METEO (Pour mieux comprendre)

Météorologie


Mur de nuage à la base d'un cumulonimbus à Enschede, Pays-Bas.

La météorologie est l'étude des phénomènes atmosphériques tels que les nuages, les dépressions et les précipitations pour comprendre comment ils se forment et évoluent. Le mot vient du grec antique où meteor désigne les particules en suspension dans l'atmosphère et logos veut dire discours ou connaissance.

C'est une discipline qui traite principalement de la mécanique des fluides appliquée à l'air mais qui fait usage de différentes autres branches de la physique, de la chimie et des mathématiques. À l'origine purement descriptive, la météorologie est rapidement devenue un lieu d'application de ces disciplines. La météorologie moderne permet d'établir des prévisions de l'évolution du temps en s'appuyant sur des modèles mathématiques à court comme à long terme. Elle est également appliquée pour la prévision de la qualité de l'air, pour les changements climatiques et pour l'étude dans plusieurs domaines de l'activité humaine (construction, trafic aérien, navigation, etc.)




Historique

Antiquité

Aristote3000 av. J.-C.
Le chinois Nei Tsing Sou Wen écrit le premier ouvrage sur la météorologie qui comprend également des prévisions.

400 av. J.-C.
En Inde, les périodes de mousson mènent aux premières mesures de quantité de précipitations tombées ainsi qu'à des prévisions.

350 av. J.-C.
Le terme météorologie vient d'Aristote pour décrire ce qu'on appellerait les Sciences de la Terre de façon générale et non le domaine exclusif de l'étude de l'atmosphère. En particulier, il décrit le cycle hydrique ainsi :

Maintenant le soleil, se déplaçant comme il le fait, met en branle un processus de changement, de devenir et de déclin qui par son action élève la plus fine et douce eau chaque jour, la dissout en vapeur et la transporte vers les hauteurs où elle se condense à nouveau par le froid et retourne ensuite à la terre.

300 av. J.-C.
Le philosophe Théophraste publie « Les signes du temps », premier ouvrage de prévisions météorologiques en Europe.

1031-1095
Shen Kuo un lettré ayant vécu durant la dynastie des Song, en Chine, a travaillé entres autres choses en météorologie. Il a écrit plusieurs descriptions de tornades et a donné raison à une théorie de Sun Sikong, expliquant que les arcs-en-ciel qui sont formées par l'ombre du Soleil sous la pluie, se produisent lorsque le Soleil brille sur lui[1]. Shen estima que, bien que les arbres étaient de plus en plus rares en raison de la déforestation pour les besoins de l'industrie du fer locale, « le pétrole était produit continuellement au sein de la Terre »[1].


Renaissance

Galileo Galilei1607
Galileo Galilei construit un thermoscope, l'ancêtre du thermomètre, bien que la paternité de cette invention soit contestée. Cet instrument change la pensée du temps car prend la mesure de ce qu'on pensait un des éléments immuables d'Aristote (feu, eau, air et chaleur). On commence donc à noter les variations du temps de façon limitée car il faudra attendre la création d'un standard de température par Daniel Gabriel Fahrenheit et Anders Celsius au XVIIIe siècle pour quantifier vraiment les choses.

1644
Evangelista Torricelli, un contemporain de Galilée, créa le premier vide artificiel en 1644 et développa dans le processus le premier baromètre. Le tube de Torricelli est un tube de verre qu'on a plongé dans le mercure pour enlever l'air puis qu'on redresse sans le sortir complètement du liquide. Par son poids, le mercure redescend et laisse un vide dans la tête du tube mais la différence de pression entre l'atmosphère, qui presse sur le liquide autour du tube, et le vide dans celui-ci empêche le mercure de sortir complètement du tube. La hauteur restante dans le tube est également à la pression atmosphérique. Torricelli découvrit avec son invention que la pression de l'atmosphère varie dans le temps.

1648
Blaise Pascal découvre que la pression diminue avec l'altitude et en déduit qu'il y a un vide au-delà de l'atmosphère.

1667
Robert Hooke construit l'anémomètre pour mesurer la vitesse du vent.

1686
Edmund Halley cartographie les alizés et en déduit que les changements atmosphériques sont causés par le réchauffement solaire. Il confirme ainsi les découvertes de Pascal sur la pression atmosphérique.


Benjamin Franklin1735
George Hadley est le premier à prendre en compte la rotation de la Terre pour expliquer les alizés. Bien que son explication ait été incorrecte, prédisant les vents de moitié moins forts que la réalité, son nom a été donné à la circulation dans les tropiques comme cellules de Hadley.

1743-1784
Benjamin Franklin observe quotidiennement et remarque que les systèmes météorologiques vont d'ouest en est en Amérique du Nord. Il publie la première carte scientifique du Gulf Stream, prouve que la foudre est un phénomène électrique, relie les éruptions volcaniques et le comportement de la météo et spécule sur les effets de la déforestation sur le climat.

1780
Horace-Bénédict de Saussure construit un hygromètre à cheveu pour mesurer l'humidité de l'air.


Début des temps modernes
1802-1803
Luke Howard écrit On the Modification of Clouds dans lequel il donne les noms que nous connaissons maintenant aux nuages à partir du Latin.

1806
Francis Beaufort introduit son échelle descriptive des vents destinée aux marins. L'échelle de Beaufort relie les effets du vent sur les vagues (mer étalée jusqu'aux vagues déferlantes avec écume) à sa force en nœuds.

1835
C'est dans un article Sur les équations du mouvement relatif des systèmes de corps que Gaspard-Gustave Coriolis décrivit mathématiquement la force qui porte son nom. Dans cet article, la force de Coriolis apparaît comme une composante supplémentaire à la force centrifuge, ressentie par un corps en mouvement relativement à un référentiel en rotation, comme cela pourrait se produire par exemple dans les rouages d'une machine. Cette force est essentielle dans la description du mouvement des systèmes météorologiques comme Hadley l'avait pressenti un siècle auparavant.

1837
Samuel Morse invente le télégraphe qui permettra la dissémination des informations dont celle des données météorologiques.

1838
William Reid [2] publie sa controversée Law of Storms qui décrit le comportement des dépressions. Son ouvrage divise la communauté scientifique durant dix années.

1841
Elias Loomis[3] est le premier à suggérer la présence de fronts pour expliquer la météo mais ce n'est qu'après la Première Guerre Mondiale que l'école norvégienne de météorologie développera ce concept.

1849
Le Smithsonian Institution, sous la direction de Joseph Henry [4] commence à mettre sur pied un réseau de stations météorologiques d'observation aux États-Unis d'Amérique.


Urbain Le Verrier1854
Le 14 novembre, une violente tempête provoque le naufrage de 41 navires français en mer Noire, au cours de la guerre de Crimée. Cette tempête avait traversé toute l'Europe de l'ouest, mais personne ne fut en mesure de signaler, voire prévenir du danger. Face à ce constat, Urbain Le Verrier, directeur de l'observatoire de Paris, décide de mettre en place un vaste réseau de stations météorologiques couvrant l'ensemble de l'Europe et mettant à profit l'innovation technologique que représente le récent télégraphe électrique. Ce réseau regroupe 24 stations dont 13 reliées par télégraphe, puis s'étendra à 59 observatoires répartis sur l'ensemble de l'Europe en 1865.

