Fondamentaux de météorologie : à l'école du temps

Auteur(s) :

Malardel, Sylvie Découvrir l'auteur

Résumé

Présente les bases techniques et scientifiques de la météorologie de ce début de XXIe siècle. Etat de l'art des principaux modèles conceptuels fondés sur des résultats de publications scientifiques récentes. Aborde les techniques actuelles d'observation et de prévision numérique du temps. ©Electre 2022

Éditeur(s)
- Cépaduès-éditions
Date
- DL 2022
Notes
- Bibliogr. Index
Langues
- Français
Description matérielle
- 1 vol. (XIV-710 p.) : ill. en noir et en coul., cartes, couv. ill. en coul. ; 24 cm
Sujet(s)
ISBN
- 978-2-36493-933-2
Indice
- 550.72 Météorologie
Quatrième de couverture
- Cet ouvrage présente les bases techniques et scientifiques de la météorologie de ce début du XXI^e 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 avertis 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.
Tables des matières
- - PrologueXV
  - Chapitre 1 . Introduction à la météorologie
  - 1.1 Il était une fois l'air3
  - 1.2 L'énergie du Soleil8
  - 1.3 Les phénomènes atmosphériques13
  - 1.3.1 Échelles13
  - 1.3.2 Perturbations et anomalies14
  - 1.3.3 Interactions d'échelles14
  - 1.4 Cause ou effet ?15
  - 1.5 De l'observation à la prévision opérationnelle16
  - Chapitre 2 . Observation de l'atmosphère
  - 2.1 Les principaux paramètres à observer20
  - 2.1.1 La température de l'air20
  - 2.1.2 La pression atmosphérique21
  - 2.1.3 Le vent25
  - 2.1.4 L'humidité de l'air28
  - 2.1.5 Les précipitations30
  - 2.1.6 Les nuages32
  - 2.1.7 La visibilité, la brume et le brouillard39
  - 2.2 Les observations in situ40
  - 2.2.1 Les moyens de mesure40
  - 2.2.2 Les réseaux de mesure41
  - 2.2.3 Les codes, le pointage et les cartes météorologiques46
  - 2.3 La télédétection54
  - 2.3.1 Les satellites météorologiques54
  - 2.3.2 Les radars météorologiques63
  - 2.3.3 D'autres moyens de télédétection72
  - Chapitre 3 . Portraits de l'atmosphère
  - 3.1 Une vue d'ensemble81
  - 3.2 L'atmosphère vue de profil82
  - 3.3 L'atmosphère d'un pôle à l'autre84
  - 3.3.1 Le bilan radiatif85
  - 3.3.2 La température88
  - 3.3.3 Le vent93
  - 3.3.4 La répartition de la masse atmosphérique99
  - 3.3.5 L'eau104
  - 3.3.6 Superpositions de champs moyens105
  - 3.3.7 Le couvercle de la troposphère : la tropopause108
  - 3.4 Zoom sur les régions tropicales113
  - 3.4.1 Le point sur la zone de convergence intertropicale113
  - 3.4.2 La mousson114
  - 3.4.3 Les cyclones tropicaux118
  - 3.4.4 Les organisations convectives et les circulations tropicales locales120
  - 3.5 Zoom sur les moyennes latitudes125
  - 3.5.1 La zone barocline moyenne125
  - 3.5.2 Les ondes quasi stationnaires126
  - 3.5.3 La variabilité basses fréquences, les régimes de temps127
  - 3.5.4 Variabilité synoptique : les perturbations baroclines132
  - 3.5.5 Le rail des dépressions143
  - 3.5.6 Les situations convectives144
  - 3.5.7 Les brouillards147
  - 3.5.8 Les influences locales : exemples de l'orographie et des côtes149
  - Chapitre 4 . Introduction au modèle théorique de fluide atmosphérique
  - 4.1 Rappels sur les trois lois fondamentales de la mécanique classique155
  - 4.2 Le modèle de fluide continu et la particule de fluide157
  - 4.2.1 Approche macroscopique157
