LA BRISE  Ce qu’on croit savoir  Ce qu’on a constaté  Méthodes de prévision  la brise vue par les modèles.

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1 LA BRISE  Ce qu’on croit savoir  Ce qu’on a constaté  Méthodes de prévision  la brise vue par les modèles

2 THEORIE DE LA BRISE

3 Iso surfaces de température grad P grad T Gradient de température ISO LIGNES DE PRESSION

4

5 Iso surfaces de température ISO LIGNES DE PRESSION grad T grad P B VECTEUR BAROCLINIE

6 1 2 4 3  L’antibrise en altitude naît avant la brise  La boucle de brise est asymétrique  La brise de mer « pure » rentre du large

7 La nuit le phénomène s’inverse 1 2 4 3  L’antibrise en altitude naît avant la brise  La boucle de brise est asymétrique  La brise de terre « pure » rentre de la côte  la boucle de brise nocturne est bien moindre que la diurne Théorie

8 Le front de brise est une zone de convergence qui se forme en général en mer en cours de matinée (resp. nuit) lorsque la brise de terre ( resp. mer) devient très faible. Cette zone se déplace vers la côte (resp. large), poussée par la brise de mer (resp. terre) qui s'établit. Cette zone de calme (10 à 500 m) sépare deux zones de vents peu ou prou opposés. Qu’appelle t’on front de brise ? 10 A 500 m SENS DE DEPLACEMENT de jour FRONT DE BRISE Parfois des NUAGE BAS (STRATUS) CUMULUS ZONE DE CALME BRISE FAIBLE VENT DE TERRE

9 Front de brise tant sur le nord-ouest de la France, que sur le sud-est de la Grande-Bretagne

10 Limite: les schémas précédents sont intéressants, mais n’expliquent pas un fait expérimental Et pourtant elle tourne! La brise… Pour les causes expliquées précédemment:  Le vent naît et se renforce  la force de Coriolis agit ( si durée suffisante et domaine spatial suffisant)  le vent tourne donc sur sa droite dans l’hémisphère nord On arrive ainsi au cas de la brise pure où le vent décrit un 360° en 24 heures (avec deux calmes)

11 A QUELLE THEORIE PEUT T ’ON RATTACHER LES PHENOMENES DE BRISES ? Le théorème de Lord Kelvin "La dérivée temporelle de la circulation C du vecteur vitesse le long d'une courbe matérielle fermée C est égale à la circulation du vecteur accélération le long de cette courbe." Théorie

12 Le théorème de Bjerkness qui est obtenu en appliquant la théorie de Kelvin au vecteur vitesse, Dans cette équation est le terme solénoïdal qui peut se transformer en : On définit le vecteur baroclinie (nul en régime barotrope et souvent horizontal par suite de quasi-verticalité de et de par : dl est ici un élément d ’arc A E : aire enclose par la projection équatoriale d’un circuit fermé. Théorie

13 L’estimation classique du terme solénoïdal le long d’un circuit vertical rectangulaire, perpendiculaire à la côte, centré sur elle et avec les cotés horizontaux supposés isobares conduit avec les notations suivantes(cf. figure ) : L = 20 km, h = 1000m, Psup = 900 hPa, Pinf = 1000hPa,T terre = T mer + 10°C à : Ceci correspond à une accélération tangentielle moyenne le long du circuit égale à : /[2(h+L)]~0,7cm/s 2, capable de conduire en une heure à une vitesse de 25m.s -1 C’est le terme de frottement qui empêche l’obtention de telles vitesses.

14 Cela peut se faire par :  l’observation de tous les jours  par l’approche climatologique, confrontée avec la pratique quotidienne Constater (croire sans vérifier n’est que de la naïveté) La connaissance de la climatologie est nécessaire à la prévision. Elle place le cadre que la prévision affinera

15 une approche statistique ( aérodrome de Marignane) : Brise de mer Comment peut-on prévoir la brise ? Brise de terre Brise de mer Brise de Terre Pas de notion de direction dans cette approche, et pourtant…

16 On trie chaque journée en calculant la direction de la résultante vectorielle des vents tri-horaires  On calculera ensuite un bilan moyenné des journées de même direction  On tient compte en particulier de la saison, de la nébulosité, de la force des vents ( on élimine les vents forts)  On visualisera les résultats sous forme graphique (le polygone) Autre approche statistique: les polygones de brise Attention: les résultats sont fonction des critères utilisées

