Cet article couvrira :
I : Échange de chaleur aux latitudes moyennes
II : Fronts
II.1 Front froid
II.2 Front chaud
II.3 Front occlus
II.4 Front stationnaire
III. Cyclogenèse à la surface
IV. Cyclogenèse au niveau supérieur
IV.1 Creux
IV.2 Crête
IV.3 Crête et creux combinés : le modèle de vague
IV.4 Creux et crête à mi-niveau
IV.5 Divergence du courant-jet et de l'étage supérieur
V. Cyclogenèse en 3 dimensions
Introduction
À la fin de l'article précédent sur le vent, nous avons présenté la circulation globale du vent autour du globe. Pour chaque hémisphère, la circulation globale du vent définit trois zones :
équatorial : 0 à 30° : chaud et humide caractérisé par une basse pression (dépression équatoriale)
latitude moyenne : 30 à 60° : cellule de Ferrel
polaire : 60 à 90° ; froid et sec caractérisé par une haute pression (anticyclone polaire)
Les régions équatoriales et polaires sont très spécifiques en termes de météo et hors de portée ici.
Les latitudes moyennes sont régies par la cellule de Ferrel. La région des latitudes moyennes est prise en sandwich entre l'air froid et sec et l'air chaud et humide, ce qui en fait un lieu où se produisent la majeure partie du transport de chaleur et des systèmes météorologiques. C'est également là que vit la majeure partie de la population mondiale, et nous nous concentrerons dans cet article sur le climat des latitudes moyennes.
source : https://www.grit.com/
I. Échange de chaleur aux latitudes moyennes
Pour l'hémisphère Nord, la partie nord de la cellule de Ferrel est un lieu très dynamique où se produisent une grande partie des phénomènes météorologiques. Autour de 60° Nord se trouve une ligne imaginaire appelée front polaire. De part et d'autre de cette ligne, les conditions météorologiques sont très différentes :
du côté nord : vent froid d'est
du côté sud : vent d'ouest plus chaud
Ces deux masses d'air très différentes doivent se mélanger. Ce mélange se produit, au sens figuré, grâce à de grands ventilateurs qui poussent l'air chaud vers le nord et l'air froid vers le sud. Les grands ventilateurs qui tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre représentent les dépressions des latitudes moyennes que rencontrent les navigateurs en navigation (par exemple, lors de la traversée de l'Atlantique Nord des États-Unis vers l'Europe, ou lors du Vendée Globe dans les océans australs lors du contournement de l'Antarctique).
Cet article se concentrera sur l’explication de la mécanique de ces dépressions et sur la façon dont certaines d’entre elles s’intensifient en de puissantes tempêtes.
Mais avant cela, faisons une brève présentation de ce qu'est un front météorologique dans la section suivante.
II. Fronts
Le schéma ci-dessus montre deux masses d'air différentes de part et d'autre du front polaire à 60° Nord. Des symboles météorologiques permettent d'identifier facilement les masses d'air chaudes et froides, ainsi que leur mouvement.
II.1 : Front froid
L'air froid remplace l'air chaud. Le triangle bleu indique la direction du mouvement du front.
II.2 : Front chaud
L'air chaud remplace l'air froid. Le demi-cercle rouge indique la direction du mouvement du front.
II.3 : Front occlus
Un front occlus se forme lorsqu'un front froid plus rapide rattrape un front chaud plus lent, provoquant le soulèvement de l'air chaud entre deux masses d'air plus froides. Ce processus entraîne un mélange des couches d'air et engendre généralement des phénomènes météorologiques complexes tels que la formation de nuages, des pluies continues, voire des orages. Après le passage du front occlus, le temps se stabilise souvent et s'éclaircit.
II.4 : Front stationnaire
Le front stationnaire ne bouge pas comme son nom l'indique.
Les symboles utilisés sont une combinaison du front froid et du front chaud.
Indépendamment des 2 fronts ci-dessus, l'air froid est de l'autre côté du triangle, et l'air chaud est du côté des demi-cercles.
