MétéorologieDiffusion des Savoirs (FTPTUE364) – Année 2014

Brice BoudevillainPhysicien-adjoint

Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie et Environnement (LTHE)

brice.boudevillain@ujf-grenoble.fr

Physicien-adjoint CNAP ≃ maître de conférence (– d’enseignement, + tâches liées à un service d’observation)

Service d’observation : Observatoire Hydro-météorologique Méditerranéen Cévennes-Vivarais ( http://www.ohmcv.fr )(Connaissances et capacités de prévision du risque hydro-météorologique associé aux pluies intenses et aux crues rapides)

Recherches personnelles : ◦ Caractérisation des évènements précipitants méditerranéens

◦ Estimation quantitative des précipitations par radar météorologique  dans un laboratoire d’hydrologie, le LTHE ( http://www.lthe.fr ).

Votre enseignant

Acquérir les fondamentaux de la météorologie : dynamique des fluides et thermodynamique appliquées à l’atmosphère, transfert radiatif.

Prendre conscience des interactions entre l’atmosphère et l’océan, entre l’atmosphère, le sol et la végétation.

Comprendre comment se forment les précipitations et la cause de leur variabilité spatiale et temporelle.

Connaître les moyens d’observation et de prévision actuels, leurs limites et les recherches en cours pour les améliorer.

Objectifs (1/2)

Avoir un aperçu des différents domaines d’applications de la météorologie en étudiant les impacts hydrologiques et socio-économiques de situations et de phénomènes météorologiques particuliers (orage, fortes précipitations / sécheresse, canicule / grand froid, tempêtes, inversion thermique, etc.).

Déterminer l’origine et les caractéristiques des nuages, apprendre à les reconnaître.

Savoir analyser et comprendre la situation météorologique du jour à partir de cartes ou de diagrammes thermodynamiques issus d’observations récentes.

Objectifs (2/2)

Thèmes abordés (planning indicatif, contenu à adapter à vos attentes) : 15 janvier : Introduction à la météo, circulation générale 22 janvier : Dynamique de l’atmosphère, le vent 29 janvier : Thermodynamique de l’atmosphère : notion de stabilité, formation

des nuages, l’émagramme 5 février : Rayonnement / transfert radiatif, échanges en eau et énergie entre

le sol, la végétation et l’atmosphère, ou entre l’océan et l’atmosphère 12 février : Effets du relief 19 février : Précipitations : formation, variabilité, orages 26 février : Observations météorologiques 5 mars : Prévisions météorologiques 12 mars : Applications (ressources, risques)

Applications Analyse de la situation météorologique du jour (ou de la semaine passée) Détermination de l’origine et les caractéristiques des nuages observés

Recherches actuelles sur ces sujets

Contenu des 9 premières séances

Observations sous forme de Cartes, radiosondages sur émagramme

« Sorties » de modèles météorologiques

Vos photos de nuages

Outils

Situation du jour

Légende des symbolesRouge (haut-gauche): température (°C)

Vert (bas-gauche): température du point de rosée (°C)Bleu (haut-droit): pression au niveau moyen de la mer abrégée en hPa (=mb) abrégé. Pour connaître la valeur, il faut ajouter soit un 9 ou un 10 en avant de la valeur

affichée, et diviser la valeur par 10. Un seul de ces choix donnera une valeur réaliste.Magenta (centre-gauche): symbole temps présent

Bleu (centre): couverture nuageuse en octaBleu (barbule): direction et vitesse du vent en noeuds

Orange: tendance de pression des derniers 3h en dixièmes de hPaMauve (gauche-haut-gauche): Rafale du vent en noeuds

Haut-centre et bas-centre (quelques stations): symboles type de nuagesLignes noires: pression (hPa=mb) intervalle 4 hPa, analysée avec l'algorithme de Barnes à partir des observations de surface et first guess de données modèles

Lignes pointillées rouges: hauteur du géopotentiel à 500 hPa intervalle 6 dam, analysée avec l'algorithme de Barnes à partir des observations en altitude et first guess de données modèles

Source : www.meteocentre.com

Situation du jour

Situation du jour

Situation du jour (thermodynamique)

Situation du jour (nuages à 08:00)

Situation du jour (nuages à 08:00)

Situation du jour (nuages à 13:00)

Situation du jour (nuages à 13:00)

Situation du jour (nuages à 16:00)

Diaporamas des cours Photos et vidéos Sites internet ArticlesIci : http://

www.lthe.fr/PagePerso/boudevil/DDS.php

Si protection par mot de passe :

Ressources

du 19 mars au 16 avril : préparation des dossiers traitants d’une thématique du cours

16 avril : date limite de rendu des rapportsLe dossier est constitué : d’un rapport de 8 pages maximum de texte comprenant une bibliographie (police : Times New Romans, 12pt) et de 4 pages maximum de figures 

23 avril, 14 et 21 mai : présentations orales (entre 3 et 10 diapositives) comprenant les éléments essentiels du rapport.