1860
Robert FitzRoy utilise le télégraphe pour colliger les données météorologiques quotidiennes venant de toute l'Angleterre et tracer les premières cartes synoptiques. En utilisant la variation de ces cartes dans le temps, il fait les premières prévisions qu'il commencera à publier dans le journal The Times en 1860. Il développe également un code par cônes hissés dans les ports anglais pour prévenir de l'arrivée de tempêtes.

1873
L'Organisation météorologique internationale est fondée à Vienne par les pays ayant un service météorologique. Le principal promoteur fut l'américain Matthew Fontaine Maury.

1902
Après plus de 200 lâchers de ballons, souvent effectués de nuit pour éviter l'effet de radiation du soleil, Léon Teisserenc de Bort découvrit la tropopause en 1902. Il en conclut que l'atmosphère terrestre se composait de deux couches, qu'il baptisa troposphère et stratosphère, une convention qui est toujours valable à ce jour.

Ère contemporaine
1919
Les météorologistes norvégiens [5], sous la direction de Vilhelm Bjerknes, développent l'idée des masses d'air se rencontrant le long de zones de discontinuité qu'on nomma les fronts (front chaud, front froid et occlusion). Selon cette théorie, il y a trois zones frontales entre les quatre masses d'air:


StationnaireArctique
Maritime
Polaire
Tropicale
En alliant la force de Coriolis, ces notions et la force de pression, ils expliquèrent la génération, l'intensification et le déclin des systèmes météorologiques des latitudes moyennes. Le groupe comprenait Carl-Gustaf Rossby qui fut le premier à expliquer la circulation atmosphérique à grande échelle en terme de mécanique des fluides, Tor Bergeron qui détermina le mécanisme de formation de la pluie et Jacob Bjerknes.

Cette école de pensée se répandit mondialement. Encore aujourd'hui, les explications météorologiques simples que l'on voit dans les médias utilisent le vocabulaire de l'école norvégienne.

1922
La météorologie est en fait reliée à la mécanique des fluides (voir section science météorologique ci-dessous). En 1922, Lewis Fry Richardson publie Weather prediction by numerical process qui décrit comment les termes mineurs des équations de mouvement de l'air peuvent être négligés. Cette simplification permet de les résoudre plus facilement. Cependant ce ne sera qu'avec la venue des ordinateurs que son idée sera vraiment mise en pratique.

Années 1950
Le développement des ordinateurs à la fin de la Seconde Guerre mondiale et durant les années 1950 mènera à la formulation de programmes informatiques pour résoudre les équations météorologiques. C'est le début de la prévision numérique du temps.

Le radar météorologique est développé à partir des études faites durant la guerre sur les échos de bruit causés par les précipitations:

Aux États-Unis : développement des premiers radars météorologiques opérationnels grâce à plusieurs chercheurs, dont entre autres David Atlas[6].
Au Canada : J. Stewart Marshall et R.H. Douglas forment le « Stormy Weather Group »[7] à l’Université McGill de Montréal qui travailla sur la relation entre la réflectivité (Z), le retour d’intensité de la précipitation, et le taux de précipitation (R).
En Grande-Bretagne, les recherches portent sur les caractéristiques des patrons des précipitations et sur les possibilités qu’offrent les différentes longueurs d'onde entre 1 et 10 centimètres.
1951
L'Organisation météorologique mondiale (OMM) est fondée par l'ONU en remplacement de l'Organisation météorologique internationale.


En 1960, TIROS-1 est le premier succès de lancement d'un satellite météorologique. Celui-ci marque le début de la prise de données météorologiques depuis l'espace à une résolution de beaucoup supérieure aux stations terrestres en plus de sonder des endroits peu ou pas couverts antérieurement comme les océans, les déserts et les Pôles.

La théorie du chaos va être appliqué à l'atmosphère par Edward Lorenz au cours des années 1960. Ce concept va être développé plus tard (à partir des années 1990) dans les systèmes d'ensembles qui utilise des variations des données initiales dans plusieurs passes de modèles numériques pour voir la variabilité des résultats.


Ensuite...
Le développement des ordinateurs plus puissants dans les années 1970 et des superordinateurs dans les années 1980 mène à une meilleure résolution des modèles numériques.
Les recherches sur l'atmosphère, les océans et leurs inter-relations, de phénomènes tels El Nino et les cyclones tropicaux mène à l'amélioration des connaissances des phénomènes météorologiques et il s'en suit une meilleure paramétrisation des équations.
L'étude des tendances de températures et de la concentrations de CO2 mènent à la prédiction d'un réchauffement global.
Les instruments de prise de données ont grandement évolués depuis 1960 :
automatisation ;
amélioration des radars et des satellites météorologiques ainsi que de leur résolution. Ceci amenant des sondages directs de l'atmosphère ;
développement des communications pour répandre plus mondialement les prévisions ainsi que les alertes météorologiques.

Science météorologique
Le but de la météorologie est de trouver les lois régissant la dynamique du fluide que l'on nomme l'air et de pouvoir prédire son comportement futur. L'air est un fluide compressible, formé de différents gaz et se trouvant dans une mince couche à la surface d'un référentiel en rotation (la Terre). La météorologie étant une branche de la physique, la théorie des fluides, le calcul des forces et la thermodynamique sont mises à profit pour expliquer le comportement de l'atmosphère.


Comportement à grande échelle
Articles détaillés : Équations primitives atmosphériques, Cyclogénèse et Techniques diagnostiques de prévision météorologique.
En premier lieu, pour expliquer le mouvement de l'air à l'échelle planétaire, dite synoptique, on se heurte à sept inconnues[8] :

Pression (P)
Température (T)
Densité de l'air ()
Contenu en eau (q)
Trois dimensions x, y et z
Il faut donc sept équations :

les trois équations de Navier-Stokes de quantité de mouvement relient les forces de pression et de Coriolis selon les trois dimensions ;
la loi des gaz parfaits relie pression et température ;
l'équation hydrostatique relie la pression et l'altitude :
où g est la constante de gravité ;
l'équation de continuité de masse relie la variation de la masse dans un volume d'air et sa forme dans le temps (voir équations de Navier-Stokes) ;
l'équation de composition relie le contenu en eau de l'air et sa variation dans l'espace.
Les équations de bilan de l'énergie de la thermodynamique tiennent compte des changements de phase d'une des composantes importantes de l'atmosphère : l'eau.

Résoudre ces équations n'est pas facile car elles comportent de nombreux termes qui n'agissent pas tous à la même échelle. Par exemple, dans les équations de quantité de mouvement, les équations calculent le mouvement de l'air par la différence entre le gradient de pression et la force de Coriolis. Comme les forces en cause sont presque égales, la différence sera de quelques ordres de grandeur plus petite. Une erreur de calcul donne donc de grandes différences dans le résultat.

