Fondamentaux de Météorologie 2ème édition

Cet ouvrage présente les bases techniques et scientifiques de la météorologie de ce début du XXIe siècle. Il permet à des lecteurs intéressés par la météorologie et possédant une culture scientifique générale d’aborder les connaissances classiques dans le domaine de la physique de l’atmosphère exposées avec un souci pédagogique permanent. Il présente également un état de l’art des principaux modèles conceptuels fondés sur des résultats de publications scientifiques récentes ainsi que les techniques actuelles d’observation et de prévision numérique du temps. Dans la première partie, très descriptive, le lecteur découvre les différents moyens d’observation de l’atmosphère ainsi que les paramètres qui décrivent l’état de l’atmosphère, depuis l’échelle de la planète jusqu’à celle du nuage. La deuxième partie expose les lois générales d’évolution du fluide atmosphérique. Puis, dans la troisième partie sont expliquées les approximations classiques de ces lois générales pour différentes échelles spatio-temporelles. La quatrième partie décrit les modèles conceptuels issus des progrès récents de la recherche météorologique. Enfin, la dernière partie expose les principes généraux de la prévision numérique du temps, clé de voûte de la prévision météorologique actuelle. Avec une approche qui combine rigueur théorique et interprétation physique, ce livre s’adresse à un public varié : • étudiants en météorologie ; • utilisateurs des informations météorologiques (marins, pilotes, vélivoles, etc.) désireux de comprendre en profondeur les mécanismes atmosphériques ; • professeurs de physique et de « sciences de la vie et de la Terre », de l’enseignement secondaire et des classes préparatoires, qui choisissent la météorologie comme thème d’activités pédagogiques ; • météorologistes professionnels. Les connaissances scientifiques générales auxquelles il fait appel sont celles d’un premier cycle universitaire scientifique. Sylvie Malardel a enseigné pendant 10 ans la dynamique de l’atmosphère à l’École Nationale de la Météorologie tout en continuant la recherche au Centre National de Recherches Météorologiques à Toulouse. Elle travaille maintenant plus spécifiquement sur la prévision numérique à moyenne échelle. PROLOGUE CHAPITRE 1 • INTRODUCTION À LA MÉTÉOROLOGIE 1.1 Il était une fois l’air 1.2 L’énergie du Soleil 1.3 Les phénomènes atmosphériques 1.3.1 Échelles 1.3.2 Perturbations et anomalies 1.3.3 Interactions d’échelles 1.4 Cause ou effet ? 1.5 De l’observation à la prévision opérationnelle CHAPITRE 2 • OBSERVATION DE L’ATMOSPHÈRE 2.1 Les principaux paramètres à observer 2.1.1 La température de l’air 2.1.2 La pression atmosphérique 2.1.3 Le vent 2.1.4 L’humidité de l’air 2.1.5 Les précipitations 2.1.6 Les nuages 2.1.7 La visibilité, la brume et le brouillard 2.2 Les observations in situ 2.2.1 Les moyens de mesure 2.2.2 Les réseaux de mesure 2.2.3 Les codes, le pointage et les cartes météorologiques 2.3 La télédétection 2.3.1 Les satellites météorologiques 2.3.2 Les radars météorologiques 2.3.3 D’autres moyens de télédétection CHAPITRE 3 • PORTRAITS DE L’ATMOSPHÈRE 3.1 Une vue d’ensemble 3.2 L’atmosphère vue de profil 3.3 L’atmosphère d’un pôle à l’autre 3.3.1 Le bilan radiatif 3.3.2 La température 3.3.3 Le vent 3.3.4 La répartition de la masse atmosphérique 3.3.5 L’eau 3.3.6 Superpositions de champs moyens 3.3.7 Le couvercle de la troposphère : la tropopause 3.4 Zoom sur les régions tropicales 3.4.1 Le point sur la zone de convergence intertropicale 3.4.2 La mousson 3.4.3 Les cyclones tropicaux 3.4.4 Les organisations convectives et les circulations tropicales locales 3.5 Zoom sur les moyennes latitudes 3.5.1 La zone barocline moyenne 3.5.2 Les ondes quasi stationnaires 3.5.3 La variabilité