  - 4.2.2 Définition de la particule de fluide157
  - 4.2.3 Approche eulérienne et approche lagrangienne158
  - 4.3 Description de l'atmosphère à l'échelle du continuum160
  - 4.3.1 Le déplacement et la vitesse macroscopiques160
  - 4.3.2 La pression et la température dans un gaz, équation d'état162
  - 4.3.3 Cas d'un mélange de gaz : la loi de Dalton166
  - 4.3.4 Fluide barotrope, fluide barocline167
  - Chapitre 5 . La loi de conservation de la masse
  - 5.1 Forme lagrangienne169
  - 5.2 Cas d'un fluide dit « incompressible »170
  - 5.3 Forme eulérienne170
  - 5.4 Équivalence des deux formes de la loi de conservation de la masse171
  - Chapitre 6 . La loi de conservation de la quantité de mouvement
  - 6.1 Inventaire des forces173
  - 6.1.1 La force d'attraction terrestre174
  - 6.1.2 Les forces s'appliquant à la surface d'un petit élément de volume174
  - 6.2 Équation du mouvement absolu180
  - 6.3 La conservation de la quantité de mouvement dans un référentiel tournant180
  - 6.3.1 Évolution d'un vecteur dans un référentiel tournant180
  - 6.3.2 Vitesse absolue, vitesse relative182
  - 6.3.3 Accélération absolue, accélération relative184
  - 6.3.4 Forces d'inertie185
  - 6.4 La force de gravité en météorologie ; définition de la verticale187
  - 6.5 L'équation du mouvement dans le repère local189
  - 6.6 L'énergie cinétique macroscopique, l'énergie potentielle et le géopotentiel191
  - 6.7 Cas particulier de l'atmosphère « au repos » dans le référentiel terrestre193
  - Chapitre 7 . La loi de conservation de l'énergie
  - 7.1 Le premier principe de la thermodynamique, équations pour la température197
  - 7.1.1 Définition de l'énergie interne197
  - 7.1.2 Le premier principe de la thermodynamique199
  - 7.2 Exemples de transformations thermodynamiques203
  - 7.2.1 Transformation isochore203
  - 7.2.2 Transformation isotherme203
  - 7.2.3 Transformation isobare204
  - 7.2.4 Transformation adiabatique206
  - 7.3 La température potentielle207
  - 7.3.1 Définition207
  - 7.3.2 Loi d'évolution208
  - 7.3.3 Ascendances et subsidences adiabatiques209
  - 7.3.4 La distribution verticale de la température potentielle dans l'atmosphère211
  - 7.4 Les diagrammes thermodynamiques213
  - Chapitre 8 . Les échanges de chaleur avec l'extérieur
  - 8.1 Les échanges de chaleur par conduction219
  - 8.1.1 Loi de Fourier219
  - 8.1.2 Bilan des flux de conduction221
  - 8.2 Les échanges de chaleur par rayonnement électromagnétique221
  - 8.2.1 Généralités sur le rayonnement électromagnétique222
  - 8.2.2 Notion d'angle solide224
  - 8.2.3 Grandeurs énergétiques associées au rayonnement225
  - 8.2.4 Interaction entre le rayonnement et la matière227
  - 8.2.5 L'émission et l'absorption228
  - 8.2.6 Bilan radiatif à travers un élément de matière232
  - 8.2.7 Le rayonnement solaire233
  - 8.2.8 Le rayonnement atmosphérique et terrestre235
  - 8.2.9 Bilan des flux de rayonnement238
  - Chapitre 9 . Les changements d'état de l'eau
  - 9.1 L'évaporation et la condensation de l'eau241
  - 9.2 Les humidités243
  - 9.3 La vapeur sèche et la vapeur saturante244
  - 9.4 La chaleur latente de vaporisation246
  - 9.5 Chaleur latente et enthalpie247
  - 9.5.1 Changement d'état et équation d'évolution de l'enthalpie247
  - 9.5.2 Cas d'une transformation isotherme248
