géostrophique
H
H
Hémisphère
Nord
Hémisphère
Sud
L
L
Le vent géostrophique souffle parallèlement aux
isobares
Pierre Eckert ¦ Prévision
10
Force de frottement
p1
p2
Ff
FC
p3
Fgp
H
B
V‘
V‘< V (frottement)
vg
• Le frottement diminue la vitesse de la particule d’air.
• La force de Coriolis diminue donc (car proportionnelle à la vitesse).
• La force du gradient de pression est donc plus grande que la force de
Coriolis.
• Il y a donc déviation vers la basse pression.
Pierre Eckert ¦ Prévision
11
1000 m
La force de frottement
diminue avec l’altitude.
500 m
0m
Vent
H
Divergence
Pierre Eckert ¦ Prévision
T
Convergence
12
Déviation des vents de surface dans l’hémisphère Nord
loi de Buys-Ballot
Pierre Eckert ¦ Prévision
13
Pierre Eckert ¦ Prévision
14
Basses et hautes pressions
divergence
convergence
500 Hpa
convergence
B
Pierre Eckert ¦ Prévision
divergence
h
15
Vent de gradient
Mouvement cyclonique
r
Fc
Mouvement anticyclonique
V
r
Fp
𝑣2
𝑟
Fc
L
H
Fp
V
𝑣 2 1 Δ𝑝
=
− 𝑣𝑓
𝑟
𝜌 Δ𝑦
= 𝑣𝑔 𝑓 − 𝑣𝑓
𝑣2
>0
𝑟
𝒗 < 𝒗𝒈
Pierre Eckert ¦ Prévision
𝑣2
𝑟
𝑣2
1 Δ𝑝
=−
+ 𝑣𝑓
𝑟
𝜌 Δ𝑦
= −𝑣𝑔 𝑓 + 𝑣𝑓
𝑣2
>0
𝑟
𝒗 > 𝒗𝒈
16
Energie ou travail:
Une force qui déplace son point d’application sur une distance L
fournit un travail:
E= Force . Distance
Unités: Joules [J] = [N][m]=[kg][m][m]/[s2]=[km[m2]/[s2]
Ou calories 1 calorie=4.18 [J]
Le travail fournit sur une distance L par une force F agissant sur un
mobile est égale à la différence d’énergie cinétique du mobile
Ecin=1/2 . m . v2
Exemple:
Un mobile de 1 kg passant de 0 à 50 m/s à une énergie cinétique de:
1250 [J]
Pierre Eckert ¦ Prévision
17
Energie Calorifique
Echelle de température absolue: 0° C = 273.15°K (Kelvin)
Chaleur spécifique (C):
Energie qu‘il faut fournir à un 1 Kg de liquide (ou un gaz) pour élever sa
température de 1 degré.
ΔQ=C.m. ΔT (Joules)
Pour un gaz, on distingue la chaleur spécifique à volume constant:
Cv=717 J/°K Kg (air)
Et la chaleur spécifique à pression constante:
Cp=1004 J/°K Kg (air)
Chaleur Latente (L):
Energie qu‘il faut fournir (ou que l‘on reçoit) lorsque 1 Kg de liquide ou de
gaz lorsqu‘il change de phase:
ΔQ=L.m (Joules)
Chaleur latente de condensation: Lc=2.5 . 106 J/Kg (eau)
Pierre Eckert ¦ Prévision
18
Energie Calorifique
T
vapeur
100°
eau
0°
ΔQ
glace
-10°
Pierre Eckert ¦ Prévision
19
Météorologie
•
•
•
•
Energie Mécanique
Energie Calorifique
Energie de Rayonnement
Energie Electrique (faible)
• Les énergies peuvent se tranformer les unes en
autres, mais elles sont conservées
Pierre Eckert ¦ Prévision
20
Puissance:
Définition:
P = Energie / temps [Watt] [W]
Exemple du mobile:
1250 [J] pour passer de 0 à 50 [m/s]
Si il faut 10 secondes, la puissance sera alors de:
1250 [J]/10[s]=125 [W]
Autres unités:
1 CV (Cheval Vapeur) = 736 [W]
Une ampoule de 100 W éclaire pendant une année, soit 365
jours x 24 h = 8760 h
L‘énergie utilisée est: 100 . 8760 = 876‘000 Wh = 876 kWh
A 10 centime le kWh, cela coutera 87.6 Fr.