17 Polygone de brise Quelques résultats

18 Graphe annuel: une structure organisée en moyenne

19 Une structure mensuelle évolutive: ici janvier

20 Une structure mensuelle évolutive: ici février

21 Une structure mensuelle évolutive: ici mars

22 Une structure mensuelle évolutive: ici avril

23 Une structure mensuelle évolutive: ici mai

24 Une structure mensuelle évolutive: ici juin

25 Une structure mensuelle évolutive: ici juillet

26 Une structure mensuelle évolutive: ici août

27 Une structure mensuelle évolutive: ici septembre

28 Une structure mensuelle évolutive: ici octobre

29 Une structure mensuelle évolutive: ici novembre

30 Une structure mensuelle évolutive: ici décembre Il faut traiter les données de manière saisonnière ou mensuelle

31 L’été Cas: NW faible

32 11 Avec seulement 11 journées (151 dans le graphe précédent), on obtient l’essentiel du signal Excellent dans certaines classes

33 L’été Cas: NW modéré

34 Avec seulement 14 journées (147 dans le graphe précédent), on obtient l’essentiel du signal

35 L’été Cas: NE faible

36 Dans certains cas, le vent tourne mais ne change guère de force

37

38 Le sud-est sur ce site est rare (4 cas), la confiance à accorder à ce diagramme est nulle. Nous estimons qu’à partir d’un échantillon de # 10 le signal est utilisable.

39 Dans ce cas de brise pure, le vent tourne de 360° en 24 heures.

40 En 14 cas (sur 128), on retrouve l’essentiel du signal En

41 Influence de la nébulosité l’été: Ici nébulosité <=4/8 Composante nord en moyenne

42 Influence de la nébulosité à 12 tu l’été: Ici nébulosité >4/8 composante W plus marquée Quand le vent souffle de la mer, souvent plus de nébulosité, mais n’empêche pas un cycle diurne Le tri en nébulosité n’est pas le plus important

43 Le critère direction est riche: il sous-entend, la provenance de la masse d’air donc sa stabilité, sa température, son humidité… Le traitement statistique standard de la brise par les polygones comprend pour une saison: - deux classes de force du vent, - huit classes de direction de vent, N, NE, E, SE, S, SO, O, NO. Un cas particulier (résultante vectorielle de la journée inférieure à 2 m/s) est traité à part : la brise « pure », faible ou forte. Au total 18 cas n.b.: Les journées à forte nébulosité et vent fort ont été auparavant éliminées

44 la Rochelle l’été Échantillon ou fréquence Le cas dans lequel on est Origine des vents Heure locale Quel est le vent à 17 heures ? Ouest # 6 nœuds

45 Quel est le vent à 20 heures ? Nord-Ouest # 8 nœuds Quel est le vent à 14 heures ? Ouest # 6 nœuds la Rochelle l’été

46 la Rochelle l’été

47 la Rochelle l’été

48 la Rochelle l’été

49 Si l’échantillon est trop faible (< 10 cas ?), le polygone cas n’est pas tracé la Rochelle l’été

50 la Rochelle l’été

51 la Rochelle l’été

52 la Rochelle l’été

53 la Rochelle l’été

54 la Rochelle l’été

55 la Rochelle l’été

56 la Rochelle l’été

57 la Rochelle l’été

58 la Rochelle l’été

59 la Rochelle l’été

60 la Rochelle l’été

61 la Rochelle l’été Ne pas trier les données par direction est une hérésie

62 Diverses visualisations Ce programme, asservi avec l’électronique de bord tournait à bord d’un classe America à San Diego. On pouvait ainsi comparer le suivi réel du vent issu des capteurs du bateau et l’approche polygone.

63 Diverses visualisations Les statistiques permettent d’aller un peu plus loin: Dans ma série, si le polygone résultant indique une rotation dans un sens, ce n’est pas toujours vrai au pas quotidien. Le traitement ci-dessus quantifie le risque (aide à la tactique)

64 Diverses visualisations

65 Même les fichiers horaires font le plus souvent apparaître une structure horaire organisée. Exemple de Savannah (JO d’Atlanta) Influence du pas de temps

66 Principaux résultats des polygones de brise  pour une direction donnée, le vent présente en moyenne une structure organisée en fonction de l’heure  Suivant la direction, tout est différent. Plusieurs cas sont à considérer, un pour la brise pure, un pour chaque direction synoptique  Les heures approximatives des bascules sont connues pour chaque cas  Sans modèle disponible mais avec une observation, on a quelque chose à dire (loi du moindre effort)  traitement indispensable à toute étude sérieuse de plan d’eau N.b. : Il faut évidemment aussi tenir compte de la saison (les brises de terre prédominent l’hiver, celle de mer l’été) et de la force des vents (en cas de vents forts l’évolution synoptique prédomine)

67 On se placera ici dans le cas d’un littoral axé nord / sud, comme sur le littoral atlantique. Pour un littoral axé différemment, il suffira de faire tourner cet axe Loi du moindre effort Modèle conceptuel ?