  - 9.5.3 Cas d'une transformation adiabatique248
  - 9.5.4 Evolution de la température potentielle et changement d'état249
  - 9.6 Les autres changements de phase250
  - 9.7 La sursaturation et la surfusion252
  - 9.8 Processus de saturation d'une particule d'air atmosphérique253
  - 9.9 Evolutions thermodynamiques d'une particule saturée et représentation sur l'émagramme256
  - Chapitre 10 . Les lois sur les mouvements de rotation
  - 10.1 Rappels sur la rotation solide261
  - 10.2 Le moment cinétique par rapport à l'axe de rotation de la Terre264
  - 10.2.1 Définition264
  - 10.2.2 Loi d'évolution264
  - 10.3 Le vecteur tourbillon266
  - 10.3.1 Définition266
  - 10.3.2 Vecteur tourbillon absolu266
  - 10.3.3 Vecteur tourbillon relatif266
  - 10.3.4 Lois d'évolution267
  - 10.4 Le tourbillon vertical270
  - 10.4.1 Définitions270
  - 10.4.2 Équation d'évolution271
  - 10.5 Le tourbillon potentiel271
  - 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 résolue275
  - 11.2 Notion d'analyse en ordre de grandeur278
  - 11.3 Atmosphère au repos, atmosphère de référence279
  - 11.4 L'approximation de la pellicule mince280
  - 11.5 L'approximation du plan tangent281
  - 11.5.1 Les équations en coordonnées cartésiennes281
  - 11.5.2 f-plan, ?-plan283
  - Chapitre 12 . L'élasticité dans un fluide, approximation anélastique, système de Boussinesq
  - 12.1 L'élasticité de l'air285
  - 12.1.1 Définition285
  - 12.1.2 Le principe du filtrage de l'élasticité de l'air286
  - 12.2 L'approximation anélastique287
  - 12.2.1 L'équation anélastique287
  - 12.2.2 Interprétation de l'équation anélastique288
  - 12.2.3 Ordre de grandeur de la vitesse verticale289
  - 12.3 L'approximation de Boussinesq290
  - 12.3.1 Définition290
  - 12.3.2 Le système des équations de Boussinesq291
  - Chapitre 13 . Quasi-équilibre vertical, approximation hydrostatique
  - 13.1 Définition de l'approximation hydrostatique295
  - 13.2 Validité de l'approximation hydrostatique296
  - 13.3 Température et épaisseur entre deux isobares298
  - 13.4 L'approximation hydrostatique dans le système de Boussinesq300
  - 13.5 La coordonnée verticale pression301
  - 13.5.1 Définition301
  - 13.5.2 Passage de la coordonnée altitude à la coordonnée pression301
  - 13.5.3 D'autres coordonnées verticales302
  - Chapitre 14 . Le quasi-équilibre horizontal, les écoulements de grande échelle et l'approximation quasi-géostrophique
  - 14.1 Échelles et rotation de la Terre305
  - 14.2 La composante géostrophique de la circulation à grande échelle307
  - 14.2.1 Définition de l'équilibre géostrophique307
  - 14.2.2 Le vent géostrophique308
  - 14.2.3 Le tourbillon et la divergence du vent géostrophique312
  - 14.2.4 L'ordre de grandeur de la vitesse verticale de grande échelle313
  - 14.3 L'équilibre du vent thermique314
  - 14.3.1 Définition314
  - 14.3.2 Relation du vent thermique et baroclinie315
  - 14.3.3 Interprétation de la relation du vent thermique316
  - 14.4 Les équations à grande échelle317
  - 14.4.1 L'équation quasi-géostrophique du mouvement horizontal317
  - 14.4.2 L'équation de balance géostrophique319
  - 14.4.3 L'équation quasi-géostrophique du tourbillon320
  - 14.4.4 L'équation quasi-géostrophique de la thermodynamique321
