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UFR de l"ENM- Version 0 (septembre

2004)

Cours de Circulation Atmosphérique

ENPC, 12 mars 2012

I. Beau, METEO-FRANCE/CNRM Isabelle.Beau@meteo.fr

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Dynamique atmosphérique

: traite des mouvements de l"atmosphère terrestre et établit les lois physiques qui les gouvernent.

Lois physiques

: contraintes auxquelles sont soumis les mouvements. Rôle majeur de la dynamique atmosphérique dans la distribution des espèces chimiques: a. Pilotage des sources/puits des espèces chimiques b. Effet sur les constantes de temps des réactions chimiques Dans ce cours, mouvements dans la troposphère et dans la stratosphère. Cours spécifique pour la couche limite.

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Les phénomènes atmosphériques

La notion La notion

dd"é"échellechelle

Echelle planétaire

circulation persistante qui occupe une bonne partie du globe. Mise en évidence de ce type de circulation en " filtrant » les plus petites échelles par un traitement statistique adapté. Ex : circulation de Hadley, régime de temps, moussonÉchelle synoptique Dépression et anticyclone des moyennes latitudes, ondes d"Est tropicale et cyclones tropicauxMéso-échelle Vent régionaux, brises, lignes de grainsÉchelle aérologique Orages isolés, tornades, thermiques puresMicro-échelle Tourbillons de poussières, rafales, microphysique des nuages (formation de gouttelettes par ex) Dans la réalité, toutes ces échelles sont étroitement imbriquées. Dans la troposphère: toute la gamme d"échelles. Circulations stratosphériques dominées par les mouvements d"échelleplanétaire.

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I. Les mouvements dans l"atmosphèreI.1 Forces en présence, lois d"évolutionI.2 Contraintes sur les mouvements à grande échelleII.

Circulations troposphériques et transport

III.

Circulations stratosphériques et transport

Bibliographie: " Physique et chimie de l"atmosphère », sous la direction de R.

Delmas, G.Mégie et V.H Peuch, Belin, 2005.

" Fondamentaux de météorologie. A l"école du temps. », S. Malardel,

Cépaduès, 2005.

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2004) Rappels

• Trois lois fondamentales de la mécanique classique pour un corps isolé:

1. Conservation de la masse

2. Conservation de la quantité de mouvement

3. Conservation de l"énergie

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Echelle du continuum : plus petite échelle pour laquelle le fluide peut-être considéré comme un milieu continu.

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LOI DE CONSERVATION DE

LA MASSE• 1. Approche lagrangienne• 2. Approche eulérienne• Approche lagrangienne: • La masse volumique d"une particule fluide ne peut

varier que par la modification de son volume

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Interprétation de l"équation de

continuité• Si le champ de mouvement des particules de fluide au voisinage de la particule est divergent (resp. convergent) alors la masse volumique diminue (resp. augmente) • Cas du fluide incompressible : le volume d"une masse de fluide donnée ne varie pas ou ou

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Forme eulérienne de l"équation

de continuité• En un point fixé de l"espace, comme il n"y a ni création, ni destruction de masse, la masse ne varie que par des entrées/sorties à travers la frontière du volume

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2004) Interprétation

• La masse présente au voisinage d"un point du fluide (volume fixé) a tendance à augmenter (diminuer) si le flux de masse est convergent (divergent). • Passage de la forme eulérienne à la forme lagrangienne

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Loi de conservation de la

quantité de mouvement • Dans un référentiel absolu, application des lois de Newton: • évolution Lagrangienne dans un référentiel absolu vitesse macroscopique dans le référentiel absolu

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Inventaire des forces

• 1. Force d"attraction terrestre • 2. Force de pression • 3. Force de viscosité

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L"équation du mouvement

absolu soit

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Conservation de la quantité de

mouvement dans un référentiel tournant• : vitesse d"entraînement, vitesse absolue du référentiel tournant lié à la Terre à l"endroit où se trouve la particule; vitesse zonale d"ouest en est, de module WR vecteur rotation de la terre, de module

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Référentiels absolu et terrestre

