Introduction à la circulation atmosphérique

Introduction à la circulation atmosphérique Laboratoire des Sciences du Climat et de l! environnement Université de Versailles Saint Quentin en Yvelines Plan Contraste tropiques / moyennes latitudes Circulation tropicale Circulation aux moyennes latitudes Circulation régionale : la mousson indienne Ondes atmosphériques Bilan et transport d énergie par l atmosphère 2 1

Plan Contraste tropiques / moyennes latitudes Circulation tropicale Circulation aux moyennes latitudes Circulation régionale : la mousson indienne Ondes atmosphériques Bilan et transport d énergie par l atmosphère 3 Potentiel du flux d énergie intégré verticalement Janvier Juillet Flux total! e!u Flux des mvts stationnaires! e!u Flux des mvts transitoires! e!"u! Unité : 1013W Source : Sadourny, Cours de l! université Paris 6, 1993 4 Unité : 1013W 2

http://gershwin.ens.fr/vdaniel/enseignement/cours-circuatm/cours-atm-pp97/cours-circatm-ppt97-1024/ 5 http://gershwin.ens.fr/vdaniel/enseignement/cours-circuatm/cours-atm-pp97/cours-circatm-ppt97-1024/ 6 3

Description et structure de l atmosphère Vent zonal Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 7 Description et structure de l atmosphère Vent méridien Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 8 4

Description et structure de l atmosphère Anomalies de géopotentiel 9 Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 Plan Contraste tropiques / moyennes latitudes Circulation tropicale Circulation aux moyennes latitudes Circulation régionale : la mousson indienne Ondes atmosphériques Bilan et transport d énergie par l atmosphère 10 5

Circulation tropicale : Hadley-Walker Circulation de Hadley (moyenne zonale) Mouvement méridien moyen représenté par Une fonction de courant 11 Source : Sadourny, Cours de l! université Paris 6, 1993 Circulation tropicale : Hadley-Walker Circulation de Walker (dans le plan équatorial) 12 Source : Sadourny, Cours de l! université Paris 6, 1993 6

Transport d énergie Par les cellules de Hadley-Walker gz c p T L v q Flux méridien d énergie (10 7 W/m) 13 Source : Sadourny, Cours de l! université Paris 6, 1993 Système de coordonnées sphérique et référentiel local 14 7

http://gershwin.ens.fr/vdaniel/enseignement/cours-circuatm/cours-atm-pp97/cours-circatm-ppt97-1024/ 17 Circulation Stratosphérique Janvier Juillet Vent zonal Température radiative Température observée Température 18 Physique et chimie de l atmosphère, Belin 9

Echanges troposphère - stratosphère 19 Circulation de Brewer-Dobson Fig. 11 : Coupe zonale de l ozone mesurée par SBUV. 1 DU/km = 2,7x1017 molécules d'o3 /m3 = 2,1x10-8 kg O3 /m3). Moyenne sur 10 ans des mesures effectuées par l'instrument SBUV porté par le satellite Nimbus 7. Les flèches schématisent la circulation stratosphérique (dite de «Brewer-Dobson»), extrêmement lente (~10 m/jour), qui transporte l'ozone de sa zone de production, les basses latitudes, vers les hautes latitudes. 20 Physique et chimie de l atmosphère, Belin 10

Plan Contraste tropiques / moyennes latitudes Circulation tropicale Circulation aux moyennes latitudes Circulation régionale : la mousson indienne Ondes atmosphériques Bilan et transport d énergie par l atmosphère 21 Gravité Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 22 11

Paramètre de Coriolis 23 Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 http://gershwin.ens.fr/vdaniel/enseignement/cours-circuatm/cours-atm-pp97/cours-circatm-ppt97-1024/ 24 12

Relation gradient thermique / vent zonal 27 http://www.ifremer.fr/lpo/cours/mouvement/sab20.html http://gershwin.ens.fr/vdaniel/enseignement/cours-circuatm/cours-atm-pp97/cours-circatm-ppt97-1024/ 28 14

