La météorologie

Un peu d'histoire

La météorologie est une science physique qui s'interresse à un milieu dont l'extension est celle de la planète entière.

Les expressions conduisent à des règles très judicieuses : "Les jours qui vont de Noël aux rois donnent le temps des douze prochains mois."

Petit à petit on a établit des lois qui régissent la météorologie, on doit connaître notre position par rapport au Soleil. On a établit des théories astronmies modernes avec Galilée, Kepler... Qui ont mit en évidence des mécaniques de gravitation et repousser les conceptions géocentriques des anciens.

Il a fallu attendre le XVII e siècle pour les premières théories s'édifient, donnant l'idée de réaliser certaines expériences si ces ébauches de théories sont confirmées ou pas. A partir de cela, on a eu l'émergence de Pascal qui établi l'équation de la pression avec l'altitude. La pression est un poids à l'unité de surface.

Le baromètre : la pression atmosphérique est relativement élevé et donc un fluide relativement dense. Par la suite, on a réussi à réaliser à déterminer la température et l'humidité. C'est avec ces deux éléments qu'on a conçu la saturation de l'air. Ensuite, on a appri à mesurer le vent, l'insolation. Les valeurs des mesures sont différentes selon l'altitude et le lieu, mais à cette époque avec une mauvaise communication ce n'est pas possible de faire des mesures sur toute la Terre (frontières, milieux hostiles). La vrai naissance de la météorologie moderne commence avec les réseaux de communication. Du fait qu'on arrive à changer l'information d'un état à un autre, on a pu prévoir la météorologie à un moment précis (vers fin XIX début XXe). Il a fallu attendre 50 ans pour que l'informatique apporte à l'humain la météororlogie. On imagine peu à peu une circulation des masses d'air, que la pression atmosphérique variait d'un endroit à un autre et que les températures varient en fonction des saisons et des altitudes.

Au cours du XXe siècle, tout un réseau de station météorologie est construit afin de déterminer l'état de l'atmosphère au niveau des surfaces puis dans son épaisseur d'où l'apparition de la radio - sondage.

Voie déterministe dans la science météo. Il y avait aussi une certaine incertitude dans ces prévisions. Les modèles numériques sont nés, toute la prévision météo est adossée à ces modèles.

En station, les résultats détermministes proviennent de l'ingénieurie puis va être des modèles numériques afin de déterminer la météo. C'est à partir de la météorologie qu'est née la climatologie.

Aspect descriptive de l'atmosphère

La Terre est entourée d'une mince couche d'atmosphère dont la pression décroit avec l'altitude. La moitié de sa masse est concentrée sur les 5 premiers Km. On admet que tous les phénomènes météo ordinaires se produisent dans les 30 premiers km voire les 15 premiers Km. Cette couche atmosphérique s'appelle la troposphère. L'air atmosphérique est un mélange d'air sec et de vapeur d'eau. Cet air sec est un mélange de plusieurs gaz dont les deux principaux sont en volume : l'azote (78,09%) et l'oxygène (20,95%). A ces deux premiers gaz s'ajoutent l'argon (0,93%) et le gaz carbonique (0,03%). Plusieurs autre gaz rare avec le néon, le krypton, l'hydrogène, le xénon, l'ozone et le radon.

Il y a un élément essentiel, c'est l'eau dans tous ces états. La proportion d'eau est très variable

• 1 %° dans les régions très froides
• 5% dans les régions les plus chaudes tel que les régions équatoriales

Du fait que l'eau liquide à la surface de la Terre est donnée des les basses couches de l'atmosphère. Dans ces composants gazeux, il y a des particules diverses. Toutes ces poussières en suspension dans l'air conduisent à des phénomènes météorologiques majeurs. En plus existe des particules ionisés mais qui ont peu de conséquences sur le temps. Elles se retrouvent aux hautes altitudes. Un certain nombre de paramètre permet de caractériser l'état atmosphérique. La température, l'humidité de l'air et le vent. Le vent est un vecteur avec deux paramètres : direction et vitesse. Il y a quand même des constituants de l'atm qui ont des paramètres vitaux comme l'ozone qui absorbe l'UV. Le rayonnement solaire vient apporté son énergie à la surface de la Terre. Le vent, l'air se déplace autour du globe, l'air surchaufé à l'équateur va se propager vers les pôles.

Les principaux paramètres

• La pression atmosphérique : la pression correspond au poid de la colonne d'air en un point jusqu'à la limite sup de l'atm. Cette pression se mesure avec un baromètre, son unité est hPa. La pression moyenne au niveau de la mer est de 1013,25 hPa ou la hauteur de 760mm de mercure.

Anticyclone : endroit de l'atmosphère où la pression est élevée par rapport au voisinage d'un même niveau horizontale. Sur une carte, un anticyclone se caractérise par un système isobare insérant des valeurs de pression plus fortes que celles qui existent à l'extérieur. Il donne lieu à une configuration si on considère le centre géopotentiel.