68 Le jour La nuit TerreMer 1 / Brise pure Calme

69 Le jour La nuit TerreMer 2 / Bascule par le nord Souvent renforcement diurne

70 Le jour La nuit TerreMer 3 / Bascule par le sud Souvent mollissement diurne

71 loi du moindre effort Le jour La nuit TerreMer Bascule par le nord Bascule par le sud Brise pure n.b. : on peut néanmoins passer d’un cas à un autre Calme

72  Elle a pu être mise en évidence à l’aide des polygones de brise (traitement statistique)  C’est une recette en bon accord avec l’observation courante, mais ce n’est pas une loi physique.  Elle amende le lieu commun suivant: la brise tourne toujours à droite dans l’hémisphère nord  Elle cache quelques arguments de bon sens:  Il ne se passe pas la même chose pour des composantes parallèles au littoral dans un sens ou son opposé (brise forte ou faible)  Brise et synoptique s’influencent mutuellement  Si le traitement statistique la fait apparaître, il y a derrière une réalité physique  Mais les polygones de brise sont plus précis : affinent les heures de bascule et l’amplitude des rotations La « loi » du moindre effort

73 La loi du moindre effort est particulièrement utile dans les cas suivants: vous êtes en bande côtière sans moyens de recevoir la météo La prévision démarre mal. Au lieu du vent attendu, il souffle d’une autre direction Dans les phases transitoires (établissement et fin de brise)

74  La brise vire au moindre effort (minimise la rotation) entre sa direction actuelle et la direction de la brise la plus courante sur le site. Elle n’atteint pas nécessairement cette direction (elle tend vers…).  Seul le cas de brise pure comporte deux calmes par 24 heures  Le vent ne tourne pas toujours à droite dans les effets de brise  Dans le cas de la brise mixte (thermique= synoptique), le sens de rotation change deux fois par 24 heures  Les deux cas de brise mixte donnent respectivement des brises faibles ou des brises fortes  Plus fortes rotations à l’établissement et à la fin

75 David Houghton a proposé une autre loi sur le même sujet: la « loi des quatre quadrants ». L’une privilégie suivant les quadrants les confluence ou diffluence (Houghton), l’autre la provenance de la masse d’air (entre autres ). En faisant tourner les quadrants d’Houghton de 45°, on rapproche les points de vue

76 Les prévisions sont un art difficile, surtout quand elles concernent l’avenir. Pierre Dac Prévoir

77 Quels sont les paramètres qui influencent la brise ?  le vent synoptique (direction et force) et le positionnement des centres d’action  l ’instabilité des basses couches de l ’atmosphère  les différences thermiques entre la terre et la mer  La nébulosité  L’orientation de la côte  la topographie du site Nota : des eaux froides baignant un littoral favorisent l’établissement de la brise de mer.

78 BRISETTE, BONJOUR Ce programme tente de déterminer l'occurrence de la brise et sa force maximum. Cet utilitaire doit-être optimisé localement ( ici pour La Rochelle ), mais les questions posées restent pertinentes partout (testé avec succès à Freemantle, San Diego, Atlanta, Barcelone). 1/ la température maximale sera-t-elle supérieure à celle de la mer? -A La Rochelle la température moyenne mensuelle de la mer est : Ja 8°, F 8°, M 10°, A 12°, M 14°, J 18°, J 20°,A 20°, S 19°, O 17°, N 13°, D 10° C'est une condition NECESSAIRE mais pas SUFFISANTE 2/ Le vent de terre E ou NE sera-t-il >= Force 3 beaufort ? c'est-à-dire à 5 HPA. pour 4 à 5 degrés de latitude. Force 2 correspond à 5 HPA pour 6,7 ou 8 degrés de latitude 3/ quelle est la DIRECTION du SYNOPTIQUE ( si NW,ou W après passage front froid taper 2,N taper 1, autre direction 0 )? Principe: questions pertinentes, pondération, diagnostic, recettes

