METEOROLOGIE PARTIE 2 Réalisation : M. Bielle

SOMMAIRE PARTIE 2 LES PRECIPITATIONS LE VENT LES MASSES D’AIR LA CIRCULATION GENERALE LA FRONTOLOGIE ET CYCLOGENESE

LES NUAGES CONSTITUTION ET PRECIPITATIONS

LES NUAGES CONSTITUTION PHYSIQUE DES NUAGES Les gouttelettes d’eau. 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

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

LES NUAGES NUAGE Abrév. Inter Étage Stable ou Instable Constitution Cirrus Ci Sup. Sta / Ins Glace Cirrocumulus Cc Instable Cirrostratus Cs Altocumulus Ac Moy. Eau + Glace Altostratus As Moy./ Sup Nimbostratus Ns Inf / Sup Stratocumulus Sc Inférieur Eau, Eau + Glace Glace seule ( rare) Stratus St Cumulus Cu Inf / Moy. Eau , base Glace au sommet Cumulonimbus Cb Inf. à Sup

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 Par rayonnement le domaine nuageux est généralement peu épais et subit une forte évolution diurne

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 Par advection l’extension verticale des nuages est plus importante et leur évolution diurne est difficile et peu sensible

FORMATION DES NUAGES REFROIDISSEMENT ADIABATIQUE Les plus grandes masses nuageuses stables ou instables résultent de ce processus. Il trouve son origine dans : L’ascendance d’une masse d’air chaud au dessus d’une masse d’air froid L’ascendance forcée sur un relief montagneux Les ascendances liées à la convection Les ascendances liées à la turbulence

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

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

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°)

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 Goutte d’averse Ø 4 mm

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. Vapeur d’eau Cristal de glace Gouttelette de nuage

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.

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

PRECIPITATION SOLIDE Grésil, Grêle , Neige. T < 0°C Cristal Flocons de neige Chute de neige Isotherme 0°

PRECIPITATION LIQUIDE Bruine, Pluie, Averse Cristal T < 0°C Flocons de neige Isotherme 0° 0° Flocon en fusion +2° T > 0°C Goutte de pluie Pluie

PRECIPITATION SURFONDUE T < 0°C Flocons de neige 0°C Goutte de pluie T > 0°C 0°C T < 0°C Pluie surfondue

SYMBOLE DES PRECIPITATIONS

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)

INSTRUMENTS DE MESURE LA VITESSE EST RELEVEE PAR UN ANEMOMETRE LA DIRECTION EST RELEVEE PAR UNE GIROUETTE LA VITESSE EST RELEVEE PAR UN ANEMOMETRE

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

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)

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. Vh Fch Hémisphère nord

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: Hémisphère Nord Fch Fph Vg Isobare Basses pressions Hémisphère Sud Fch Fph Vg Isobare Basses pressions HAUTE PRESSION 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

APPLIQUONS A D Vg Vg Vent géostrophique Forces de pression Fph Forces de Coriolis Fch

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) Retenons : Vent réel = 2/3 Vg sur mer Vent réel = ½ Vg sur Terre  HP BP Ffh Vg Fch Fph Ffh + Hémisphère nord Isobare  = 10° sur mer  = 30° sur Terre

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

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 )

VARIATIONS DE LA DIRECTION DU VENT AVEC L’ALTITUDE DANS LA COUCHE TURBULENTE Sommet de la couche turbulente Isobare VENT 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 lui-même 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. Isobare VENT Sol Isobare VENT

CONVERGENCE ET DIVERGENCE HORIZONTALES 980 975 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 1025 1030 St Sc Siège de la subsidence

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 Sens du vol

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 Sens du vol

1 mille nautique à l’ heure 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

LA CIRCULATION GENERALE

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

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 Anticyclone 1020 Hpa Région 60° Nord Dépression 1000 Hpa Région 30° Nord Anticyclone 1025 Hpa Équateur Basse pression relative 1010 Hpa

LA CIRCULATION EN SURFACE ( 2 ) Tracé isobarique de la répartition

LA CIRCULATION EN SURFACE ( 3 ) Direction des vents aux différentes altitudes

CICULATION DANS LE PLAN VERTICAL MERIDIEN La forte Divergence des centres Anti-cycloniques provoque des mouvements descendants à grande échelle La forte convergencedes centres dépressionnaires provoque des mouvements ascendants de grande ampleur

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 EN SURFACE EN ALTITUDE Anticyclone Polaire Dépression Dépression dynamique du 60° N Anticyclone dynamique du 30° N Anticyclone Dépression équatoriale

ORIENTATION GENERALE EN ALTITUDE

Surface Frontale Polaire NOTIONS DE MASSE D’AIR 10 15 20 Km 5 60°N 90°N 30°N 45°N 5°N 0°N Surface frontale arctique Air Arctique Air Polaire Air Tropical Air Equatorial Surface Frontale Polaire Surface de subsidence

INFLUENCE DES SAISONS ET DES CONTINENTS

LES MASSES D’AIR L’AIR ARCTIQUE L’ AIR POLAIRE ( maritime ou continental ) L’AIR TROPICAL ( maritime ou continental ) L’AIR EQUATORAL

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)

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 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.

MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES MASSES D’AIR

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. 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 » !

MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES MASSES D’AIR

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)

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

MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES MASSES D’AIR

MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES MASSES D’AIR CONVERGENCE PROVOQUANT UN FLUX DE SUD-OUEST Génératrice de situations orageuses en été

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

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.

MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES MASSES D’AIR

MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES MASSES D’AIR LES MASSES D’AIR TROPICALES CONTINENTALES……. En été . 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.

MOUVEMENTS PRINCIPAUX DES MASSES D’AIR

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 ».

Partie 3 : LA FRONTOLOGIE FIN DE LA PARTIE 2 METEOROLOGIE Partie 3 : LA FRONTOLOGIE