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Accélération relative/

Accélération absolue

Accélération absolue = Accélération relative + Accélérations d"inertie soit

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Force de gravité en

météorologie- Définition de la verticale • En météo, • Gravité, champ de pesanteur (verticale) = champ d"attraction gravitationnelle de la

Terre + force d"inertie centrifuge par unité

de masse

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UFR de l"ENM- Version 0 (septembre

2004) Le poids

• Poids ou force de pesanteur ou force de gravité • La force de gravité dérive d"un potentiel: avec

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L"équation du mouvement

dans le repère local • Par unité de masse, dans le référentiel tournant lié à la Terre: • Système de coordonnées dans le référentiel terrestre

Repère local du point M

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Vent • Vent zonal (vitesse relative tangente aux cercles de latitude) u • Vent méridien (vitesse relative tangente aux cercles méridiens) v • Vitesse verticale w

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Equations du mouvement dans

le repère local

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LOI DE CONSERVATION DE

L"ENERGIE

cosp.v1.2.2_GMAP

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Loi de conservation de l"énergie

(suite)?•Premier principe de la thermodynamiqueLa variation d"énergie cinétique totale de la

particule par unité de temps est égale à la somme de la puissance totale des forces extérieures s"appliquant sur la particule et de la chaleur échangée par unité de temps avec l"extérieur (conduction thermique, rayonnement, changements de phase de l"eau

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Transformation adiabatique

• souvent utilisée en première approximation • Compression adiabatique: le travail des forces de pression est associé à une augmentation de l"énergie interne, donc à une augmentation de la température et P augmente. • Détente adiabatique: masse volumique, température et pression diminuent cosp.v1.2.2_GMAP

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La température potentielle

•Loi d"évolution

Transformation adiabatique

etalors Température que prendrait une particule atmosphérique si on lui faisait subir une transformation adiabatique en la ramenant à une pression de référence de 1000hPa.

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La température potentielle

(suite)? • Contrainte sur les valeurs de (P, T) d"une particule évoluant de façon adiabatique à partir d"un état initial donné. • Evolution quelconque: • Pour un apport de chaleur, la température potentielle augmente ne varie qu"en cas d"échange de chaleur avec l"extérieur

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Température et

température potentielle

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Stratification verticale et stabilité• Flottabilité d"un élément fluide: différence entre la densité

de l"environnement et celle de l"élément. Un des mécanismes responsable de mouvements verticaux dans l"atmosphère (formation des panaches de fumée, des orages...), pas le seul (voir II, mouvements verticaux d"échelle synoptique). • Sous certaines hypothèses (environnement au repos, pression particule = pression exercée par l"environnement sur la surface de la particule, évolution adiabatique de la particule) ,on montre que si la particule est + légère (resp.lourde) que son environnement, elle est accélérée vers la haut (resp. bas) ; si elle est + chaude (resp. froide) que son environnement, elle est accélérée vers le haut (resp.

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Stratification verticale et stabilité> Croissance de qsur la verticale (ou diminution de T sur la verticale moins forte que le gradient adiabatique): équilibre stable > Décroissance de q : instable • > A grande échelle, atmosphère stable vis-à-vis de la convection sèche ( gradient adiabatique sec de l"ordre de 10 C/km et gradient vertical thermique observé de l"ordre de 7 K/km) • Effet de la condensation de l"eau sur la flottabilité: libération de chaleur par condensation limite la diminution de T de la particule au cours de l"ascendance. La condition d"instabilité est plus facilement remplie que dans le cas sans condensation et mvts verticaux par instabilité de flottabilité favorisés.

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Moyenne annuelle et zonale de la température potentielle (ERA

40): à grande échelle, theta augmente sur la verticale; à petite

échelle, le profil peut être très différent (profil convectif). cosp.v1.2.2_GMAP

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L"atmosphère en conditions

stables. Les inversions • Inversions : situations où T augmente avec z, atmosphères très stables. • Deux cas typiques: - Aux moyennes et hautes latitudes , près de la surface au cours des nuits d"hiver calmes par refroidissement radiatif de la surface (impact radiatif + piégeage de l"air en surface + formation de brouillards dans la couche située sous l"inversion). -Dans les zones subtropicales (zones d"air cosp.v1.2.2_GMAP

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Tourbillon vertical absolu

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