79 4/ STABILITE : l'important est la différence de stabilité entre la terre et la mer. Le cas le plus favorable est instable sur terre (cumulus) et stable sur mer (ciel clair). Pour déterminer ce facteur on peut utiliser le radio-sondage prévu par le modèle PERIDOT pour 12 T.U. Attention des sondages instables sur de trop fortes épaisseurs cessent d'être très favorables. Des stratocumulus, matérialisant une couche instable proche de 1500 m. sont assez favorables sous réserve qu'ils se dissipent. stable sur mer et instable à terre, taper 2, instable partout, 1 couche convective peu épaisse <600 mètres, prendre 0 stable sur terre avec radio-sondage affaissé et inversion basse,-1 5/ TEMPERATURE DE LA MASSE D'AIR : air frais, 1, tiède, 0, chaud, -1. Si l'air vient de la mer prendre 1 car l'air humide est plus facilement instable que l'air sec. 6/ VARIATION SYNOPTIQUE : Si le gradient se resserre dans la direction de la brise,celle-ci est renforcée, taper 1,dans le cas inverse -1, pas d'évolution, 0. Toute hausse de pression sur l'eau ou toute chute sur terre est favorable, 1 et réciproquement, -1

80 7/ ENSOLEILLEMENT : Si bon ensoleillement ou si cumulus même nombreux c'est favorable, 1 Si ensoleillement prévu moyen, 0 Si nébulosité prévue mauvaise notamment par stratus, -1 8/ MAREES : En été la présence d'eau froide près du littoral est favorable à la brise. Une marée montante (flot) dans l'après-midi sera un petit plus flot dans l'après-midi, 1, jusant dans l'après-midi, 0 9/ FLUX D'ALTITUDE FAVORABLE A L'ANTIBRISE Si le vent d'altitude souffle de terre, il sera favorable à l'antibrise, première branche de brise à se déclencher. Il est souvent intéressant de prendre le vent au sommet de la couche d'inversion lorsqu'elle existe ou vers 1500 mètres dans les autres cas. Si de plus l'écart Tmer-Tair est très fort, on peut aller jusqu'à 3 très favorable 3, favorable, 2, bof 0, défavorable -1? 10/ CISAILLEMENT DE VENT AVEC L'ALTITUDE Si vous avez des éléments de réponse vous avez de la chance. Si cisaillement,néfaste aux mouvements verticaux, -1 en général prendre 0, pas de cisaillement

81 BRISETTE récapitulatif : direction vent synop.= 2 instabilité = 1 température = 1 variation synoptique = 0 ensoleillement = 0 marées = 1 cisaillement = 0 antibrise = 2 --- TOTAL = 7 Rappel : plus le coefficient est grand et positif, plus c'est favorable pour la brise. diagnostic : brise précoce montant à 20 kt.

82 Utilisation des polygones Dans les polygones disponibles, on recherche celui qui à l’heure donnée est le plus proche du vent observé ou prévu. On affinera ensuite si écart de force…

83 On n’est pas toujours pile dans le cas d’un polygone, que faire ? On s’estime en nord-ouest faible, On utilisera le polygone tel que

84 Le vent est plus fort qu’attendu, éventuellement d’une direction différente On décale l’origine, de manière à faire coller avec l’observation sur l’eau. On peut sélectionner une autre classe de direction si on l’estime plus pertinente Ancienne origineNouvelle origine

85 Et les modèles ?  Ils sont indispensables  ils progressent continûment  Mais ils ne sont pas parfaits (sous-estiment le cycle diurne)  Là où il faut faire la prévision, on n’en dispose pas toujours (et pas toujours la maille optimale)

86 Situation du 16 juin 1999 à 15 La boucle de brise vue par ALADIN Coupe verticale Subsidence au 3000 2000 1000 Vents tangents Ascendance à la côte Altitude pression en mètres UTC 0 large

87 L ’IMAGE SATELLITAIRE CORRESPONDANTE Image satellite du 16 juin à 14:09 UTC Visualisation de l’ascendance Zone de cumulus

88 COMPORTEMENT DE LA BRISE LA NUIT Altitude pression en mètres  Les brises nocturnes Coupe verticale, le 23 juin 1999 à 06 UTC Cette coupe verticale a été effectuée sur le Cotentin 2000 1000 0 Vents tangents Subsidence Coussin ( zone de calme)

89 MISE EN EVIDENCE DES FACTEURS QUI DECLENCHENT LA BRISE  Situation générale sur la France : Image satellitaire du 24 juin 1999 à 15 UTC Etude de la situation du Pas de Calais pour montrer les influences de la stabilité de l’air et du gradient thermique quant à l’établissement de la brise. Documents : les météogrammes (illustrant la température, l’orientation du vent et la force du vent, les cartes de températures, le radiosondage à cet endroit..