La dépression : endroit de l'atm où la pression est basse par rapport au voisinage à un même niveau horizontale et s'oppose à l'anticyclone. Il se caractérise par un système de lignes isobares insérant des valeurs de pression plus basses que celles qui existent à l'extérieur. Il donne lieu à une config si on considère le rayon X et le centre géopotentiel.

Les isolignes ou isobares sont des lignes reliant des points de mesures l'egales pression surface de la mer. Les isolipses sont des lignes dans l'atm en altitude. Le fait de représenter une surface isbare, il va y avoir des bosses quand il s'agit d'anticyclone en surface, et des creux lors de dépressions en surface. On constate des variations de pression mais aussi en altitude. En France, les isobares sont de 5 en 5hPa.

• Le gradient de pression : rapport entre la variation de pression sur la variation de distance. La variation de la pression en fonction de l'altitude. La décroissance de la pression est de 1hPa pour 8m d'élévation. Un vacation de 1hPa équivaut à 60m.

La température de l'air : résultat de différents échanges d'énergie. L'unité est le °K, dans la pratique en France on utilise le °C. T(°K)= T(°C) + 273,15

La température est un paramètre fluctuant pour un endroit donné. Les températures varient en fonction de l'heure de la journée. Il y a une amplitude diurne entre la minimale et la maximale quotidienne. Il y a aussi des amplitudes annuelles entre hiver et été. Il y a aussi des amplitudes avec l'altitude et une variation avec la laltitude. L'amplitude journalière est plus élevé aux tropiques qu'au pôles.

La température dans la troposphère est moins élevée aux pôles.

• L'humidité de l'air : la teneur de l'air en vapeur d'eau varie en même température en fonction des possiblités australes d'alimentation hors cette dernière est assurée par l'évaporation quasi permanente. La teneur en vapeur d'eau décroit en altitude à mesure qu'on séloigne de ses sources. L'eau dans l'atmosphère se présente sous trois états selon la température. Entre ces trois états, on une transformation endogène (qui absorbe de la chaleur), la solidification, condensation, liquéfaction sont des transformations exogène (libère de la chaleur). A chaque transformation correspond trois chaleurs latentes. Une valeur pour la fusion, la vaporasition et la sublimation.

En météorologie, il y a deux changements de l'état de l'eau qui se rencontrent régulièrement : l'évaporation et la condensation. Ces deux composants se composent comme des gaz parfaits, ce fait permet d'appliquer la loi physique des fluides.

Un nuage possède de la vapeur d'eau et de l'eau liquide. Brouillard givrant, nuage glacé cohexiste de la glace et de la vapeur d'eau. Une formule relie la tension de la vapeur d'eau saturante et la température. On apelle air humide, mélange d'air sec et vapeur d'eau non saturante et air saturée, mélange d'air sec et de vapeur d'eau saturante.

L'humidité relative : rapport en la quantité actuelle de vapeur d'eau dans un air donné et la quantité maximale que cet air peut mettre dans un même volume. Rapport entre la vapeur d'eau actuel de l'air et la vapeur d'eau saturante correspondant à la température.

• Le vent : les particules d'atm ne sont pas immobiles à la surface du globe, elles sont soumise à plusieurs forces. Le vent est un mvt de l'air par rapport à la surf terrestre en l'absence de spécification contraire, un consiède en météorologie seulement la composante horizontale du composant aérien. Le vent est donc un vecteur résultant de plusieurs forces : son poids, les forces de pression, les forces de frottement (au voisinage de la surface terrestre), la force de Coriolis (force d'inertie dû à la rotation de la Terre et agit sur les particules d'air en mvt relatif par rapport à un repère lié à la terre). Le vecteur vent à une direction et une vitesse. Le vent est une direction de 10 en 10° par rapport au Nord géographique (36 directions). On parle également de vitesse de vent, notée soit en noeud, soit le m.s-1. Le noeud est une vitesse des marins correspond à 1' d'angle de la surface terrestre -> 1852m /h Dans le sens horizontal c'est quelques m/s ascendente ou subsidente. Anticyclone : subsidence, le vent qui vient d'en haut s'écrase. Dans le plan horizontal les vitesses de vent peuvent atteindre 100 à 102 km/h.

Les vents violents : vents catabatiques proviennent des pôles et descendent très froides des reliefs. L'une des principales forces qui s'exerce sur les particules d'air est la force de pression qui détermine une direction du vent dans un champ de pression où on a tracé des isobares. C'est la règle de BUYS BALLOT qui représente les particules d'eau dans l'air orientés // aux lignes isobares de tel sorte que les basses pressions sont laissées sur leur gauche dans l'hemisphère Nord et sur leur droite dans l'hemisphère Sud.