De plus, l'atmosphère est un système où les variables changent de valeur en chaque point. Il n'est pas possible de la sonder avec une résolution qui nous permettrait de parfaitement définir son état initial. C'est pourquoi, les premiers météorologues ont d'abord développé des modèles conceptuels empiriques pour expliquer le comportement de l'atmosphère. Les fronts, creux barométriques et autres termes si bien connus dans le vocabulaire des présentateurs météo proviennent de ces premières explications du temps. Elles ont été rendues possibles par le développement des moyens de sondage de l'atmosphère par l'aérologie.

Par la suite, les théories de la dynamique de l'atmosphère et les données obtenus par les radiosondages ont permis de développer des modèles mathématiques en utilisant seulement les termes les plus importants dans les équations et en simplifiant la structure de l'atmosphère. Avec l'avènement de l'informatique, les termes négligés ont pu être graduellement incorporés bien qu'on ne soit pas encore parvenus à les incorporer tous (voir Prévision numérique du temps).

Toutefois, la météorologie est encore handicapée par la très faible densité de données disponibles. Les stations de sondage sont éloignées de plusieurs centaines de kilomètres les unes des autres et même si des capteurs à distance tels les satellites et les radars augmentent la définition de l'analyse, toutes ces informations comportent des imprécisions assez grandes. C'est pourquoi, la prévision du temps est encore un mélange entre les calculs venant des équations et l'expérience du météorologiste.


Comportement à petite échelle
Articles détaillés : Orage, tornade, tourbillon de poussière et cyclone.
Les équations vues précédemment comportent certaines hypothèses qui prennent pour acquis que les mouvements de l'air et la condensation se produisent assez lentement pour que la pression, la température et le contenu en eau s'adaptent graduellement. Cependant, lorsque l'on descend à des échelles plus petites, de l'ordre de quelques mètres à quelques kilomètres, et lorsque les mouvements sont rapides, certaines de ces équations ne sont que des approximations.

Par exemple, l'équation de l'équilibre hydrostatique n'est pas respectée dans les orages où l'eau contenue dans les volumes d'air en ascendance, condense plus lentement qu'on pourrait le penser. En effet, les variations de pression et de température se produisent non linéairement dans ce cas. Le rôle de plusieurs chercheurs en météorologie est donc d'enquêter sur les phénomènes à petite échelle comme les orages, les tornades et même sur des systèmes à plus large échelle, comme les cyclones tropicaux, qui comportent des items à fine échelle.


Spécialités
Aérologie
Télédétection par radars et satellites météorologiques
Hydrométéorologie
Prévision météorologique
Météorologie aéronautique
Météorologie agricole ou (agrométéorologie)
Météorologie côtière
Météorologie des montagnes
Météorologie forestière
Météorologie maritime
Météorologie tropicale
Météorologie et route
Météorologie et pollution
Prévision des orages violents
Prévision numérique du temps

Phénomènes météorologiques
Anticyclone, dépression, creux barométrique, crête barométrique, Blocage d'air froid
Front froid, front chaud, front occlus
Foudre, éclair, tonnerre
Orage, tornade, trombe, rafale descendante, tourbillon de poussière
typhons, cyclones, ouragans, tempêtes
Précipitation, pluie, bruine, averses, Mousson
Neige, verglas, gel, surfusion
Rafales de vent, courant-jet
Grêle, grésil, granule de glace

Types de nuages
| Types de nuages
Altocumulus | Altostratus | Cirrus | Cirrostratus | Cirrocumulus | Cumulus | Cumulus bourgeonnant | Cumulonimbus | Nimbostratus | Stratus | Stratocumulus | Mammatus (caractéristique de différents nuages)



Technologies de contrôle météorologiques
Il n'existe dans la littérature scientifique aucun mécanisme de modification délibérée du temps ou du climat qui démontre, théoriquement ou en pratique, une capacité pour affecter le temps à grande échelle de manière contrôlée. Seules quelques méthodes ont pu, jusqu'ici, donner des résultats localisés, dans des circonstances favorables.

Voici quelques exemples de technologies visant à obtenir un certain contrôle sur certaines conditions atmosphériques :

HAARP, technologie d'étude et de modification localisée des propriétés radio-électriques de l'ionosphère ;
canon anti-grêle : pour tenter de perturber la formation de grêle au moyen d'ondes de choc (anecdotique);
ensemencement des nuages : en lâchant une fumée d'iodure d'argent dans les nuages pour augmenter le nombre de noyaux de condensation disponibles et donc la pluie. Ceci aurait dans le cas des orages pour effet d'augmenter le nombre de grêlons aux dépens de leur taille individuelle ;
feux anti-brouillard pour dissiper le brouillard par un réchauffement localisé.

Phénomènes reliés aux conditions météorologiques [modifier]
Anémomorphose: déformation de la forme des plantes et des paysages végétaux sous l'effet des vents dominants et des embruns.
Carambolages causés par de mauvaises conditions météorologiques
Désertification dûs aux changements climatiques
Feux de forêt dûs à la foudre ou attisés par les vents
L'exposition à des conditions de froid ou de chaleur extrêmes donne :
hypothermie
hyperthermie
Inondations par des précipitations abondantes
Les variations de pressions atmosphériques sont soupçonnés de déclencher les migraines
Les conditions d'ensoleillement et de chaleur sont des facteurs dans la formation de l'ozone au niveau du sol et du smog
Pluie d'animaux dont la cause probable est le transport d'animaux par des trombes marines
Réchauffement global qui change le climat.

Anecdote
Une loi anglaise de 1677 condamnait au bûcher les météorologues, taxés de sorcellerie. La loi ne fut abrogée qu'en 1959. Heureusement, elle n'a pas toujours été appliquée à la lettre : le Group Captain James Stagg, météorologue en chef, et les membres de ses trois équipes de prévision, prédirent une accalmie pour le débarquement de Normandie le matin du 6 juin 1944, et n'eurent pas à subir ce sort.

Prévision météorologique

La prévision météorologique sauve des vies:


trajectoire prévue de l'ouragan Rita
.La prévision météorologique est une application des connaissances en météorologie et des techniques modernes de prises de données et d’informatique pour prédire l’état de l’atmosphère à un temps ultérieur. L’histoire de la prévision du temps remonte aux temps immémoriaux avec les oracles et devins mais la science moderne date vraiment de la fin du XIXe siècle et du début du XXe siècle. Elle s’est cependant affirmée depuis la Deuxième Guerre mondiale alors que les moyens techniques comme le radar et les communications modernes ont rendu l’accès aux données plus rapide et plus nombreuses.