basses fréquences, les régimes de temps 3.5.4 Variabilité synoptique : les perturbations baroclines 3.5.5 Le rail des dépressions 3.5.6 Les situations convectives 3.5.7 Les brouillards 3.5.8 Les influences locales : exemples de l’orographie et des côtes CHAPITRE 4 • INTRODUCTION AU MODÈLE THÉORIQUE DE FLUIDE ATMOSPHÉRIQUE 4.1 Rappels sur les trois lois fondamentales de la mécanique classique 4.2 Le modèle de fluide continu et la particule de fluide 4.2.1 Approche macroscopique 4.2.2 Définition de la particule de fluide 4.2.3 Approche eulérienne et approche lagrangienne 4.3 Description de l’atmosphère à l’échelle du continuum 4.3.1 Le déplacement et la vitesse macroscopiques 4.3.2 La pression et la température dans un gaz, équation d’état 4.3.3 Cas d’un mélange de gaz : la loi de Dalton 4.3.4 Fluide barotrope, fluide barocline CHAPITRE 5 • LA LOI DE CONSERVATION DE LA MASSE 5.1 Forme lagrangienne 5.2 Cas d’un fluide dit « incompressible » 5.3 Forme eulérienne 5.4 Équivalence des deux formes de la loi de conservation de la masse CHAPITRE 6 • LA LOI DE CONSERVATION DE LA QUANTITÉ DE MOUVEMENT 6.1 Inventaire des forces 6.1.1 La force d’attraction terrestre 6.1.2 Les forces s’appliquant à la surface d’un petit élément de volume 6.2 Équation du mouvement absolu 6.3 La conservation de la quantité de mouvement dans un référentiel tournant 6.3.1 Évolution d’un vecteur dans un référentiel tournant 6.3.2 Vitesse absolue, vitesse relative 6.3.3 Accélération absolue, accélération relative 6.3.4 Forces d’inertie 6.4 La force de gravité en météorologie ; définition de la verticale 6.5 L’équation du mouvement dans le repère local 6.6 L’énergie cinétique macroscopique, l’énergie potentielle et le géopotentiel 6.7 Cas particulier de l’atmosphère « au repos » dans le référentiel terrestre CHAPITRE 7 • LA LOI DE CONSERVATION DE L’ÉNERGIE 7.1 Le premier principe de la thermodynamique, équations pour la température 7.1.1 Définition de l’énergie interne 7.1.2 Le premier principe de la thermodynamique 7.2 Exemples de transformations thermodynamiques 7.2.1 Transformation isochore 7.2.2 Transformation isotherme 7.2.3 Transformation isobare 7.2.4 Transformation adiabatique 7.3 La température potentielle 7.3.1 Définition 7.3.2 Loi d’évolution 7.3.3 Ascendances et subsidences adiabatiques 7.3.4 La distribution verticale de la température potentielle dans l’atmosphère 7.4 Les diagrammes thermodynamiques CHAPITRE 8 • LES ÉCHANGES DE CHALEUR AVEC L’EXTÉRIEUR 8.1 Les échanges de chaleur par conduction 8.1.1 Loi de Fourier 8.1.2 Bilan des flux de conduction 8.2 Les échanges de chaleur par rayonnement électromagnétique 8.2.1 Généralités sur le rayonnement électromagnétique 8.2.2 Notion d’angle solide 8.2.3 Grandeurs énergétiques associées au rayonnement 8.2.4 Interaction entre le rayonnement et la matière 8.2.5 L’émission et l’absorption 8.2.6 Bilan radiatif à travers un élément de matière 8.2.7 Le rayonnement solaire 8.2.8 Le rayonnement atmosphérique et terrestre 8.2.9 Bilan des flux de rayonnement CHAPITRE 9 • LES CHANGEMENTS D’ÉTAT DE L’EAU 9.1 L’évaporation et la condensation de l’eau 9.2 Les humidités 9.3 La vapeur sèche et la vapeur saturante 9.4 La chaleur latente de vaporisation 9.5 Chaleur latente et enthalpie 9.5.1 Changement d’état et équation d’évolution de l’enthalpie 9.5.2 Cas d’une transformation isotherme 9.5.3 Cas d’une transformation adiabatique 9.5.4 Évolution de la température potentielle et changement d’état 9.6 Les autres changements de phase 9.7 La sursaturation et la surfusion 9.8 Processus de saturation d’une particule d’air atmosphérique 9.9 Évolutions thermodynamiques d’une particule saturée et représentation sur l’émagramme CHAPITRE 10 • LES LOIS SUR LES MOUVEMENTS DE ROTATION 10.1 Rappels sur la rotation solide 10.2 Le