III. Cyclogenèse à la surface
Comme nous l'avons vu dans la première partie, la dépression que connaissent les marins naviguant aux latitudes moyennes est responsable du mélange d'air froid et d'air chaud au niveau du front polaire. Les marins ressentent une dépression lorsqu'elle est associée à une baisse de la pression barométrique, souvent accompagnée de précipitations et de vents violents.
Cette section explique la physique de la formation de ces dépressions. Le lecteur peut approfondir ses connaissances en consultant le site https://pressbooks-dev.oer.hawaii.edu/atmo/chapter/chapter-13-extratropical-cyclones/
Il y a 5 étapes de la cyclogenèse.
Stade 1 : Au front polaire, autour du 60e parallèle nord, l'air froid au nord et l'air chaud au sud sont séparés par un front stationnaire. C'est la phase initiale, ou phase d'équilibre.
source : https://slcc.pressbooks.pub/
Étape 2 : la formation d'une onde frontale
Une perturbation se produit qui va perturber cet équilibre et pousser l’air froid vers le sud et l’air chaud vers le nord.
Étape 3 : un cyclone nouvellement développé
Stade 4 : Cyclone mature, formation d'un front occlus et point triple
Le front froid rattrape le front chaud.
Étape 5 : Phase de dissipation
Le modèle ci-dessus décrit ce qui se passe à la surface. L'air converge au centre de la dépression et s'élève, comme l'air dans une cheminée. Mais l'air ascendant doit trouver des conditions favorables en haute atmosphère pour continuer à s'élever et ensuite s'évacuer. On peut comparer cela à un feu dans une cheminée. La cheminée doit favoriser l'ascension de l'air, sinon le feu s'étouffe.
Nous passerons ensuite au chapitre suivant, au niveau supérieur, pour trouver quelles sont les conditions favorables pour qu'une dépression s'intensifie et devienne une puissante tempête.
Pour les lecteurs de l'hémisphère sud, les images ci-dessus peuvent prêter à confusion, car les systèmes dépressionnaires tournent dans le sens des aiguilles d'une montre dans cette région. Pour vous éviter des torticolis, nous avons inversé et combiné les images ci-dessous.
IV. Cyclogenèse au niveau supérieur
Au niveau supérieur, nous utilisons la hauteur géopotentielle plutôt que l'isobare. Ces cartes sont légèrement différentes : les valeurs basses et hautes sont représentées par des creux et des crêtes.
IV.1 Creux
Un creux est lié à une basse pression. Les lecteurs de cartes météorologiques connaissent le système dépressionnaire général, qui représente un cercle fermé d'isobares. Le creux est une zone allongée de basse pression atmosphérique, sans contour isobarique fermé. On peut l'imaginer comme une vallée.
Source : https://www.e-education.psu.edu/
L'image ci-dessus représente 2 choses :
une zone de basse pression définie, où se trouve la lettre L, avec une isobare proche.
un creux avec les isobares non fermées. L'axe du creux est représenté par une ligne pointillée.
Image : les lignes de pression peuvent être représentées par des altitudes sur une carte de sentiers. Si vous suivez la ligne de creux vers le nord, vous descendez une vallée et vous êtes entouré de terrain de chaque côté.
IV.2 Crête
Une crête est liée à une haute pression. Il s'agit d'une zone allongée de pression atmosphérique plus élevée, sans contour isobare fermé. On peut l'imaginer comme une colline.
L'image ci-dessus représente 2 choses :
une zone de haute pression définie, où se trouve la lettre H, avec une isobare proche.
une crête avec les isobares non fermées. L'axe de la crête est représenté par une ligne en zigzag.
Image : Si vous faites une randonnée sur la ligne de crête vers le sud, vous gravirez une montagne avec des falaises des deux côtés.
IV.3. Combinaison de creux et de crête : modèle de vague
Les creux et les crêtes ne se produisent pas seuls. Ils se produisent côte à côte et se combinent pour former une onde.
Le motif des vagues montre clairement que l’air se mélange, comme les grands ventilateurs que nous avons mentionnés dans la première partie.