Circulation générale

La Terre est un sattelite, du Soleil, une année (365,25), en ellipse ce qui permet d'avoir différentes saisons. L'inclinaison de la Terre et de 23°27''. Cela induit l'aternance des 4 saisons dans les régions tempérées. Le début et la fin de chaque saisons sont déterminés par la position de la Terre par rapport au Soleil. Au cours de l'année, dans l'hémisphère Nord, on remarque 4 instants remarquables :

• 2 équinoxes (21 mars, début du printemps, 23 semptembre début de l'automne)
• 2 solices (le 21 juin, début de l'été, l'angle S -| à la surface terrestre, la 22 décembre, le début de l'Hiver)

Dans l'hémisphère S les saisons sont inversées. Donc la circulation générale découle 1 tour/ jour et l'angle de l'axe de la Terre, déséquilibre énergétique entre les poles et la zone intertropicale (entre les deux tropiques Cancer et Capricorne). Il y a une circulation méridienne (du S vers le N ou inversement) qui permet la répartition de l'énergie. Cette circulation est plus ou moins marquée selon l'époque de l'annnée dans les deux hémisphère. Il y a également une circulation zonle, la circulation s'éffectue dans le sens de l'ouest vers l'est, ce sont les vents de NE à E des alizées, dans les régions tropicales. Et il y a égaleent une circulation O vers E dan les régions tempérées (tropiques et poles) induitent par le mvt de la T sur elle même. Ces mvt horizontaux de basses couches sont compensées par des mvt inverses à haute latitude -> cellules de circulations dans les zones tropicales, tempérées et polaires. Jet tropicale et jet polaire entre les cellules de circulations. Ce sont des vents de l'ordre de 100 voir 200 Km/h voir plus.

Ces cellules déterminent des centres d'actions. Les centres d'actions (dépression d'anticyclone) avec un sens de circulation de l'air et du fait de la zone tropicale où il y a une convergerce -> barrière anticyclonique, l'air sort de l'anticyclone convergence car deux anticyclones. Les différents éclairement S à la surface de la T dû à l'axe polaire induisent trois zones climatiques : intertropciale où l'NRJ solaire est sensiblement constante dans l'année, la zone polaire où l'NRJ solaire est faible car répartie sur une grande surface terrestre et entre les deux la zone tempérée où l'NRJ solaire est moyenne mais connait une forte variation saisonnière.

Bilan radiatif

Chaque corps émet un rayonnement spécifique en fonction de sa T° -> loi de stephen où l'NRJ est une fonction ^4 de la T°. Le comportement thermique entre océan et Terre entre les saisons induisent des phénomènes de plus ou moins grande ampleur dans l'espace et dans le temps. Espace : échelle planétaire, zone de convergence entre les deux tropiques avec l'alternance de saisons sèches et humides, moussons d'Asie et d'Afrique, El Nino, La Nina (réchauffement des masses d'eau de surface de l'ocean Pacifique), les cyclones de régions tropicales, dépression des régions tempérées avec front associé. Mésoéchelle (10 - 100Km), avec une durée de qq h à plusieurs jours de certains vents locaux mistral et intramontagne, orages, brises de mers et de terre. A l'échelle plus petites -> fronts associé aux dépressions des régions tempérées, le temps de ces réfions résultent des masses d'air : l'air froid des poles par rapport à l'air chaud des tropiques associés à des influences océaniques ou bien terrestre, plus ou moins marqués. L'air froid surmonte l'air chaud -> ascendence, la confrontation entraine la condensation en fine gouttelettes d'eau qui vont constitué les nuages et enfin donner les précipitations de ces particules élémentaires -> cohalescence. La transf de l'état de l'eau de la vapeur d'eau vers les gouttelettes d'eau et la glace sont exogènes -> libèrent de la chaleur et une partie est transf en mvt : les vents et le jet.

Situations météorologique dans les zones tempérées

La prévision commence par l'analyse autant en surface qu'en altitude des observations. Un réseau de station météorologique effectue des relevés, des messages sont ensuite envoyés sous forme codés répondant à des normes internationales adoptés et discutés au sein de l'OMN (organisation modiale de la météorologie) centre à Genève, est une dépendance de l'ONU. Ces observations sont ensuite transcrites sous forme graphique sur les cartes par un pointage répondant à des normes internationales ont étés transcrites dans un tableau qui a été mise au point en 1961 par l'OMN (tableau de Washigton). Ce tableau, permet le pointage des observations météorologiques avec ses différents paramètres : nébulosité, les trois couches nuageuses (bas, moyen élevé), la T° sèche (air) et la T°(air qu'on a refroidit pour atteindre la saturation) du point de rosée. (direction vent, vitesse noeud, pression atm au niveau de la mer et sa tendance au cours des trois heures précédentes). Ces différents pointages sur la surface terrestre permettent de tracer des hysop=bar, et de déterminer des centres d'action -> anticyclone (>1 015hPa) et dépression (<1 015 hPa) dorsales anticyclonique et talvegs. Les T° de surface permettent de déterminer les fronts chauds et fronts froids et oclusions. Ces différents paramètres permettent de déterminer des masses d'air dut faite qu'il y a une alternance des terres et surface liquide apport NRJ au niveau de l'équateur météorologique par rayonnement solaire.