moment cinétique par rapport à l’axe de rotation de la Terre 10.2.1 Définition 10.2.2 Loi d’évolution 10.3 Le vecteur tourbillon 10.3.1 Définition 10.3.2 Vecteur tourbillon absolu 10.3.3 Vecteur tourbillon relatif 10.3.4 Lois d’évolution 10.4 Le tourbillon vertical 10.4.1 Définitions 10.4.2 Équation d’évolution 10.5 Le tourbillon potentiel CHAPITRE 11 • INTRODUCTION À LA NOTION D’ORDRE DE GRANDEUR ET APPROXIMATIONS DE BASE 11.1 Retour sur la notion d’échelle, échelle de travail, échelle résolue 11.2 Notion d’analyse en ordre de grandeur 11.3 Atmosphère au repos, atmosphère de référence 11.4 L’approximation de la pellicule mince 11.5 L’approximation du plan tangent 11.5.1 Les équations en coordonnées cartésiennes 11.5.2 f -plan, b-plan CHAPITRE 12 • L’ÉLASTICITÉ DANS UN FLUIDE, APPROXIMATION ANÉLASTIQUE, SYSTÈME DE BOUSSINESQ 12.1 L’élasticité de l’air 12.1.1 Définition 12.1.2 Le principe du filtrage de l’élasticité de l’air 12.2 L’approximation anélastique 12.2.1 L’équation anélastique 12.2.2 Interprétation de l’équation anélastique 12.2.3 Ordre de grandeur de la vitesse verticale 12.3 L’approximation de Boussinesq 12.3.1 Définition 12.3.2 Le système des équations de Boussinesq CHAPITRE 13 • QUASI-ÉQUILIBRE VERTICAL, APPROXIMATION HYDROSTATIQUE 13.1 Définition de l’approximation hydrostatique 13.2 Validité de l’approximation hydrostatique 13.3 Température et épaisseur entre deux isobares 13.4 L’approximation hydrostatique dans le système de Boussinesq 13.5 La coordonnée verticale pression 13.5.1 Définition 13.5.2 Passage de la coordonnée altitude à la coordonnée pression 13.5.3 D’autres coordonnées verticales CHAPITRE 14 • LE QUASI-ÉQUILIBRE HORIZONTAL, LES ÉCOULEMENTS DE GRANDE ÉCHELLE ET L’APPROXIMATION QUASI-GÉOSTROPHIQUE 14.1 Échelles et rotation de la Terre 14.2 La composante géostrophique de la circulation à grande échelle 14.2.1 Définition de l’équilibre géostrophique 14.2.2 Le vent géostrophique 14.2.3 Le tourbillon et la divergence du vent géostrophique 14.2.4 L’ordre de grandeur de la vitesse verticale de grande échelle 14.3 L’équilibre du vent thermique 14.3.1 Définition 14.3.2 Relation du vent thermique et baroclinie 14.3.3 Interprétation de la relation du vent thermique 14.4 Les équations à grande échelle 14.4.1 L’équation quasi-géostrophique du mouvement horizontal 14.4.2 L’équation de balance géostrophique 14.4.3 L’équation quasi-géostrophique du tourbillon 14.4.4 L’équation quasi-géostrophique de la thermodynamique 14.5 Le tourbillon potentiel à grande échelle et l’inversion du tourbillon potentiel 14.5.1 Le tourbillon potentiel quasi-géostrophique 14.5.2 Notion d’inversion du tourbillon potentiel 14.6 Modèle de troposphère à tourbillon potentiel uniforme 14.6.1 Localisation des extrema de perturbation de pression dans une troposphère à tourbillon potentiel uniforme 14.6.2 Zone cyclonique au sol 14.6.3 Zone cyclonique à la tropopause 14.6.4 Zones anticycloniques au sol ou à la tropopause 14.6.5 Influence de la taille de l’anomalie de température sur le tourbillon 14.7 Anomalies de tourbillon potentiel 14.7.1 Génération d’anomalies de tourbillon potentiel par une source de chaleur 14.7.2 Anomalies positive et négative de tourbillon potentiel à l’intérieur de la troposphère 14.8 Déformation de la tropopause et anomalies de tourbillon potentiel 14.9 Le vent agéostrophique et la vitesse verticale à grande échelle 14.9.1 Équation diagnostique quasi-géostrophique pour la vitesse verticale de grande échelle 14.9.2 Circulation secondaire associée à une zone barocline idéalisée 14.9.3 Circulation secondaire associée à une zone barocline idéalisée perturbée par une anomalie cyclonique au sol 14.9.4 Interprétation de la circulation secondaire de grande échelle en termes de tourbillon potentiel 14.9.5 Circulation