30 mai 2014 : date limite de remise des notes.

Évaluation

Rayon de la Terre : 6357 km aux pôles 6378 km à l’équateur

Couche atmosphérique : Limite supérieure floue (~ 100 kms) Raréfaction de l’air avec l’altitude 9/10 masse atmosphérique sur les 16 premiers kms

La météorologie ne concerne qu’une partie de l’atmosphère : la troposphère (épaisseur d’environ 10 à 12 km à nos latitudes)

L’atmosphère

Couches d’atmosphère

© illustration Laurence Jacquenod

Composition de l’atmosphère (air sec)

Gaz Symbole % (en volume)

Azote N2 78.08

Oxygène O2 20.95

Argon Ar 0.93

Dioxyde de carbone CO2 0.03

Néon Ne 18.10-4

Hélium He 5.10-4

Krypton Kr 1.10-4

Méthane CH4 10-4

Hydrogène H 5.10-5

Xénon Xe 8.10-6

Ozone O3 10-6

Radon Rn 6.10-18

Dioxyde d’azote NO2 10-5

Air sec

Vapeur d’eau : ◦ Elément majeur pour la météorologie◦ Quantité très variable = f (température)

à 0°C : moins de 0,6 % à 20°C : moins de 2,4 % (% exprimés en volumes) à 40°C : moins de 7,6 %

Aérosols : ◦ particules de dimensions microscopiques en suspension dans

l’atmosphère (d’origine minérale ou végétale, bactéries, sels marins)

◦ servent de noyaux de condensation pour la formation des nuages

Composition de l’atmosphère

En météorologie, l’eau joue un rôle important : elle sert de vecteur de chaleur entre les zones « chaudes » et « froides » grâce à l’énergie gagnée ou perdue lors de ses changements de phase…

Importance de l’eau pour la météorologie

SOLIDE LIQUIDE GAZ

Sublimation

Transformationsqui absorbent dela chaleur

Fusion Vaporisation

Transformationsqui libèrent dela chaleur

CondensationSolidification

Condensation solide

Pression atmosphérique : P [Pa] Température : T [K] Humidité : H, e ou r [%, Pa, g kg-1]

Vitesses de l’air : u, v et w [m s-1]

Variables d’état

Oscillation diurne faible

Variations verticales :◦ Décroît d’1 hPa / 8m en moyenne dans les basses

couches (dépend de la température)

Variations horizontales :◦ Minimums : dépressions◦ Maximums : anticyclones

Directement lié au vent

Pression : variations

Pression

© University of Maine

Pression

© University of Maine

Variations horizontales◦ méso-échelle (~10-100 km) : très variable◦ => Surface terrestre, ensoleillement◦ échelle synoptique (~100-1000 km) : moins

fluctuante, mais nombreuses discontinuités très marquées (fronts)

Variations dans le temps◦ oscillation diurne dont l’amplitude dépend :

Lieu et Latitude Saison Nébulosité

Température : variations

Notion d’échelle

Bilan énergétique distribution du champ de température Déséquilibre du bilan mouvements dans l’atmosphère

Température : variations

variations verticales dans la troposphère : ◦ En moyenne : DT/Dz < 0 (en moyenne -6,5 K km-

1)

◦ Parfois : DT/Dz > 0 (couche d’inversion)

Température : variations

HumiditéLoi des gaz parfaits pour l’air sec et la vapeur d’eau

Une manière d’exprimer l’humidité : le rapport de mélange r

Humidité

La quantité d’eau précipité n’est pas considérée comme une variable d’état en météorologie.

