METEOROLOGIE. Henri Castanet

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1 METEOROLOGIE Henri Castanet

2 Sommaire 1 l atmosphère 1.1 structure 1.2 composition de l atmosphère les gaz variation de la quantité de gaz 1.3 définition de «l atmosphère standard» 1.4 variations de températures diminution de température en atmosphère standard isothermie et inversion de température réchauffement, refroidissement de la terre principe variations journalières de la température répartition des températures à la surface de la terre mesure de la température variation de pression principe du baromètre unité de mesures variation de pression en basses couches 2 variation du champ de pression 2.1 terminologie lignes isobariques : anticyclone : dépression : marais barométrique : dorsale : thalweg : 2.2 les vents : vents et champs de pression : vents locaux : - mistral tramontane : - vent d autan les brises Au bord de la mer - brise de mer - brise de terre En montagne - brise ascendante de pentes et de vallées - brise descendantes de pentes et de vallées grandeurs caractéristiques des vents - direction - force des vents 2.3 les fronts principe vue satellite coupe horizontale coupe verticale front chaud front froid bilan d une dépression exemple de carte des fronts

3 3 les nuages 3.1 généralités les différents types de nuages 3.3 nuages de l étage supérieur 3.4 étage moyen 3.5 étage inférieur 3.6 nuages à fort développement vertical 4 stabilité, instabilité 4.1 détente adiabatique 4.2 instabilité stabilité 4.4 remarque : 5 un phénomène particulier : l onde de ressaut 6 les cartes météorologiques carte des fronts 6.2 carte TEMSI 6.3 les cartes Wintem 6.4 les METAR TAF

4 1 l atmosphère 1.1 structure On retiendra les deux premières couches de l atmosphère : - la troposphère (environ 10 km) - la stratosphère (environ 40 km) La limite entre les deux s appelle la tropopause. C est dans la troposphère que se passe la quasi-totalité des phénomènes météorologiques. La tropopause varie en altitude suivant les latitudes et les saisons : - plus haute à l équateur qu aux pôles - plus basse l hiver que l été 1.2 composition de l atmosphère les gaz m m 5400 m

5 L atmosphère est composée à 78% d azote (environ 3/4), 21% d oxygène (environ1/4) et 1% de gaz rares variation de la quantité de gaz 50% de l atmosphère se trouve en dessous de 5400 mètres. Ce phénomène est lié à la pression des gaz qui sont comprimés par le poids de la colonne d air située audessus. 1.3 définition de «l atmosphère standard» C est une atmosphère théorique qui a été définie pour les besoins de l aéronautique (altimétrie). Elle est définie au niveau de la mer : - température : 15 c - pression : 1013,25 hpa - masse volumique : 1,225 Kg/m variations de températures diminution de température en atmosphère standard En atmosphère standard la température diminue de 6,5 c lorsque l on s élève de 1000 mètres isothermie et inversion de température Isothermie : Tranche verticale d atmosphère dans laquelle la température ne varie plus. Isothermie Inversion de température : Tranche verticale d atmosphère dans laquelle la température augmente avec l altitude. Inversion réchauffement, refroidissement de la terre principe

6 Le jour, le soleil réchauffe la terre par rayonnement infrarouge et rayonnement visible (couleurs). Ces rayonnements sont plus ou moins absorbés par le sol. La température du sol va s élever. Si le sol est plus chaud que l air situé à son contact, il va échauffer l air par conduction. Cet air chaud va s élever par convection. Le sol va progressivement se refroidir variations journalières de la température La terre va présenter un bilan thermique : - soit elle reçoit plus de rayonnement qu elle n en renvoie : elle se réchauffe. - soit elle renvoie plus de rayonnement qu elle n en reçoit : elle se refroidit. En principe, pendant la journée, le soleil apporte plus d énergie à la terre qu elle n en perd : la terre et l air se réchauffent. La nuit la température diminue. Remarque : au lever du soleil, l apport en réchauffement est inférieur à la perte par rayonnement de la terre. La température continue de diminuer pour atteindre sa valeur minimale environ ½ heure après le lever du soleil répartition des températures à la surface de la terre On constate que le soleil chauffe une plus grande surface aux pôles qu à l équateur. L énergie reçue sur une même surface est plus faible aux pôles qu à l équateur, ce qui explique la différence de température entre les pôles et l équateur. Les isothermes : ce sont des courbes reliant des points de même température. Remarque on constate sur ces courbes l influence du Gulf Stream qui tempère les côtes atlantiques de l Europe (lignes isothermes incurvées vers le Nord).