Les lois régissant le comportement de l’atmosphère sont dérivées de la mécanique des fluides. On peut grâce à des modèles mathématiques et des superordinateurs les résoudre. Malgré tout, même si la résolution de nos données a augmenté exponentiellement, la prévision reste autant un art qu’une science. En effet, l’état de l’atmosphère peut être compris dans la théorie du chaos et ne peut jamais être complètement défini ce qui laisse place au facteur humain dans la prévision.

Histoire de la prévision météorologique
Imaginons une sphère en rotation de 12 800 kilomètres de diamètre avec une surface rugueuse et surmontée de 40 kilomètres d’un gaz mixte dont la concentration des composantes varie avec le temps et l’espace. Le tout est chauffé par une fournaise nucléaire situé à 150 millions de kilomètres. Imaginons également que cette sphère tourne autour du réacteur et que les différents endroits de sa surface sont réchauffés différemment selon le point où en est la trajectoire. Imaginons en plus que la couche de gaz reçoit également de la chaleur de la surface de la sphère, en général de façon constante mais quelques fois de façon violente et soudaine.

Après avoir regardé l’évolution de ce processus durant un certain temps, imaginons qu’on vous demande de prédire quel sera son état en un point de sa surface un, deux ou même plusieurs jours dans le futur. C’est essentiellement ce qu’on demande jour après jour aux météorologistes. Bob Ryan, météorologiste, Bulletin of the American Meteorological Society, 1982.


Carte météorologique de l'Europe, 10 décembre 1887

La vie et le travail de bien des gens dépendent de la météorologie. Les devins de l’âge de pierre et les prêtres de l’antiquité ont essayé de prédire le temps qu’il ferait pour pouvoir obtenir de bonnes récoltes, éviter les inondations, etc. Dès 3000 av. J.-C., le chinois Nei Tsing Sou Wen écrit le premier ouvrage sur la météorologie qui comprend également des prévisions. En 650 av. J.-C., les babyloniens avaient déduit le temps qu’il ferait grâce à l’observation des types de nuages et autour de 340 av. J.-C., Aristote décrivait les patrons météorologiques. En 300 av. J.-C., le philosophe Théophraste publie même "Les signes du temps" , premier ouvrage de prévisions météorologiques en Europe .

Les anciennes méthodes de prévision du temps étaient toutes basées sur l’expérience de patrons répétitifs d’évènements en un endroit. Par exemple, les marins arrivaient à prédire la venue d’une tempête à l’arrivée de nuages s’épaississant. Ceci donna lieu à une multitude de dictons tels : Si le soleil se couche tout rouge, il fera beau demain, certains confirmés par la science moderne et d’autre purement anecdotiques.

Les explorateurs ont depuis longtemps noté dans leurs carnets le temps qu’il faisait et ces données auraient pu donner lieu à des prévisions mais c’est seulement avec la venue du télégraphe, en 1837, que ces informations ont pu être colligées rapidement afin de se faire une idée précise à un instant donnée de l’état de l’atmosphère. En analysant ces données sous forme de carte, les premiers météorologistes ont pu voir le déplacement temporel des systèmes et faire des extrapolations.

Francis Beaufort et Robert Fitzroy sont parmi les premiers à faire de telles prévisions. Malgré le scepticisme de leurs contemporains, ces deux membres de la Royal Navy et de cercles influents, réussirent à imposer leur travail scientifique grâce aux résultats obtenus.

La venue du XXe siècle a vu le développement des équations qui régissent l’atmosphère par différents scientifiques dont l’école norvégienne, avec Carl-Gustaf Rossby à sa tête. Ce qui fut éventuellement traduit en programme informatique quand les ordinateurs sont devenus assez puissants dans les années 1970.

Techniques de prévision [modifier]


Météorologiste à l'oeuvre à Norman (Oklahoma)


Pour plus de détails sur la : Science météorologique.

Les étapes d’une prévision météorologique:

• Acquisition des données.
  
• Prévisionniste (météorologiste qui prévoit opérationnellement par contraste avec celui qui est en recherche):
  

• Analyse des données.
  
• Application de techniques expérimentales pour estimer le déplacement et le comportement des systèmes indépendamment des modèles numériques.
  

• Modèle numérique :
  

• Assimilation des données dans un modèle numérique de prévision
  
• Résolution des équations de l’atmosphère par le modèle numérique pour un temps futur
  
• Post-traitement des résultats pour extraire les variables désirées
  

• Le prévisionniste compare ses estimations et les sorties d’un ou de plusieurs modèles pour juger de la validité de ceux-ci, juger entre les différentes solution et les corriger au besoin.
  

Acquisition des données [modifier]


Les données sont acquises par un ensemble de systèmes qui donnent la pression, la température, l’humidité, la direction et vitesse du vent, les précipitations, les conditions nuageuses, etc, à la surface et en altitude. Ces systèmes ont chacun leur fréquence de prise de donnée.
Les observations horaires, spéciales et aux six heures :

• Les stations de surface comme les observations d’aéroports (humaine ou automatique) sous forme de METAR
  
• Les stations automatiques hors aéroports
  
• Les bouées fixes ou dérivantes.
  

Les observations aux 12 heures :

• Les stations de lâcher de ballon-sondes qui donnent des observations sur la structure verticale de l’atmosphère
  
• Les données de stations de surface climatologiques.
  

Les données de télédétection :

• Les radars météorologiques
  
• Les satellites météorologiques.
  

Analyse du Prévisionniste



Il analyse l'ensemble les données de surface et d’altitude à partir de cartes tracées par ordinateur ou manuellement pour se faire une idée de la circulation atmosphérique, de la trajectoire des systèmes et de leur état de développement. Grâce à des techniques héritées de l’école norvégienne de météorologie, il analyse les fronts, les creux de surface et d’altitude, les advections du mouvement vertical, etc. pour déterminer la trajectoire future de ces systèmes. Ces techniques ont fait leur preuve, pour des périodes allant jusqu’à 48 heures et même plus pour certaines d’entre-elles. Il obtient ainsi une idée qualitative de ce qui va se passer.

Prévision numérique



La prévision numérique comprend :
Analyse :

• L’assimilation des données que le programme compare à sa plus récente prévision pour le même temps. Les différences entre la prévision et l’analyse sont calculé et un lissage entre les deux est fait. Si une donnée d’observation est trop éloigné de la prévision, elle est rejetée. En effet, elle est probablement mauvaise et causerait une instabilité dans le nouveau calcul de prévision. Cette méthode est appelée l’analyse variationelle à trois dimensions ou 3D-VAR
  
• Une nouvelle méthode de faire cette analyse est de lancer le programme pour prévoir une certaine période (3 heures), ajuster les observations qui sont entrées avant et après l’heure d’analyse à cette simulation et revenir au temps initial pour refaire l’analyse. C’est ce qu’on appelle l’analyse variationnelle à 4 dimensions ou 4D-VAR.
  