Vent thermique 29 Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 Dépression / Anticyclone et mouvements verticaux 30 15

Equilibre quasi-géostrophique Tourbillon Température potentielle Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 31 Evolution du tourbillon absolu Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 32 16

Variations du tourbillon potentiel d Ertel et de la température potentielle Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 33 Zone barocline de grande échelle Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 34 17

Ajustement barocline de l atmosphère 35 Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 Développement d une perturbation barocline 36 Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 18

Vent vertical dans une perturbation cyclonique 37 Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 Croissance d une perturbation barocline 38 Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 19

Croissance d une perturbation barocline 39 Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 Décroissance d une perturbation barocline 40 Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 20

Transport d énergie Par la circulation des moyennes latitudes L v q C p T Flux méridien d énergie (10 7 W/m) 41 Source : Sadourny, Cours de l! université Paris 6, 1993 Plan Contraste tropiques / moyennes latitudes Circulation tropicale Circulation aux moyennes latitudes Circulation régionale : la mousson indienne Ondes atmosphériques Bilan et transport d énergie par l atmosphère 42 21

La mousson indienne Eté Hiver Eté 43 Source : Le climat de la Terre, R. Sadourny, collec. Dominos, Flammarion ed., 1993, 124pp. Début et fin de la mousson d été 44 22

Précipitations associées à la mousson d été Juin Juillet Août Septembre mm/mois 45 http://www.monsoondata.org/hist/images Plan Contraste tropiques / moyennes latitudes Circulation tropicale Circulation aux moyennes latitudes Circulation régionale : la mousson indienne Ondes atmosphériques Bilan et transport d énergie par l atmosphère 46 23

Exemples d ondes atmosphériques Ondes topographique s Ondes planétaires (Rossby) Ondes de gravité 47 Ondes atmosphériques et dispersion 48 Source : ECMWF 24

Ondes atmosphériques et échelles espace-temps 49 Plan Contraste tropiques / moyennes latitudes Circulation tropicale Circulation aux moyennes latitudes Circulation régionale : la mousson indienne Ondes atmosphériques Bilan et transport d énergie par l atmosphère 50 25

http://gershwin.ens.fr/vdaniel/enseignement/cours-circuatm/cours-atm-pp97/cours-circatm-ppt97-1024/ 51 Bilan de la circulation atmosphérique zonale distribution de la vitesse zonale u, en altitude (indice H) et à la surface (indice S). 52 Source : Sadourny, Cours de l! université Paris 6, 1993 26

C p T gz Total Transitoires Stationnaires Zonal Lq Transport méridien d énergie 53 Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 Bilan du transport d énergie par l atmosphère et les océans Source : Dictionnaire des sciences de la Terre, ed. Encyclopédia Universalis et Albin Michel, 1998, 922pp. 54 27

Conclusions La circulation atmosphérique contribue à équilibrer le bilan radiatif régional de la Terre grâce au transport d énergie potentielle, enthalpie, et latente La circulation tropicale s organise en cellules de Hadley-Walker à forte symétrie zonale dans chaque hémisphère. Ces cellules convertissent l excès d enthalpie et d humidité équatoriaux en énergie potentielle exportée vers 30 de latitude. La cellule de l hémisphère d hiver est plus intense que celle de l hémisphère d été. Le rendement des cellules de Hadley est de l ordre de 10%. L extension des cellules de Hadley-Walker est limitée à moins de 30 de latitude par la vitesse de rotation de la Terre. L état moyen des moyennes latitude forme la zone barocline de grande échelle (fort gradient thermique pôles-tropiques, courant jet d ouest en altitude et gradient de pression en quasi-équilibre géostrophique avec le vent. La circulation des moyennes latitudes est caractérisée par des perturbations baroclines transitoires et des ondes stationnaires qui se développent dans la zone barocline et qui transportent de l énergie sous forme enthalpie et latente vers les pôles. 55 28