7 mesure de la température La mesure de la température s effectuera à l intérieur d un local ventilé, peint en blanc (pas d absorption de l énergie solaire) et situé en surélévation du sol (rayonnement du sol). L instrument servant à mesurer la température s appelle le thermomètre. Correspondance Kelvin, Celsius : 0 K = c variation de pression principe du baromètre On remplit un tube de mercure, on retourne le tube sur un bac lui-même rempli de mercure. On constate que le niveau de mercure descend puis se stabilise dans le tube. La pression au point A est identique à la pression au point B. Au dessus du point A la pression est exercée par le poids de l atmosphère. Au dessus du point B la pression est exercée par le poids de la colonne de mercure. Si la pression atmosphérique augmente, A B le mercure monte dans le tube. Si la pression atmosphérique diminue, le mercure descend dans le tube unité de mesures Pascal Pression = m 2 Poids Surface Newton Remarque : la pression atmosphérique standard étant de 1013,25 hpa la masse de l atmosphère située au dessus d 1m 2 est de Kg variation de pression en basses couches Dans la partie inférieure de l atmosphère, on considère que la pression diminue de 1 hpa lorsque l on s élève de 8,5m ou de 28 pieds.

8 2 variation du champ de pression 2.1 terminologie MARAIS BAROMETRIQUE lignes isobariques : Ce sont des lignes de même pression encore appelées isobares anticyclone : C est une zone de hautes pressions dépression : C est une zone de basses pressions marais barométrique : C est une zone où la pression atmosphérique varie peu. Les lignes isobariques sont écartées dorsale : C est un axe de hautes pressions thalweg : C est un axe de basses pressions. 2.2 les vents : vents et champs de pression : Les vents résultent de l équilibrage des pressions entre anticyclone et dépression (l air se déplace des anticyclones vers les dépressions). La rotation de la terre (1666 km/h à l équateur) provoquera une déviation de l écoulement de l air. Dans l hémisphère nord, les vents tournent : - dans le sens inverse des aiguilles d une montre dans une dépression. - Dans le sens des aiguilles d une montre dans un anticyclone Remarque : des isobares rapprochés sont synonymes de vent fort.

9 2.2.2 vents locaux : - mistral tramontane : Après le passage d une dépression, lorsqu elle se situe sur le golfe de Gênes, le vent de gradient est dévié et accéléré par le relief. Dans la vallée du Rhône s établit un vent de Nord accéléré entre les Alpes et le Massif Central : c est le Mistral. Sur le Roussillon l accélération et la déviation du vent correspondent à un vent de Nord-Ouest : la Tramontane. - vent d autan Lorsqu une dépression arrive par le Golfe de Gascogne, le vent sur les Pyrénées s oriente au Sud-Ouest. A l extrémité Est de la chaîne, le contournement du relief par la masse d air, va entraîner des entrées d air maritimes dans la plaine du Roussillon qui vont condenser en basses couches. Au niveau de la région toulousaine le vent de Sud-Est va se trouver accéléré entre Pyrénées et Massif Central. C est le vent d Autan. Attention en altitude le vent reste orienté au Sud-Ouest les brises Au bord de la mer - brise de mer Le jour l air situé au dessus de la terre s échauffe et s élève. En fin de matinée lorsque l échauffement devient important, l élévation de l air au dessus de la terre va provoquer «l aspiration» de l air plus frais situé au dessus de la mer. C est la brise de mer.