Simulation :

Une fois l’analyse complétée, le programme de simulation numérique démarre et calcule le changement de l’atmosphère pour des périodes allant jusqu’à 10 jours par pas de quelques secondes, minutes ou heures selon la configuration.
Post-traitement :

Une fois la simulation terminée, un programme de post-traitement extrait les variables et les présentent aux prévisionnistes sous forme de carte, tables de données, coupes verticales, etc. Ces données sont préalablement traitées pour retirer certains biais connus du modèle. C’est ce qu’on appelle le traitement par statistique des sorties du modèle (MOS en anglais). Par exemple, l’humidité de surface est encore un problème difficile à intégrer et simuler, le programme MOS d’humidité corrigera donc le biais de cette variable selon les écarts habituellement trouvés dans un modèle particulier.

Prévision finale


Le prévisionniste compare son scénario avec les résultats obtenus par le ou les modèles. Il peut ainsi se faire une idée des forces et des faiblesses de ce qui lui est proposé. Il arrive souvent que différents modèles suggèrent différentes solutions et cela est dû à la façon dont les équations de l’atmosphère sont intégrées dans un modèle, sa résolution et l’état de l’atmosphère qui est parfois très instable et susceptible à de grands changements avec de petites variations de l’analyse initiale (voir théorie du chaos).
De plus, l’expérience des effets locaux et du comportement de l’atmosphère dernièrement permet aux prévisionnistes d’affiner la prévision. Il peut également changer le début de la prévision avec les conditions de départ et espérées à court terme pour des endroits particulier que le modèle n’a pas pu prévoir (nowcasting) grâce aux images satellitaires, aux radars et autres données récentes.

Présentation aux utilisateurs


Prévision dans les journaux comme The Observer et Le Monde.



Une fois arrivé à une solution, le prévisionniste doit mettre celle-ci sous forme utile pour l’usager. Ces derniers sont :

• Le public
  
• Les médias
  
• L’aviation
  
• Les navigateurs
  
• Les usagers spécialisés comme les déneigeurs, les compagnies électriques, etc.
  

Chacun d’eux reçoit des produits sous la forme la plus utile pour leur opération. Ce sont traditionnellement des cartes ou des textes mais plus récemment, avec l’internet, des graphiques de tendances ou tout autre produit graphique.

Nouvelles avenues


Comme l’atmosphère est chaotique, malgré l’amélioration des connaissances les équations qui la régissent et la plus grande résolution des données recueillies, il est parfois impossible d’arriver à une solution unique comme mentionné précédemment. Depuis plusieurs années, les différents services météorologiques nationaux d’importance ont commencé à produire des ensembles de prévisions. Il s’agit de faire rouler un ou plusieurs modèles avec des analyses légèrement différentes et de comparer statistiquement les solutions pour arriver à la plus probable. Les centres comme le Centre européen de prévision météorologique à moyen terme (CEPMMT), le centre national américain de prévision environnemental (NCEP) et le Centre météorologique canadien (CMC) font ce genre de prévision.

Météorologue








Le météorologue ou météorologiste est le scientifique qui travaille en météorologie. Il peut être, soit un chercheur qui travaille à expliquer les phénomènes météorologiques, soit un praticien de cette science qui applique ses connaissances pour produire des prévisions. Dans ce second cas, on parlera souvent de prévisionniste.
Pour devenir météorologue, une personne doit suivre au moins un diplôme de premier cycle universitaire en météorologie. Pour les chercheurs, cette formation se poursuit par des études supérieures alors que pour les prévisionnistes chaque pays a sa propre façon de les former. Par exemple, le Service météorologique du Canada a son propre cours de formation après l'université alors que Météo-France prend en charge toute la formation dès la sortie du lycée.
Dans certains pays, comme aux États-Unis d'Amérique, les présentateurs météo ont une formation en météorologie et en communication de niveau collégial ou universitaire, ce qui fait une troisième voie.

Météorologues célèbres

• Francis Beaufort, inventeur de l'échelle de vents qui porte son nom.
  
• Wilhelm Bjerknes, fondateur de la météorologie moderne qui fonda l'École de météorologie de Bergen où les chercheurs qu'il y assembla définirent la théorie des fronts et de la cyclogénèse des latitudes moyennes.
  
• Jacob Bjerknes, fils du précédent, qui participa à l'école norvégienne et qui étudia le phénomène du El Niño. Il relia ce dernier à l'Oscillation australe.
  
• George Hadley, premier à introduire l'effet de la rotation de la Terre dans l'explication des alizés et de la circulation atmosphérique.
  
• Urbain Le Verrier, instigateur du réseau de prise de données météorologiques en France.
  
• Sverre Petterssen, membre de l'école norvégienne de météorologie et plus tard de l'une des trois équipes de James Stagg pour le débarquement de Normandie.
  
• James Stagg, météorologue dans la RAF qui était en charge de trois équipes de météorologistes qui prédirent une accalmie pour le 6 juin 1944, ce qui permis le débarquement de Normandie.
  
• Evangelista Torricelli, démontre la pression atmosphérique et invente le baromètre.
  

Échelle de Beaufort


Le symbole de l'échelle de Beaufort est bf.
Si la vitesse du vent peut être mesurée avec une bonne précision à l'aide d'un anémomètre exprimant une valeur en nœuds ou en kilomètres par heure, le marin devait jadis savoir juger cette vitesse par la seule observation des effets du vent sur l'environnement.
Il revient à l'amiral britannique Francis Beaufort (1774-1857) d'avoir, en 1805, imaginé une échelle comportant des critères assez précis pour quantifier le vent en mer et permettre la diffusion d'informations fiables universellement comprises. Ce fut l'échelle de Beaufort.
Un degré Beaufort correspond à la vitesse moyenne du vent sur dix minutes de durée. Bien que très employée un vent de 4 beaufort avec des rafales à 6 est une expression incorrecte.
D'autres critères y furent adjoints pour étendre son application à terre.

//



« Calcul » de l'échelle


De nombreuses sources attestent d'une formule mettant en relation la vitesse du vent en km/h et l'échelle Beaufort. Le degré Beaufort est égal à l'arrondi à l'entier le plus proche de la racine cubique du quotient par 9 du carré de la vitesse du vent.
, avec v, vitesse du vent en km/h.
Cette formule est de fait exacte, à ceci près qu'au dessus de 118 km/h, le calcul devient sans signification. La hauteur de mesure normalisée de la vitesse du vent est définie à 10 m.