  - 14.5 Le tourbillon potentiel à grande échelle et l'inversion du tourbillon potentiel324
  - 14.5.1 Le tourbillon potentiel quasi-géostrophique324
  - 14.5.2 Notion d'inversion du tourbillon potentiel328
  - 14.6 Modèle de troposphère à tourbillon potentiel uniforme330
  - 14.6.1 Localisation des extrema de perturbation de pression dans une troposphère à tourbillon potentiel uniforme331
  - 14.6.2 Zone cyclonique au sol334
  - 14.6.3 Zone cyclonique à la tropopause335
  - 14.6.4 Zones anticycloniques au sol ou à la tropopause336
  - 14.6.5 Influence de la taille de l'anomalie de température sur le tourbillon336
  - 14.7 Anomalies de tourbillon potentiel338
  - 14.7.1 Génération d'anomalies de tourbillon potentiel par une source de chaleur338
  - 14.7.2 Anomalies positive et négative de tourbillon potentiel à l'intérieur de la troposphère339
  - 14.8 Déformation de la tropopause et anomalies de tourbillon potentiel341
  - 14.9 Le vent agéostrophique et la vitesse verticale à grande échelle342
  - 14.9.1 Équation diagnostique quasi-géostrophique pour la vitesse verticale de grande échelle343
  - 14.9.2 Circulation secondaire associée à une zone barocline idéalisée347
  - 14.9.3 Circulation secondaire associée à une zone barocline idéalisée perturbée par une anomalie cyclonique au sol349
  - 14.9.4 Interprétation de la circulation secondaire de grande échelle en termes de tourbillon potentiel352
  - 14.9.5 Circulation secondaire associée à une zone barocline idéalisée perturbée par une anomalie cyclonique à la tropopause et cas d'anomalies anticycloniques355
  - Chapitre 15 . Exemples d'ajustement de l'atmosphère
  - 15.1 Ajustement hydrostatique à une source diabatique, cas sans rotation de la Terre357
  - 15.1.1 Ajustement à une source diabatique358
  - 15.1.2 Rétablissement de l'état de repos362
  - 15.2 Ajustement au géostrophisme363
  - Chapitre 16 . Éléments de dynamique des écoulements de petite échelle
  - 16.1 Les mouvements verticaux contrôlés par la flottabilité371
  - 16.1.1 Flottabilité d'un solide à l'interface entre deux liquides372
  - 16.1.2 Flottabilité d'une particule d'air, modèle de la particule376
  - 16.1.3 Influence du contenu en eau sur la flottabilité381
  - 16.1.4 Flottabilité d'une particule saturée383
  - 16.1.5 Les limites du modèle de la particule, analyse de l'équation du mouvement vertical384
  - 16.2 La dynamique du tourbillon à mésoéchelle387
  - 16.2.1 Équations des composantes du tourbillon dans le système de Boussinesq387
  - 16.2.2 L'équilibre cyclostrophique387
  - 16.2.3 Relation avec la vitesse verticale388
  - Chapitre 17 . Les écoulements près de la surface, turbulence
  - 17.1 Écoulements au voisinage de la surface terrestre : définition de la couche limite atmosphérique391
  - 17.2 Écoulements laminaires et écoulements turbulents393
  - 17.3 Approche statistique de la turbulence394
  - 17.3.1 Définition des flux turbulents394
  - 17.3.2 Interprétation des flux turbulents395
  - 17.3.3 Hypothèses de fermeture398
  - 17.4 Intensité et origine de la turbulence399
  - 17.5 Les différents régimes de turbulence, nombre de Richardson401
  - 17.6 Modèle très simplifié de couche limite atmosphérique : la couche limite d'Ekman402
  - 17.7 Modèle simplifié pour la description du profil de vent dans la couche limite de surface406