90  Situation du Pas de Calais (vent de terre) : Carte de températures à 15 UTC et vents à 10m  Radiosondage Sur le Pas de Calais La situation est favorable à la brise en raison de l ’instabilité relative visible sur le radiosondage et du gradient thermique bien marqué entre la terre et la mer (12 degrés).

91 On note la rotation du vent qui passe du Nord-Est au Nord-Ouest par la gauche avant de revenir à l’Est. Le vent forcit entre 09h et 15h de 2 à 8 m/s, ce qui montre l’apparition d’une petite brise. Orientation du vent

92  Exemple d’établissement de la brise en Bretagne : Carte des températures à 2m et vent à 10 m le 24 juin 1999 à 15 UTC X X X Suite du diaporama Comment évolue la brise ?

93 vers la gauche avant de revenir à l’Est. On note un petit renforcement C’est la loi du moindre effort Météogramme concernant le point de la côte Nord Bretagne : Le vent entame une rotation du vent entre 09h et 15h. Orientation du vent

94 Météogramme concernant Brest (par vent de terre): Sur Brest, la brise rentre lorsque le vent est nul (12h et 18h) où l’on note qu’il s’oriente à l’Ouest Orientation du vent

95 Météogramme concernant un point de la côte Sud Bretagne: Orientation du vent Le vent effectue une rotation de 360° vers la droite (moindre effort).

96 Comment disparaît la brise ? Coupe verticale, le 16 juin à 21 UTC Altitude mètres Altitude pression en m L’ascendance à la côte disparaît peu à peu UTC Coupe verticale, le 16 juin à 18 Altitude pression en m Vents tangents

97 Cas type: Flux de sud sur le littoral atlantique Effet de brise vu par le modèle Aladin

98 00 UTC

99 06 UTC

100 12 UTC

101 18 UTC

102 00 UTC

103 06 UTC

104 Les modèles à maille très fine tel Aladin dans ce cas rendent souvent assez bien les effets de brise, comme ici l’alternance SSE à SSW entre jour et nuit. Le jour La nuit

105 La belle boucle de brise décrite dans les livres est-elle le cas le plus courant ? ne s’observe qu’en synoptique faible, pas si fréquent. Dans quel cas a-t-on deux calmes par 24 heures ?En brise pure. Pourquoi les vents tournent-ils à droite par brise pure ? Coriolis. En brise mixte, des calmes ? d’autant – que synoptique sensible. La brise nocturne souffle de ? souffle de la terre. Le type de synoptique ne fait rien à l’affaire ? faux. L’instabilité de l’air est favorable à la brise? OUI. A sur l’eau et D à terre favorable à la brise? OUI car favorise subsidence au large et ascendance à terre. Quelle différence essentielle entre brise pure et mixte? Dans un cas on a 360 ° en 24 heures, dans les autres bascules de part et d’autre d’une direction moyenne (à droite ou à gauche). Les brises de vallée tournent plus que les brises marine? faux. La boucle de brise est symétrique? faux.

106 Extraits d’ “Use of ALADIN model for a study of idealized see-breeze cases” Jure JERMAN, Kay SUŠELJ EARS (Environmental agency of Slovenia) Meteorological office

107 Cas 1: Atmosphère Standard, pas de vent du gradient Hypothèses communes aux trois cas traités: île, ronde, plate aux latitudes moyennes

108 Ile

109 09.00 10.00

110 11.00 12.00

111

112 Cas 2: Atmosphère instable

113

114 Cas 3: Atmosphère stable avec vent du gradient

115

116

117 Conclusions de cette étude l’instabilité aide la formation de la brise, à l’inverse un air stable peut stopper la brise la brise est plus forte est plus forte du coté sous le vent de l’île là où le gradient de vent est moindre

118 Diffluence Le jour Côte concave ou lac La nuit Confluence Diffluence Confluence Côte convexe ou île Le régime des brises existe également sur les lacs. En cas de vallées encaissées, les effets directeurs des vallées sont prépondérants, empêchant les rotations; les brises deviennent bi-directionnelles. Influence de la topographie

119 ÉtablissementMaturité Quels sont les effets induits par la brise de mer et brise de terre sur une île de l’hémisphère nord ? Brise de mer Brise de terre