10 - brise de terre La nuit la terre se refroidit beaucoup plus vite que la mer. En fin de soirée l élévation de l air chaud au dessus de la mer va provoquer «l aspiration» de l air frais situé au dessus de la terre. C est la brise de terre En montagne - brise ascendante de pentes et de vallées Le jour les sommets voient le soleil avant le pied des pentes ou les vallées. L air situé au dessus des sommets s échauffe plus tôt. En fin de matinée lorsque l échauffement devient important, l élévation de l air au dessus des sommets va provoquer «l aspiration» de l air plus frais situé au pied des pentes ou dans les vallées. - brise descendante de pentes et de vallées La nuit les sommets refroidissent plus vite que les fonds de vallées. En début de soirée, l air froid plus lourd des sommets descendra le long des pentes vers les fonds de vallées. C est la brise descendante de pentes et vallées grandeurs caractéristiques des vents - direction La manche à air indique la direction d où vient le vent. Cette direction est exprimée en degrés, exemple : «un vent du 280». Les anneaux de la manche à air permettent de déterminer la force du vent : 5Kt (Knot) par anneau. (1kt = 1 nœud = 1 mile/heure = Km/h) - force des vents La force du vent s exprime en nœuds. (Kt) Le vecteur signale la direction d où vient le vent.

11 2.3 les fronts principe vue satellite En raison de la rotondité de la terre les pôles sont plus froids que l équateur. Il en résultera des différences de température des masses d air (air froid polaire, air chaud équatorial). Ces masses d air ne se mélangeront pas et vont s affronter. L air froid est plus dense (plus lourd), l air chaud est moins dense (plus léger). C est une image reconstituée à partir d images infrarouges. On constate que les nuages se situent au niveau de l affrontement des masses d air. En raison de la rotation de la terre, dans l hémisphère nord, la rotation des fronts s effectuera dans le sens inverse des aiguilles d une montre coupe horizontale L ondulation du «front polaire» sera accentuée par la rotation de la terre. Cela va entraîner la pénétration de l air chaud à l intérieur de l air froid : front chaud et une descente d air froid derrière l air chaud : front froid. Le phénomène s accentue et les fronts chauds et froids sont bien individualisés. La dépression se creuse. Au front chaud : l air chaud postérieur, plus léger, a du mal à pousser l air froid antérieur, plus lourd. Il avance lentement. Au front froid : l air froid postérieur, plus lourd, pousse facilement l air chaud antérieur, plus léger. Il avance rapidement.

12 L air froid postérieur a rattrapé l air froid antérieur : c est l occlusion. L air chaud est rejeté en altitude. Le front s appelle front occlus. Lorsque la totalité de l air froid postérieur aura rattrapé l air froid antérieur, la dépression disparaîtra coupe verticale front chaud Les nuages se situeront au niveau des fronts. Un observateur placé au sol verra, lors de l arrivée du front chaud, apparaître des nuages d altitude appelés cirrus (filaments de glace). Il verra ensuite les nuages s épaissir et le plafond descendre. La pluie arrivera juste avant le passage du front et s intensifiera à son passage front froid Un observateur placé au sol verra, lors de l arrivée du front froid des pluies importantes pouvant être violentes (orages) Le front froid passera rapidement (air froid plus lourd poussant devant lui de l air chaud plus léger). A l arrière du front froid se trouve une zone instable, favorable au vol à voile (cumulus) appelée «traîne».