À gauche du creux, l'air froid du nord est poussé vers le sud en direction de l'air plus chaud
À droite du creux, l’air plus chaud du sud est poussé vers le nord en direction de l’air plus froid.
La crête est associée à de l'air chaud, une haute pression en altitude et une atmosphère plus stable. Cela tend à favoriser un climat sec et clément sous la crête.
Le creux est associé à un temps frais et dégradé et la crête à un temps chaud et doux, comme illustré ci-dessous.
source : https://opensnow.com/
IV.4 Creux et crête de niveau supérieur à 500 mbar
Les creux et les dorsales se produisent à la fois en surface et en altitude. Ceux de la haute atmosphère sont à l'origine des régimes météorologiques mondiaux, lesquels influencent à leur tour les phénomènes au niveau du sol.
Les prévisionnistes sont comme des détectives (voir la série télévisée « The rookie » 😀) et utilisent le milieu de l'atmosphère (500 mbar, soit environ 5 kilomètres d'altitude) comme point de repère pour trouver des indices sur l'endroit où une tempête se formera à la surface. Les tempêtes se forment si l'air s'élève ; voir le cours 3 sur les nuages. Le prévisionniste consulte donc la carte géopotentielle à 500 mb pour identifier les zones où l'air s'élève. On peut se demander comment une carte météorologique peut indiquer où l'air s'élève ?
L'air s'élève là où converge l'air, ce qui se produit à son tour lorsque l'air tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère Nord. Cette rotation est appelée tourbillon positif. Il suffit donc aux prévisionnistes de rechercher les zones de tourbillon positif pour savoir où les tempêtes se développeront.
source : https://www.weather.gov/
plus d'informations sur https://www.weather.gov/source/zhu/ZHU_Training_Page/Miscellaneous/vorticity/vorticity.html
La vorticité se produit en raison de 3 choses énumérées :
vorticité de courbure (le vent tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre)
tourbillon de cisaillement (augmentation du vent à partir de la dépression)
vorticité terrestre (mouvement du sud au nord)
source : NOAA
La théorie ci-dessus est complexe, mais elle peut être décomposée en une image simple. La zone de vorticité positive globale maximale se situe devant le creux (zone bleue ci-dessous). C'est la zone dangereuse et elle nécessite une attention particulière. L'arrière du creux présente une vorticité, mais moins importante (zone orange ci-dessous).
Ci-dessous, voir l'exemple d'un géopotentiel réel de 500 mbar.
Nous avons ajouté ci-dessous sur la même carte, les zones devant le creux où des orages/dépressions vont se générer.
IV.5 Courant-jet polaire à 300 mbar
Les tempêtes se développent là où l’air monte, comme le montre la section ci-dessus.
L'air s'élèvera jusqu'à un certain point (le sommet de la troposphère à 10 kilomètres d'altitude, ce qui constitue un mur que l'air ne peut franchir). L'air doit s'évacuer/diverger pour que son ascension verticale puisse se poursuivre et que la dépression se renforce. C'est donc en observant la haute atmosphère (300 mbar / 9 kilomètres d'altitude) que le prévisionniste/détective cherchera des indices de divergence d'air, conditions idéales pour le renforcement des tempêtes.
Les courants-jets se situent là où le vent est vraiment fort, au-dessus de 200 nœuds. Les zones d'entrée droite et de sortie gauche des courants-jets sont des zones où les vents en altitude divergent, permettant à l'air en dessous de s'élever. Ces deux zones sont indiquées en rouge ci-dessous.
source : Météocentrale
Plus d'informations peuvent être trouvées sur : https://skepticalscience.com/print.php?n=1967
V. Cyclogenèse en 3 dimensions
Si nous combinons tout ce que nous avons vu précédemment, voici où une dépression s'intensifiera en une puissante tempête :
Basse pression à la surface avec structure de front froid/chaud
La basse pression à la surface doit être placée verticalement au-dessus d'une zone de forte vorticité de position au niveau moyen de 500 mb, qui est devant le creux.
La basse pression à la surface doit être placée à la sortie droite du courant-jet.