Détail de l'échelle


ForceTermesVitesse en nœudsVitesse en km/hÉtat de la merEffets à terre

0	Calme	moins de 1	moins de 1	La mer est comme un miroir	La fumée monte verticalement
1	Très légère brise	1 à 3	1 à 5	Quelques rides ressemblant à des écailles de poissons, mais sans aucune écume	La fumée indique la direction du vent. Les girouettes ne s'orientent pas.
2	Légère brise	4 à 6	6 à 11	Vaguelettes ne déferlant pas	On sent le vent sur la figure, les feuilles bougent.
3	Petite brise	7 à 10	12 à 19	Très petites vagues. Les crêtes commencent à déferler. Ecume d'aspect vitreux. Parfois quelques moutons épars	Les drapeaux flottent bien. Les feuilles sont sans cesse en mouvement.
4	Jolie brise	11 à 15	20 à 28	Petites vagues, de nombreux moutons	Les poussières s'envolent, les petites branches plient.
5	Bonne brise	16 à 20	29 à 38	Vagues modérées, moutons, éventuellement embruns	Les petits arbres balancent. Les sommets de tous les arbres sont agités.
6	Vent frais	21 à 26	39 à 49	Crêtes d'écumes blanches, lames, embruns	On entend siffler le vent.
7	Grand frais	27 à 33	50 à 61	Trainées d'écumes, lames déferlantes	Tous les arbres s'agitent.
8	Coup de vent	34 à 40	62 à 74	Tourbillons d'écumes à la crête des lames, trainées d'écumes	Quelques branches cassent.
9	Fort coup de vent	41 à 47	75 à 88	Lames déferlantes grosses à énormes, visibilité réduite par les embruns	Le vent peut endommager les bâtiments.
10	Tempête	48 à 55	89 à 102	Conditions exceptionnelles : Très grosse lames à longues crête en panache. L'écume produite s'agglomère en large bancs et est soufflée dans le lit du vent en épaisse trainées blanche. Dans son ensemble, la surface des eaux semble blanche. Le déferlement en rouleaux devient intense et brutal. Visibilité réduite	Gros dégâts.
11	Violente tempête	56 à 63	103 à 117	Conditions exceptionnelles : Lames exceptionnellement hautes (les navires de petits et moyen tonnage peuvent, par instant, être perdu de vus). La mer est complètement recouverte de bancs d'écume blanche élongé dans la direction du vent. Partout, le bord de la crête des lames est soufflé et donne de la mousse. Visibilité réduite	Gros dégâts.
12	Ouragan	égal ou supérieur à 64	supérieur à 118	Conditions exceptionnelles : L'air est plein d'écume et d'embruns. La mer est entièrement blanche du fait des bancs d'écume dérivant. Visibilité fortement reduite	Très gros dégâts.

État de la mer





L' état de la mer est la description de la surface de la mer soumise à l'influence du vent (qui génère le système de vagues) et de la houle. La terminologie associée (mer forte, mer calme, etc...) a été normalisée par les services de Météorologie maritime pour fournir aux navires et aux installations situées en mer une information qui puisse être utilisable. En effet l'état de la mer peut être source de dangers, de manière indépendante de la force du vent, en particulier dans les zones d'eau peu profondes (aux abords des côtes, sur des hauts fonds,...) ou dans les passages resserrés ou parcourus par des courants importants (raz, ...).
L'action du vent sur la mer donne naissance aux vagues. La mer du vent est le système de vagues créé à l'endroit même où souffle le vent. En quittant l'endroit où elles ont été générées, les vagues se régularisent et deviennent la houle, qui peut se propager très loin même en l'absence de vent. Lorsque la houle suit une autre direction que les vagues engendrés par le vent , on parle de mer croisée. La réflexion des trains de vagues sur une côte abrupte, peut engendrer également une mer croisée au large. En Europe, le phénomène est connu et redouté dans le golfe de Gascogne et en Méditerranée.
Description de l'état de la mer


La hauteur des vagues se mesure du creux entre deux vagues à la crête de la vague. Du fait de la nature aléatoire des vagues, l'état de la mer est décrit par des paramètres statistiques, comme la moyenne des hauteurs, des périodes ou des directions. De telles mesures sont difficiles à faire à l'œil nu. De nombreux systèmes de mesure ont été mis au point, depuis la perche à houle jusqu'aux radars embarqués sur des satellites.
L'état de la mer est souvent composé de houles sans lien avec le vent local, et d'une mer du vent. La cambrure de la mer du vent étant généralement plus forte, c'est la hauteur significative de la mer du vent qui est souvent le paramètre le plus important. Les marins utilisent couramment l'échelle de Douglas, qui donne 9 classes de valeur pour cette hauteur de la mer du vent, de mer 0 à mer 9 :

Force	Descriptif	Hauteur en mètres
0	calme	0
1	ridée	0 à 0,1
2	belle	0,1 à 0,5
3	peu agitée	0,5 à 1,25
4	agitée	1,25 à 2,5
5	forte	2,5 à 4
6	très forte	4 à 6
7	grosse	6 à 9
8	très grosse	9 à 14
9	énorme	14 et plus

Prévision numérique de l'état de mer


La prévision numérique de l'état de mer existe dans sa forme actuelle depuis les années 1950, et elle a d'abord été développée pour la propagation des houles sur de grandes distances. Ainsi l'équipe du Centre de météorologie de Casablanca, au Maroc, a mis au point puis perfectionné ensuite en France la méthode spectrale (Gelci et coll. 1957). Il s'agit de calculer les caractéristiques de l'état de la mer à partir des prévisions du vent. Le principe le plus utilisé à grande échelle (du bassin océanique à la baie côtière) est celle de la modélisation spectrale en phase moyennée. En chaque point du globe, l'état de mer est décomposé en une superposition d'ondes de périodes et directions différentes. Les modèles actuels utilisent environ 600 ondes différentes, couvrant toutes les directions par pas de 10 à 30° et des périodes 2 à 30 s. Ce type de modèle calcule le transport de l'énergie de chacune de ces composantes du fait de la propagation, et son évolution sous l'effet de plusieurs processus. Par grands fonds on s'intéresse surtout au vent, à la formation de moutons qui dissipent l'énergie, et aux échanges d'énergie entre les différentes composantes. Par petits fonds il faut y ajouter des effets de frottement sur le fond et de réflexion par la topographie sous-marine.
Ainsi en chaque point, l'ensemble de ces informations permet de calculer la variance E de l'élévation de la surface, dont on tire la hauteur significative Hm0=4 . L'énergie par unité de surface océanique est à peu près le produit de E par la densité de l'eau et l'accélération de la gravité g. On peut aussi en tirer la période du pic Tp, période du maximum d'énergie du spectre, ou la direction moyenne des vagues.
La qualité des prévisions dépend essentiellement de la qualité des prévisions du vent, et de la qualité des paramétrages des différents processus (génération, dissipation ...). L'utilisation de mesures peut aussi être utilisée dans un système de prévision pour recaler l'état initial de l'état de mer par rapport à des observations (mesures altimétriques des satellites, imagerie radar). Les meilleurs modèles actuels donnent la hauteur Hm0 avec une erreur moyenne de 10 à 30% pour la prévision immédiate, en fonction des zones géographiques. Les meilleurs résultats sont généralement obtenus aux moyennes et hautes latitudes, en particulier dans l'hémisphère nord car les vents y sont bien prévus. Les erreurs importants sont surtout localisées en zone côtière, dans des mers fermées entourées de montagnes, comme la Méditerranée, et dans les tropiques, dominés par des houles venant de très loin. Ces erreurs augmente avec l'échéance de prévision, du fait de l'augmentation des erreurs dans les vents prévus.