Le kWh est une unité d‘énergie.
Pierre Eckert ¦ Prévision
21
Transport de Chaleur
Conduction:
T1
Longueur L
T2
section S
Flux de chaleur
γ = ∆Q/∆t = χ S(T1-T2)/L
χ dépend du matériau
Argent: χ = 9.7 10-2 (bon)
Air: χ = 5.7 10-6 (mauvais)
Pierre Eckert ¦ Prévision
22
Transport de chaleur
Convection
Source
Ne s‘applique qu‘aux fluides (gaz, liquides)
Pierre Eckert ¦ Prévision
23
Transport de chaleur
Rayonnement
Un corps dont T > 0° émet un rayonnement électromagnétique
Emetteur
Récepteur
T > 0°
EEmis => Chaleur
Energie
Electromagnétique
Sans support matériel
Pierre Eckert ¦ Prévision
24
Bilan radiatif de la Terre
r
Soleil
Terre
Pémission/S = σ T4
Pabs=Pémission : 1400 (W) 0.7 (albedo moyen 0.3) π r2 =σ T4 4 π r2
=> Téquilibre = 256°K = -17°C (il manque 30°)
Pierre Eckert ¦ Prévision
25
Rayonnement solaire /terrestre
Pierre Eckert ¦ Prévision
26
Equilibre radiatif annuel
Pierre Eckert ¦ Prévision
27
Energie solaire entrante
51% de l‘énérgie solaire est absorbée directement par le sol (surtout les
océans tropicaux)
90% de l‘énérgie infrarouge émise par la terre est absorbé par les gaz à
effets de serre, donc seul 10% échappe directement dans l‘espace
Pierre Eckert ¦ Prévision
28
Energie solaire entrante
Energie terrestre sortante
Pierre Eckert ¦ Prévision
30
Les spectres de radiation
Solaire
UV, Vis, proche IR
Pierre Eckert ¦ Prévision
Terrestre
IR
31
Fenêtres infrarouge vers 10 μm
C‘est par conséquent via cette fenêtre que la terre émet le plus vers l‘espace
Radiation
Flux solaire absorbé par la terre
Flux radiatif émit par la terre
La terre absorbe plus de radiation solaire dans les régions équatoriales ce qui
explique pourquoi les températures y sont plus fortes,
• La zone d’absorption maximales se déplace vers l’hémisphère nord en été et
vers l’hémisphère sud en hivers.
Le flux d’infrarouge réémit par la terre varie moins que le flux absorbé.
Pierre Eckert ¦ Prévision
33
Bilan d‘énergie
Rayonnement long ré-émis
Deficit
Equateur : plus d‘énergie qui
arrive que d‘énergie qui part
Pôles
plus d‘énergie qui part que
d‘énergie qui arrive
bilan
Rayonnement solaire incident
Deficit
Pierre Eckert ¦ Prévision
34
Circulation globale de la terre, sans
saisons et sans rotation
Pierre Eckert ¦ Prévision
35
Mais la terre tourne
Ω
V
V: vitesse de rotation
La terre fait un tour en 24h
La circonférence à l‘équateur est:
40‘075 km
Soit 1670 km/h à l‘équateur
Au pôle: V=0 km/h
Si il n‘y avait qu‘une seule cellule, la parcelle d‘air partant de
L‘équateur arriverait avec une rotation infinie au pôle, il faut
Donc plusieurs cellules. Effet du patineur.