13 2.3.5 bilan d une dépression - la pression : Avant le front chaud la pression est élevée (anticyclone), au fur et à mesure de l arrivée du front la pression diminue. Elle se stabilise dans le secteur chaud puis descend vers un minimum au passage du front froid. Après le passage du front froid, elle remonte très rapidement (retour de l anticyclone). - la température : Avant le front chaud nous sommes dans de l air «froid». L arrivée du front chaud se marquera par une élévation progressive de la température. Après le passage du front chaud la température se stabilise à son niveau le plus élevé. Le passage du front froid se traduira par une diminution rapide de la température. - les vents : Avant l arrivée du front chaud le vent est de secteur Sud Ouest (air chaud). Au passage du front chaud le vent tourne à l Ouest. Au passage du front froid il tourne au Nord Ouest (air froid). - les nuages : Ils vont se trouver au passage des fronts. L arrivée du front chaud se traduit par des nuages d altitude (cirrus) puis les nuages vont s épaissir et le plafond va descendre. Le passage du front chaud se traduira par des pluies régulières mais peu intensives (air chaud stable). Le passage du front froid sera lui beaucoup plus actif : fortes pluies, vent violent. On notera l apparition de nuages orageux instables (air froid), les

14 cumulonimbus. A l arrière du front froid, l air froid et instable sera propice au développement de nuages favorables au vol à voile : les cumulus exemple de carte des fronts 3 les nuages 3.1 généralités Les états de l eau : sublimation solide glace solidification évaporation fusion gaz vapeur condensation liquide eau Un nuage se formera par le refroidissement d une masse d air humide, c est la condensation. Pour mesurer l humidité de l air, il existe un appareil appelé psychromètre Le psychromètre est basé sur la mesure de deux températures, celle du thermomètre sec et du thermomètre «mouillé». Si l air est sec, l humidité de l enveloppe qui entoure le thermomètre mouillé s évaporera ce qui provoquera un refroidissement du thermomètre. L écart de température entre les deux thermomètres sera alors important. Si l air est humide, l humidité de l enveloppe qui entoure le thermomètre mouillé s évaporera peu. Le refroidissement du thermomètre mouillé sera faible. L écart de température entre les deux thermomètres sera donc faible.

15 Le refroidissement d une masse d air humide pourra se produire de différentes manières : La convection : Si l atmosphère est «instable» l air chaud et humide va s élever. Son soulèvement va entraîner sa détente donc son refroidissement. Son refroidissement va entraîner sa condensation et la formation de cumulus. Refroidissement par la base : De l air chaud et sec va passer sur une zone humide (méditerranée par exemple). Cet air chaud va se charger en humidité puis rentrer sur une surface plus froide (plaine du Roussillon). Il va alors condenser sous forme de nuages bas : les stratus. Refroidissement par soulèvement : Une masse d air qui arrive sur un relief sera condamnée à s élever. Elle va se détendre et donc se refroidir. Si elle arrive à son point de condensation il y aura formation d un nuage. C est aussi ce qui se passe dans une dépression à l arrivée du front chaud et du front froid : phénomène de soulèvement frontal les différents types de nuages

16 3.3 nuages de l étage supérieur Ce sont les cirrus (Ci). Ils sont composés de cristaux de glace, sont à haute altitude (de 6000 m à mètres) et annoncent l arrivée du front chaud. 3.4 étage moyen Ce sont des nuages le plus souvent liés à la stabilité de l atmosphère et à la présence de vent. On les appelle lenticulaire ou altocumulus (Ac) 3.5 étage inférieur Ce sont des nuages instables liés à la convection : cumulus (Cu) Ce sont des nuages stables liés au refroidissement par le sol : les stratus (St) 3.6 nuages à fort développement vertical C est le cumulonimbus. Ce cumulus très instable n a pas rencontré d inversion de température. Il va donc s élever jusqu à la tropopause. Il rencontrera alors une inversion de température et s étalera en formant «une enclume». Sous ce nuage on rencontrera des vents très forts de direction variable, de fortes pluies, de la grêle et une forte activité électrique. 4 stabilité, instabilité 4.1 détente adiabatique Lorsque l on élève une particule d air, elle se détend (augmentation de volume). Cette détente s effectue sans échange de chaleur avec le milieu environnant. C est la détente adiabatique. La diminution de température est de 1 C/100 mètres soit 10 C/1000 mètres. 4.2 instabilité Si une bulle d air peut s élever jusqu à 500m, par détente adiabatique elle subira une diminution de température de 5 C. Si sa température est de 16 C à 0m, elle sera de 11 C à 500m. Si l air qui entoure cette particule est à 16 C à 0m et qu il se refroidit plus vite que la bulle (- 14 C/ 1000m), à 500m il sera plus froid que la bulle (air : 9 C, bulle : 11 C). La bulle étant plus chaude que l air qui l entoure, elle continuera à monter : c est l instabilité stabilité Si une bulle d air peut s élever jusqu à 500m, par détente adiabatique elle subira une diminution de température de 5 C. Si sa température est de 16 C à 0m, elle sera de 11 C à 500m. Si l air qui entoure cette particule est à 16 C à 0m et qu il se refroidit moins vite que la bulle (- 6 C/ 1000m), à 500m il sera plus chaud que la bulle (air : 13 C, bulle : 11 C). La bulle étant plus froide que l air qui l entoure, elle cessera de monter et redescendra : c est la stabilité.