secondaire associée à une zone barocline idéalisée perturbée par une anomalie cyclonique à la tropopause et cas d’anomalies anticycloniques CHAPITRE 15 • EXEMPLES D’AJUSTEMENT DE L’ATMOSPHÈRE 15.1 Ajustement hydrostatique à une source diabatique, cas sans rotation de la Terre 15.1.1 Ajustement à une source diabatique 15.1.2 Rétablissement de l’état de repos 15.2 Ajustement au géostrophisme CHAPITRE 16 • ÉLÉMENTS DE DYNAMIQUE DES ÉCOULEMENTS DE PETITE ÉCHELLE 16.1 Les mouvements verticaux contrôlés par la flottabilité 16.1.1 Flottabilité d’un solide à l’interface entre deux liquides 16.1.2 Flottabilité d’une particule d’air, modèle de la particule 16.1.3 Influence du contenu en eau sur la flottabilité 16.1.4 Flottabilité d’une particule saturée 16.1.5 Les limites du modèle de la particule, analyse de l’équation du mouvement vertical 16.2 La dynamique du tourbillon à mésoéchelle 16.2.1 Équations des composantes du tourbillon dans le système de Boussinesq 16.2.2 L’équilibre cyclostrophique 16.2.3 Relation avec la vitesse verticale CHAPITRE 17 • LES ÉCOULEMENTS PRÈS DE LA SURFACE, TURBULENCE 17.1 Écoulements au voisinage de la surface terrestre : définition de la couche limite atmosphérique 17.2 Écoulements laminaires et écoulements turbulents 17.3 Approche statistique de la turbulence 17.3.1 Définition des flux turbulents 17.3.2 Interprétation des flux turbulents 17.3.3 Hypothèses de fermeture 17.4 Intensité et origine de la turbulence 17.5 Les différents régimes de turbulence, nombre de Richardson 17.6 Modèle très simplifié de couche limite atmosphérique : la couche limite d’Ekman 17.7 Modèle simplifié pour la description du profil de vent dans la couche limite de surface 17.7.1 Définition, hypothèses 17.7.2 Profil de vent dans la couche limite de surface 17.7.3 Coefficients de frottement CHAPITRE 18 • CIRCULATION GÉNÉRALE : LA MACHINE ATMOSPHÉRIQUE 18.1 Transports d’énergie et mélange à l’échelle planétaire 18.1.1 Mode d’emploi pour la lecture des figures 18.2, 18.3 et 18.4 18.1.2 Analyse des figures 18.2 et 18.3 18.1.3 Analyse de la figure 18.4 18.1.4 Synthèse et enseignements concernant la circulation générale 18.2 Contraintes sur la circulation générale 18.2.1 Les grands équilibres 18.2.2 La consrvation du moment cinétique 18.3 Modèles de la circulation générale 18.4 Synthèse énergétique de la circulation générale 18.4.1 L’atmosphère : moteur ou pompe à chaleur 18.4.2 Différents mécanismes de conversion du chauffage différentiel en mouvement 18.4.3 Bilan énergétique global du système Terre/atmosphère CHAPITRE 19 • LES PERTURBATIONS BAROCLINES DES MOYENNES LATITUDES 19.1 La zone barocline de grande échelle 19.1.1 Modèles de zone barocline de grande échelle 19.1.2 La zone barocline : résultat de l’ajustement géostrophique au chauffage différentiel 19.2 Perturbations quasi stationnaires d’une zone barocline de grande échelle 19.2.1 Modèle simple d’ondes de Rossby planétaires 19.2.2 Variabilité basses fréquences de la zone barocline de grande échelle 19.2.3 Rapides de jet d’échelle planétaire 19.3 Les perturbations baroclines 19.3.1 Ondes synoptiques se propageant le long d’une zone barocline à tourbillon potentiel uniforme 19.3.2 Le mécanisme de développement barocline 19.3.3 Dissymétrie entre l’amplification d’une anomalie de tourbillon positive et l’amplification d’une anomalie de tourbillon négative 19.3.4 Les perturbations baroclines dans la circulation générale : mélange méridien de chaleur 19.3.5 Influence de la condensation de l’eau 19.3.6 Scénarios de cyclogénèses baroclines 19.4 Les fronts 19.4.1 Déformation et renforcement local de la zone barocline 19.4.2 Convergence du vent agéostrophique et rétroaction sur la zone barocline 19.4.3 Boucle de rétroaction dans un front 19.4.4 Synthèse du mécanisme de