La pluie est un phénomène qui se produit à l’issu de plusieurs processus :

◦ condensation de la vapeur d’eau sur des noyaux de condensation (nuages),

◦ (dé-)croissance des cristaux et des gouttelettes + collisions entre ces particules ( précipitations)

Pluie

Énergie apportée par le soleil sur la Terre et répartie non équitablement◦ Pôles / Equateur◦ Sol / Altitude

Rotation de la Terre sur elle-même

Gravité

Présence d’eau et d’aérosols

Répartition des surfaces océaniques et continentales

Principaux moteurs de la météo

Conservation de la masse (équation de continuité)

Conservation de la quantité de mouvement (application des lois de Newton) (3D)

Conservation de l’énergie (1er principe de la thermo)

Équation d’état des gaz parfaits et loi de Dalton (mélange de gaz)

Les lois utilisées en météorologie

Cas du suivi (Lagrangien) d’une particule de fluide atmosphérique de masse M : ◦ DM/Dt=0

ou bien avec la masse volumique r de la particule et son volume V : ◦ D(rdV)/Dt=0

(détails en séance n°2)

Conservation de la masse

0)( udivDt

D

Lois de Newton :

Parmi les forces en présence : ◦ Force d’attraction terrestre◦ Force de pression◦ Force de viscosité

(détails en séance n°2)

Conservation de la quantité de mouvement

dvàappliquéesextforcesDt

uMD aa .)(

K : énergie cinétique (lié au mouvement) U : énergie interne de la particule (lié à T) WEXT : puissance totale des forces s’exerçant sur

la particule par unité de temps Q : chaleur échangée avec l’extérieur par unité

de temps

(détails en séance n°3)

Conservation de l’énergie

QWDt

UKDEXT

)(

P : pression du gaz en Pa V : volume de gaz en m3

M : masse en kg R : constante spécifique du gaz en J/kg/K T : température du gaz en K

Autre forme avec la masse volumique r :

Équation d’état d’un gaz parfait

mRTPV

RTP

Mélange de deux gaz parfaits

Application au mélange d’air sec et de vapeur d’eau : P=Pd+e (somme des pressions partielles de l’air sec et de la vapeur d’eau) avec ◦ Pd=rdRdT

◦ e=rvRvT

Loi de Dalton

Repère lagrangien : lié à la particule en mouvement

Repère eulérien : lié à un repère fixe

Repère Lagrangien / Eulérien

Composition des accélérations

Où les termes correspondent respectivement aux accélérations dans le repère absolu et dans un repère relatif d’une particule, ainsi qu’aux accélérations d’entraînement et de Coriolis.

(Détails dans la prochaine séance)

Repère en mouvement…

cera

Pression

© University of Maine

Circulation générale

© University of Maine

Circulation générale

© Ifremer

A l’échelle de la planète, il est à l’origine de grandes circulations. Comme par exemple la cellule de Hadley qui explique la présence de la zone intertropicale de convergence  (ascendance d’air chaud et humide, déclanchement de fortes pluies) et de zones désertiques (comme le Sahara, avec subsidence d’air sec)

Cellule de Hadley

Notion d’échelle

Autres phénomènes similaires entre eux mais concernant des échelles différentes : les cellules de Hadley et les brises côtières !

Circulation à micro échelle : les effets de brise de mer et de terre :

Brise de mer

© Ifremer

Phénomènes similaires mais à différentes échelles

Dans les 2 cas : Convection : redistribution verticale de l’énergie dans l’atmosphère qui conduit à des mouvements verticaux ascendants et subsidents. La convection « démarre » de l’endroit le plus chauffé.

Cellules de Hadley / Brises

Formation des nuagesInstabilité à différentes échelles

Airfroid Air

froid

Soulèvementfrontal

1500 km

Convergence

500 km

Soulèvementorographique

150 km

Convection

5 km

Instabilité à différentes échelles Ici : échelles planétaire à synoptique

Zone de Convergence Intertropicale

Convergence

500 km

Instabilité à différentes échelles Ici : échelle synoptique

Perturbations des latitudes moyennes

Airfroid Air

froid

Soulèvementfrontal

1500 km

Instabilité à différentes échelles Ici : méso-échelle

Systèmes convectifs de méso-échelle

Instabilité à différentes échelles Ici : méso-échelle à locale

Soulèvement orographique

Source : Sandrine Anquetin

Soulèvementorographique

150 km ou moins

Séance n°5 dédiée aux phénomènes de montagne

Mousson Africaine

Source : AMMA

Source : AMMA

Mousson africaine

Mousson indienne

Source : WikiPedia

Mots clés

Précipitations

Nuages(gouttelettes,

particules solides)

instabilité

Présence d’eau et changements de phase(libération ou utilisation de chaleur latente)

Aérosols

Différentes échelles

Rayonnement solaire inégal sur la Terre

Rotation de la Terre sur elle-même

Météo : rééquilibrage permanent

relief

convection

Gravité Lois de conservationEquation d’état