  - 17.7.1 Définition, hypothèses406
  - 17.7.2 Profil de vent dans la couche limite de surface407
  - 17.7.3 Coefficients de frottement408
  - Chapitre 18 . Circulation générale : la machine atmosphérique
  - 18.1 Transports d'énergie et mélange à l'échelle planétaire414
  - 18.1.1 Mode d'emploi pour la lecture des figures 18.2, 18.3 et 18.4415
  - 18.1.2 Analyse des figures 18.2 et 18.3419
  - 18.1.3 Analyse de la figure 18.4419
  - 18.1.4 Synthèse et enseignements concernant la circulation générale419
  - 18.2 Contraintes sur la circulation générale420
  - 18.2.1 Les grands équilibres420
  - 18.2.2 La conservation du moment cinétique421
  - 18.3 Modèles de la circulation générale423
  - 18.4 Synthèse énergétique de la circulation générale428
  - 18.4.1 L'atmosphère : moteur ou pompe à chaleur429
  - 18.4.2 Différents mécanismes de conversion du chauffage différentiel en mouvement432
  - 18.4.3 Bilan énergétique global du système Terre/atmosphère434
  - Chapitre 19 . Les perturbations baroclines des moyennes latitudes
  - 19.1 La zone barocline de grande échelle437
  - 19.1.1 Modèles de zone barocline de grande échelle438
  - 19.1.2 La zone barocline : résultat de l'ajustement géostrophique au chauffage différentiel439
  - 19.2 Perturbations quasi stationnaires d'une zone barocline de grande échelle440
  - 19.2.1 Modèle simple d'ondes de Rossby planétaires441
  - 19.2.2 Variabilité basses fréquences de la zone barocline de grande échelle445
  - 19.2.3 Rapides de jet d'échelle planétaire447
  - 19.3 Les perturbations baroclines451
  - 19.3.1 Ondes synoptiques se propageant le long d'une zone barocline à tourbillon potentiel uniforme451
  - 19.3.2 Le mécanisme de développement barocline454
  - 19.3.3 Dissymétrie entre l'amplification d'une anomalie de tourbillon positive et l'amplification d'une anomalie de tourbillon négative458
  - 19.3.4 Les perturbations baroclines dans la circulation générale : mélange méridien de chaleur459
  - 19.3.5 Influence de la condensation de l'eau460
  - 19.3.6 Scénarios de cyclogénèses baroclines461
  - 19.4 Les fronts465
  - 19.4.1 Déformation et renforcement local de la zone barocline465
  - 19.4.2 Convergence du vent agéostrophique et rétroaction sur la zone barocline471
  - 19.4.3 Boucle de rétroaction dans un front473
  - 19.4.4 Synthèse du mécanisme de frontogénèse475
  - 19.4.5 La grande diversité des fronts477
  - 19.5 L'aspect lagrangien des circulations dans une perturbation barocline, les nuages et les précipitations478
  - 19.5.1 Trajectoires dans une perturbation barocline idéalisée479
  - 19.5.2 Trajectoires dans une perturbation réelle481
  - Chapitre 20 . Les phénomènes convectifs
  - 20.1 L'instabilité de flottabilité486
  - 20.1.1 Le niveau de convection libre486
  - 20.1.2 La CAPE488
  - 20.1.3 La CIN490
  - 20.1.4 Les courants subsidents, les courants de densité et le front de rafale490
  - 20.1.5 Modèle conceptuel de la cellule ordinaire494
  - 20.2 Notion de cisaillement vertical de vent et interaction avec le courant de densité496
  - 20.2.1 Cisaillement, hodographe et liens avec le tourbillon horizontal496
  - 20.2.2 Interaction entre courant de densité et cisaillement de basses couches499
  - 20.2.3 Modèle conceptuel d'orage multicellulaire502