État de la mer et activité maritime


L'état de la mer fourni par les services météorologiques est exploité pour définir la route suivie par les navires. La présence d'une mer forte, d'une houle significative peut conduire les navires à modifier leur trajectoire ou même à faire demi-tour.
L'état de la mer prend une importance particulière dans certaines configurations :

• Les zones de hauts fonds ou les lieux caractérisés par un relèvement brutal des fonds (abords du plateau continental,...) peuvent mettre en péril les navires par mer forte
  
• aux abords d'une côte, une mer forte peut interdire l'accès à certains ports car les vagues peuvent se relever et déferler au fur et à mesure que la profondeur diminue (dépend du profil du fonds marin aux abords de la côte)
  
• l'accès à un estuaire ou à un bassin presque fermé lorsqu'il y a présence à l'entrée d'un seuil peu profond, est rendu dangereux parfois par une simple houle modérée qui peut créer des vagues énormes (par exemple Bassin d'Arcachon ou rivière d'Etel en France)
  
• dans les raz parcourus par des courants forts, la houle ou la mer du vent si elle s'oppose au courant peut lever une mer chaotique et dangereuse (en France Raz de Sein, Raz Blanchard)
  
• dans le même contexte les zones de courants forts situés au large peuvent engendrer par mer forte des vagues anormalement hautes (par exemple courant des Aiguilles au large de l'Afrique du Sud)
  

Vague






Une vague se brisant sur la côte sauvage de l'île d'Yeu



Une vague est une oscillation de la surface d'un océan, d'une mer ou d'un lac. Des oscillations de la pression et de la vitesse des fluides de part et d'autre de la surface sont la cause des vagues. Celles qui sont générées par le vent forment l'état de la mer et ont des amplitudes creux-à-crête allant de quelques centimètres à 34 m (112 pieds), la plus haute vague jamais observée ^[1]. Ces vagues sont irrégulières: des séries de vagues hautes (les groupes) sont suivies par des vagues plus petites. Les rouleaux qu'on observe lorsque les vagues atteignent une certaine amplitude sont un bon exemple d'onde de Kelvin-Helmholtz causées par le cisaillement vertical des vents à la surface de l'eau.
Une mesure statistique de la hauteur des vagues est donnée par la hauteur significative. Des « vagues scélérates » plus hautes que deux fois la hauteur significative sont observées assez rarement, mais peuvent causer des dommages importants aux navires du fait de l'effet de surprise. Toutefois, ces vagues scélérates ne sont pas les plus hautes observées du fait de leur rareté. En effet, une vague moyenne d'une très grosse tempête est plus haute qu'une vague scélérate d'un état de mer moyen. On peut bien sûr penser que la plus haute vague possible serait une vague scélérate dans une énorme tempête, mais il n'en existe pas d'observation.
Les séismes de forte puissance, éruptions volcaniques ou chutes de météorites créent également des vagues appelées tsunamis ou raz-de-marée, mais qui n'ont rien à voir avec la marée. La marée est à l'origine des mascarets qui se produisent lorsque l'onde de marée rencontre un courant opposé et de vitesse égale.

//



Diverses représentations des vagues


Les vagues sont des ondes de gravité.
L'astronome et mathématicien George Biddell Airy a fourni la théorie la plus simple pour des vagues régulières (périodiques). L'onde d'Airy posséde une surface libre de forme sinusoïdale. Il s'agit d'une représentation très simplifiée de la réalité, valable en principe pour des vagues régulières de faible cambrure. La cambrure est définie comme le rapport de la hauteur sur la longueur d'onde. Cette théorie est néanmoins efficace pour résoudre de nombreux problèmes pratiques, à condition de savoir associer des caractéristiques pertinentes au phénomène naturel beaucoup plus compliqué qui sera évoqué ci-dessous.
Si on regarde avec attention les vagues en mer, on constate que la plupart d'entre elles ne sont pas sinusoïdales: les crêtes sont plus pointues, les creux plus aplatis. Cet aspect est pris en compte en remplaçant l'approximation d'Airy, au premier ordre, par des approximations périodiques d'ordre supérieur généralement attribuées à Stokes.
Estampe japonaise, extraite des trente-six vues du Fuji de Katsushika Hokusai



En observant la succession des vagues, on s'aperçoit qu'elles ne présentent aucune régularité : il n'y a jamais deux vagues identiques. On est ainsi amené à donner d'un état de mer une description spectrale qui le représente comme une somme d'une infinité d'ondes infiniment petites. Quand on veut, comme précédemment, utiliser une vague régulière pour simuler approximativement le phénomène naturel, on la caractérise généralement par sa hauteur significative, moyenne du tiers supérieur des hauteurs apparentes (crête-creux), et par une période proche de celle qui contient le plus d'énergie. Cette description basée sur une simple sommation de vagues d'Airy ne prend pas en compte les non-linéarités introduites par Stokes, imperfections dont on se satisfait très généralement.
Ce dernier modèle, adéquat pour la houle observée loin de la zone de génération par le vent, doit être corrigé pour la mer du vent. Celle-ci superpose des ondes qui différent non seulement par leur longueur d'onde mais aussi par leur direction, ce qui donne à la mer son aspect désordonné (vagues à courtes crêtes). Faute de mieux on suppose, là aussi, que la superposition est conforme à la théorie linéaire.

Propagation des vagues (Modèle d'Airy)


Un modèle simple établi par Airy permet d'obtenir quelques caractéristiques des vagues.

Relation de dispersion


Le mouvement des vagues peut être considéré comme irrotationnel, il dérive donc d'un potentiel. Comme l'eau est pratiquement incompressible, ce potentiel satisfait l'équation de Laplace. Les solutions périodiques de faible amplitude obéissent à une relation de dispersion

avec la pulsation de l'onde, la période de la houle , l'intensité de la pesanteur, le nombre d'onde, la longueur d'onde de la houle et la profondeur de l'eau. Cette relation permet d'aboutir à une expression simplifiée de la célérité de propagation de l'onde :


Comme on a brutalement simplifié les équations de départ pour établir cette relation, elle n'est valable que pour des vagues de faible amplitude par rapport à la profondeur de l'eau et de cambrure ka faible (ou a est l'amplitude des vagues). Ce dernier critère correspond à des vagues pas trop "pentues".
On peut néanmoins tirer de cette relation quelques propriétés intéressantes : notamment,à profondeur importante, la vitesse des vagues ne dépend plus de la profondeur puisque la tangente hyperbolique tend vers 1. De façon plus qualitative, on peut comprendre le comportement des vagues à l'approche du littoral. Quand la profondeur diminue, la pulsation (ou la période) reste constante. Les formules ci-dessus entraînent l'augmentation du nombre d'onde, donc la diminution de la longueur d'onde et de la célérité. La vitesse de groupe , vitesse du transport d'énergie décroît elle aussi. Pour que l' énergie du système soit conservée alors qu'elle est transportée à une vitesse plus faible il faut que la densité d'énergie par mètre carré augmente. Or cette densité d'énergie, est, en joules par mètres carrés, égale à . La hauteur des vagues doit donc augmenter et elles finissent par déferler, lorsque la vitesse des particules d'eau atteint la vitesse de phase de la vague qui les supporte<
Pour simplifier en se limitant au cas de la profondeur infinie :

