Description

A propos de l’auteur du livre Fondamentaux de Météorologie

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.

Table des matières de “Fondamentaux de météorologie”

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