17 4.4 remarque : On constate que l air instable est de l air froid, c'est-à-dire de l air dont la température diminue de plus de 10 C par 1000 mètres. Où trouve-t-on de l air froid dans une dépression, à l avant du front chaud et à l arrière du front froid. Cependant à l avant du front chaud le soleil sera caché par un voile de cirrus. L instabilité ne pourra se déclencher par manque d ensoleillement. A l arrière du front froid, l ensoleillement déclenchera des ascendances liées à l instabilité. Cette zone est appelée «traîne». 5 un phénomène particulier : l onde de ressaut Lorsque l air est très stable (hiver) l élévation de la masse d air au vent d un relief peut provoquer une ondulation sous le vent du relief. Cette ondulation pourra se matérialiser de différentes façons : - lenticulaire : c est un nuage de l étage moyen (altocumulus) qui se matérialise sous forme de «lentilles». Ce nuage est immobile par rapport au sol, il se forme par condensation dans sa partie au vent (détente) et disparaît par évaporation dans sa partie sous le vent (compression). - trou de foehn : c est un espace sans nuage situé dans la partie ou l air est le plus comprimé (entre les lenticulaires). - nuages de rotor : ils se situent dans la partie sous ondulatoire, sous le vent du relief qui déclenche l onde de ressaut Lenticulaires Trou de foehn

18 6 les cartes météorologiques carte des fronts 6.2 carte TEMSI

19 Les météores : leurs symboles permettent d identifier sur les cartes TEMSI les phénomènes météorologiques que l on est susceptible de rencontrer. 6.3 les cartes Wintem

20 6.4 les METAR et TAF Le METAR est un message d observations du temps. Le TAF ou le TAFL(TAF Long) est un message de prévisions. Le TAFL peut donner des prévisions allant jusqu à 24 heures. Les messages TAF-METAR-SPECI-SIGMET : LFMK CARCASSONNE SALVAZA METAR LFMK Z 27019G29KT RA BKN023 13/12 Q1012 NOSIG= TAF LFMK Z G30KT RA BKN015 BKN025 BECMG G35KT 9999 SCT020 BKN033 PROB40 TEMPO G45KT= LFMP PERPIGNAN RIVESALTES METAR LFMP Z 26024G36KT 250V SCT036 BKN110 18/09 Q1010 NOSIG= TAF LFMP Z KT 9999 SCT040 BKN060 BECMG G30KT TEMPO G35KT FEW040 SCT060= LFMM FIR LFMM LFMM SIGMET 4 VALID / LFML- LFMM MARSEILLE FIR/UIR : SEV TURB OBS AND FCST N OF N41, FROM AUDE AND CEVENNES TO VAR AND SOUTH ALPES, AND FROM GOLFE DU LION TO CORSICA, BTN GND AND FL150, STNR, INTSF.= LFBB FIR LFBB LFBB SIGMET 1 VALID / LFBD- LFBB BORDEAUX FIR/UIR SEV TUR OBS AND FCST SE LINE N4300 W00100 AND N4620 E00250 BLW FL080 AND MT PYRENEES BLW FL140 NC =