Pierre Eckert ¦ Prévision
36
Circulation globale
Cellule polaire
Front polaire
Zone des vents d‘ouest
Vents d‘ouest
Latitude des chevaux
Haute pression
Cellule de Hadley
Vents alizés
Zone de convergence inter-tropicale
Basse pression
Vents alizés
Latitude des chevaux
Cellule de Hadley
Haute Pression
Vents d‘ouest
Zone des vents d‘ouest
40èmes Rugissants Front polaire
Cellule polaire
Pierre Eckert ¦ Prévision
37
Front polaire (1)
Pierre Eckert ¦ Prévision
38
Source: Hack (1978)
Front polaire (2)
Pierre Eckert ¦ Prévision
39
Source : Hack (1978)
Front polaire (3)
Pierre Eckert ¦ Prévision
40
Source : Hack (1978)
Front polaire (4)
Pierre Eckert ¦ Prévision
Source : Hack (1978)
41
Front polaire (5)
Pierre Eckert ¦ Prévision
42
Source : Hack (1978)
Front polaire (6)
Pierre Eckert ¦ Prévision
43
Source : Hack (1978)
Occlusion (1)
Pierre Eckert ¦ Prévision
44
Source : Hack (1978)
Occlusion (2)
Pierre Eckert ¦ Prévision
Source : Hack (1978)
45
Pierre Eckert ¦ Prévision
46
Toutes les observations: carte synoptique
Pierre Eckert ¦ Prévision
47
Toutes les observations: carte synoptique
Pierre Eckert ¦ Prévision
48
Toutes les observations: carte synoptique
Pierre Eckert ¦ Prévision
49
Froid
Chaud
Stabilité verticale
•
•
•
•
•
•
•
•
Concept de parcelle (bulle) d’air
Bulle d’air chaud monte : Archimède, flottabilité
La pression diminue
Détente adiabatique  baisse de température
Augmentation de l’humidité relative  saturation
Transformation vapeur d’eau en liquide (condensation)
Dégagement de chaleur latente
La bulle reste plus chaude que son environnement
jusqu’à haute altitude
• C’est le mécanisme de la convection humide
Pierre Eckert ¦ Prévision
51
Emmagrammes
P
θ
h
θw
r
SαE
Pierre Eckert ¦ Prévision
T
52
Décroissance de la température:
•
Adiabatique sèche (θ = constante)
g
K
d 
 9.8[
]
CP
Km
•
Adiabatique humide (θw = constante)
s  d 
T
(1  30rs )
L drs
 d
CP dz
(1  150rs )
P
Rs (kg/kg)
Γs
20°
1000 HPa
0.15
4.4(°K/km)
27°
1000 HPa
0.23
3.7 (°K/km)
-40°
300 HPa
0.004
9.27 (°K/km)
<-50°
Pierre Eckert ¦ Prévision
9.8 (°K/km)
53
Instable
Pierre Eckert ¦ Prévision
54
Stable
Pierre Eckert ¦ Prévision
55
Stabilité de l’air et dispersion des polluants
1) Instabilité absolue
2) Instabilité conditionnelle
m
m
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0
10
11
12
13
14
15
°C
10
11
12
13
14
15
°C
Courbe d’état (gradient de température) pour l’air ambiant
Gradient de température adiabatique sec pour un air pollué sec
Pierre Eckert ¦ Prévision
Gradient de température pseudoadiabatique pour un air pollué humide
56
Stabilité de l’air et dispersion des polluants
4) Inversion de température
3) Stabilité absolue
m
m
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0
10
11
12
13
14
15
°C
10
11
12
13
14
15
°C
Courbe d’état (gradient de température) pour l’air ambiant
Gradient de température adiabatique sec pour un air pollué sec
Gradient de température pseudoadiabatique pour un air pollué humide
Pierre Eckert ¦ Prévision
57
Niveaux clefs du sondage
EL
LFC
CCL
LCL
Tc
Pierre Eckert ¦ Prévision
58
Orages
Pierre Eckert ¦ Prévision
59
Supercellule
Pierre Eckert ¦ Prévision
60