  - 20.3 Cas de cisaillements profonds, unidirectionnels ou rotationnels et interactions avec les ascendances504
  - 20.3.1 Cas d'un cisaillement unidirectionnel et séparation en deux cellules504
  - 20.3.2 Interaction d'un cisaillement vertical avec une ascendance nuageuse507
  - 20.3.3 Cas d'un cisaillement rotationnel et renforcement d'une des cellules509
  - 20.3.4 Modèle conceptuel d'orage supercellulaire511
  - 20.3.5 Quel type d'orage pour quel environnement ?513
  - 20.4 Les systèmes convectifs de mésoéchelle514
  - 20.4.1 Modèle conceptuel de ligne de grains517
  - 20.5 L'activité électrique dans un nuage521
  - 20.5.1 Climatologie des éclairs521
  - 20.5.2 Processus d'électrisation d'un nuage522
  - 20.5.3 Éclairs et tonnerre523
  - 20.5.4 Les éclairs et la prévision à très courte échéance526
  - Chapitre 21 . Les phénomènes de basses couches
  - 21.1 Bilan énergétique à la surface527
  - 21.1.1 Les flux528
  - 21.1.2 Le bilan des flux531
  - 21.2 Évolution diurne de la couche limite atmosphérique531
  - 21.3 Masses d'air534
  - 21.4 Brumes et brouillards534
  - 21.4.1 Le brouillard de rayonnement535
  - 21.4.2 Le brouillard d'advection535
  - 21.5 Circulations de brise536
  - 21.5.1 La brise de mer et la brise de terre536
  - 21.5.2 Les brises de pente et les brises de vallée539
  - 21.6 Jet nocturne de basses couches541
  - 21.7 Modifications de l'écoulement synoptique par la topographie544
  - 21.7.1 Les écoulements perturbés par un obstacle544
  - 21.7.2 Les vents locaux et les vents régionaux549
  - Chapitre 22 . Les modèles de prévision numérique
  - 22.1 Le principe de la prévision numérique556
  - 22.1.1 La discrétisation de l'espace et du temps556
  - 22.1.2 Un problème « à la condition initiale »557
  - 22.1.3 Le cycle d'assimilation558
  - 22.2 Les rouages d'un modèle de prévision560
  - 22.2.1 De la condition initiale à la prévision560
  - 22.2.2 La dynamique561
  - 22.2.3 La physique563
  - 22.3 Le parc des modèles de prévision numérique571
  - 22.4 Les validations, les contrôles, les performances574
  - Chapitre 23 . L'assimilation des données
  - 23.1 Le principe de l'assimilation des données577
  - 23.2 Les méthodes opérationnelles d'analyse581
  - 23.2.1 L'interpolation optimale581
  - 23.2.2 L'assimilation variationnelle 3D VAR585
  - 23.2.3 L'assimilation variationnelle 4D VAR589
  - Chapitre 24 . La prévision du temps
  - 24.1 De l'état du modèle aux cartes du prévisionniste591
  - 24.2 L'adaptation statistique locale de champs de modèle593
  - 24.3 Les limites de la prévision déterministe, vers des prévisions probabilistes594
  - 24.3.1 Prévision déterministe, prévision probabiliste594
  - 24.3.2 Échelles et prévisibilité597
  - 24.3.3 La prévision d'ensemble598
  - 24.4 Faire une prévision601
  - Table des annexes605
  - Annexe A . Constantes usuelles 607
  - Annexe B . Outils mathématiques 609
  - Annexe C . Outils d'analyse de données 643
  - Annexe D . Notion d'ondes 653
  - Annexe E . Compléments sur les équations d'évolution de l'atmosphère 661
  - Annexe F . Les équations hydrostatiques en coordonnée pression 667
  - Annexe G . Éléments d'analyse numérique 675
  - Annexe H . Principaux symboles graphiques pour la météorologie synoptique 691
  - Bibliographie695
  - Index703
Origine de la notice:
- Abes ;
- Electre