frontogénèse 19.4.5 La grande diversité des fronts 19.5 L’aspect lagrangien des circulations dans une perturbation barocline, les nuages et les précipitations 19.5.1 Trajectoires dans une perturbation barocline idéalisée 19.5.2 Trajectoires dans une perturbation réelle CHAPITRE 20 • LES PHÉNOMÈNES CONVECTIFS 20.1 L’instabilité de flottabilité 20.1.1 Le niveau de convection libre 20.1.2 La CAPE 20.1.3 La CIN 20.1.4 Les courants subsidents, les courants de densité et le front de rafale 20.1.5 Modèle conceptuel de la cellule ordinaire 20.2 Notion de cisaillement vertical de vent et interaction avec le courant de densité 20.2.1 Cisaillement, hodographe et liens avec le tourbillon horizontal 20.2.2 Interaction entre courant de densité et cisaillement de basses couches 20.2.3 Modèle conceptuel d’orage multicellulaire 20.3 Cas de cisaillements profonds, unidirectionnels ou rotationnels et interactions avec les ascendances 20.3.1 Cas d’un cisaillement unidirectionnel et séparation en deux cellules 20.3.2 Interaction d’un cisaillement vertical avec une ascendance nuageuse 20.3.3 Cas d’un cisaillement rotationnel et renforcement d’une des cellules 20.3.4 Modèle conceptuel d’orage supercellulaire 20.3.5 Quel type d’orage pour quel environnement ? 20.4 Les systèmes convectifs de mésoéchelle 20.4.1 Modèle conceptuel de ligne de grains 20.5 L’activité électrique dans un nuage 20.5.1 Climatologie des éclairs 20.5.2 Processus d’électrisation d’un nuage 20.5.3 Éclairs et tonnerre 20.5.4 Les éclairs et la prévision à très courte échéance CHAPITRE 21 • LES PHÉNOMÈNES DE BASSES COUCHES 21.1 Bilan énergétique à la surface 21.1.1 Les flux 21.1.2 Le bilan des flux 21.2 Évolution diurne de la couche limite atmosphérique 21.3 Masses d’air 21.4 Brumes et brouillards 21.4.1 Le brouillard de rayonnement 21.4.2 Le brouillard d’advection 21.5 Circulations de brise 21.5.1 La brise de mer et la brise de terre 21.5.2 Les brises de pente et les brises de vallée 21.6 Jet nocturne de basses couches 21.7 Modifications de l’écoulement synoptique par la topographie 21.7.1 Les écoulements perturbés par un obstacle 21.7.2 Les vents locaux et les vents régionaux CHAPITRE 22 • LES MODÈLES DE PRÉVISION NUMÉRIQUE 22.1 Le principe de la prévision numérique 22.1.1 La discrétisation de l’espace et du temps 22.1.2 Un problème « à la condition initiale » 22.1.3 Le cycle d’assimilation 22.2 Les rouages d’un modèle de prévision 22.2.1 De la condition initiale à la prévision 22.2.2 La dynamique 22.2.3 La physique 22.3 Le parc des modèles de prévision numérique 22.4 Les validations, les contrôles, les performances CHAPITRE 23 • L’ASSIMILATION DES DONNÉES 23.1 Le principe de l’assimilation des données 23.2 Les méthodes opérationnelles d’analyse 23.2.1 L’interpolation optimale 23.2.2 L’assimilation variationnelle 3D VAR 23.2.3 L’assimilation variationnelle 4D VAR CHAPITRE 24 • LA PRÉVISION DU TEMPS 24.1 De l’état du modèle aux cartes du prévisionniste 24.2 L’adaptation statistique locale de champs de modèle 24.3 Les limites de la prévision déterministe, vers des prévisions probabilistes 24.3.1 Prévision déterministe, prévision probabiliste 24.3.2 Échelles et prévisibilité 24.3.3 La prévision d’ensemble 24.4 Faire une prévision ÉPILOGUE ANNEXE A • CONSTANTES USUELLES ANNEXE B • OUTILS MATHÉMATIQUES ANNEXE C • OUTILS D’ANALYSE DE DONNÉES ANNEXE D • NOTION D’ONDES ANNEXE E • COMPLÉMENTS SUR LES ÉQUATIONS D’ÉVOLUTION DE L’ATMOSPHÈRE ANNEXE F • LES ÉQUATIONS HYDROSTATIQUES EN COORDONNÉE PRESSION ANNEXE G • ÉLÉMENTS D’ANALYSE NUMÉRIQUE ANNEXE H • PRINCIPAUX SYMBOLES GRAPHIQUES POUR LA MÉTÉOROLOGIE SYNOPTIQUE BIBLIOGRAPHIE INDEX REF. : 851 Nombre de pages : 728 pages Illustrations : nombreuses figures et photographies couleur Reliure : broché Format : 170 x 240 mm Epaisseur : 30 mm