• Célérité (vitesse de propagation ou vitesse de phase) en m/s :
  
• Période (temps qui sépare deux crêtes) :
  
• Longueur d'onde:
  

Réflexion, diffraction et réfraction


Une vague formée par un ferry



Comme toutes les ondes, en particulier les ondes lumineuses, les vagues peuvent se réfléchir, se diffracter et se réfracter.
La réflexion se produit sur un ouvrage de hauteur immergée importante par rapport à la profondeur et de largeur importante par rapport à la longueur d'onde. Elle est totale sur une digue verticale, partielle sur une digue à talus. Une forte réflexion est aussi possible au-dessus d'un relief sous-marin présentant une série de bosses espacées de la moitié de la longueur d'onde ^[2].
Les phénomènes se compliquent au voisinage d'un obstacle de dimensions relativement petites vis-à-vis des longueurs d'onde, comme un navire, ou de l'extrémité d'une jetée. La réflexion, notion d'optique géométrique, n'est plus applicable car les vagues contournent l'obstacle et produisent ainsi une agitation dans l'ombre. Il faut alors faire appel à la notion de diffraction.
La diminution de c avec la profondeur conduit aussi à des phénomènes de réfraction, exactement analogues à ceux observés en optique. De même que les surfaces d'onde suivent les lignes iso-indice , les vagues tendent à épouser la forme des lignes d'égale vitesse (c’est-à-dire les isobathes ou lignes d'égale profondeur) et à ainsi à épouser le littoral. Les vagues se concentrent donc autour des pointes, où leur hauteur est plus grande, et s'évasent dans les baies. Les courants modifient aussi la vitesse de phase et la relation de dispersion. Ils induisent donc aussi une réfraction.

Mouvement du fluide


Génération des rouleaux de vagues



Dans la théorie d'Airy, les particules de fluide décrivent des ellipses fixes, dont la taille décroît avec la profondeur. En eau profonde (profondeur supérieure à la moitié de la longueur d'onde) ces ellipses sont des cercles.
Les théories d'ordre supérieur prévoient un faible mouvement global du fluide : la dérive de Stokes. Près de la surface libre, la vitesse d'une particule d'eau est plus importante sous une crête que la vitesse opposée lors du passage du creux suivant. Il en résulte une dérive dans le sens de propagation des vagues qui peut s'inverser en profondeur. Pour les vagues générées par le vent, cette dérive est d'environ 1,5 % de la vitesse du vent pour un état de mer complètement développé et en eau profonde.

Validité et limitations


La théorie d'Airy est particulièrement bien vérifiée dans le cas de vagues se propageant au large et soumises à peu de vent. Au moment du déferlement, elle constitue une approximation moins efficace et on doit alors revenir à une théorie non linéaire. Elle ne prend pas non plus en compte la formation des vagues sous l'action du vent.

Tempête





Dégâts de la tempête Kyrill à Delft, aux Pays-Bas
Une tempête est un type de condition météorologique violente à large échelle dite synoptique, caractérisée par des vents rapides (tourbillon) et des précipitations intenses. Elle peut être accompagnée d'orages donnant des éclairs et du tonnerre ainsi que de la grêle et des tornades. Certaines tempêtes ont un nom particulier comme les typhons, les ouragans, les tempêtes tropicales ou extra-tropicales, les tempêtes de verglas ou de neige. Il existe également des tempêtes caractérisées par des vents transportant des substances dans l'atmosphère (blizzard, tempête de poussière, tempête de sable, tempête de neige…). Une tempête peut endommager gravement un pays ou une région donnée.
Au strict sens météorologique du terme, une tempête est définie par un vent d'une force 10 ou supérieure sur l'échelle de Beaufort, ce qui signifie une vitesse de vent d'au moins 90 km/h. Toutefois, l'usage populaire du mot n'est pas si restrictif.
Formation
Le terme tempête météorologique est un terme générique qui peut décrite plusieurs phénomène. Tous ceux-ci sont cependant liés à la formation d'un cyclone ou dépression. On note deux types principaux de dépressions: les cyclones tropicaux, dont l'énergie est tirée de l'instabilité de la masse d'air qui les entourent, et les cyclones extratropicaux dont le moteur est la rencontre de masses d'air de différentes températures.
Tempêtes tropicales



Typhon à Hong Kong
Les ouragans, typhons et autres cyclones tropicaux sont essentiellement formés par l'organisation d'orages autour d'une circulation qui prend forme dans les océans de la zone intertropicale. Structurellement, un cyclone tropical est une large zone de nuages en rotation, de vent, et d'orages. La source d'énergie principale d'un cyclone tropical est le dégagement de chaleur latente causé par la condensation de vapeur d'eau en altitude. On peut ainsi considérer le cyclone tropical comme une machine thermique, au sens de la thermodynamique.
L'importance de la condensation comme source principale d'énergie différencie les cyclones tropicaux des autres phénomènes météorologiques. Pour conserver la source d'énergie de sa machine thermodynamique, un cyclone tropical doit demeurer au-dessus de l'eau chaude, qui lui apporte l'humidité atmosphérique nécessaire. Les forts vents et la pression atmosphérique réduite au sein du cyclone stimulent l'évaporation, ce qui entretient le phénomène.
Le dégagement de chaleur latente dans les niveaux supérieurs de la tempête élève la température à l'intérieur du cyclone de 15 à 20°C au-dessus de la température ambiante dans la troposphère à l'extérieur du cyclone. Pour cette raison, on dit des cyclones tropicaux qu'ils sont des tempêtes à « noyau chaud ». Notons toutefois que ce noyau chaud n'est présent qu'en altitude - la zone touchée par le cyclone à la surface est habituellement plus froide de quelques degrés par rapport à la normale, en raison des nuages et de la précipitation.
Les effets les plus dévastateurs des cyclones tropicaux se produisent quand ils frappent la côte et entrent dans les terres. Dans ce cas, un cyclone tropical peut causer des dommages de quatre façons :

• Vents violents : des vents de force d'ouragan peuvent endommager ou détruire des véhicules, des bâtiments, des ponts, etc. Les vents forts peuvent aussi transformer des débris en projectiles, ce qui rend l'environnement extérieur encore plus dangereux.
  
• Onde de tempête : les tempêtes de vent, y compris les cyclones tropicaux, peuvent causer une montée du niveau de la mer et des inondations dans les zones côtières.
  
• Pluie forte : les orages et les fortes pluies provoquent la formation de torrents, lavant les routes et provoquant des glissements de terrain. Fin novembre 2004, l'un de ces épisodes pluvieux a touché le nord des Philippines et fait quelque 500 morts et disparus.
  
• Tornades : les orages imbriqués dans le cyclone donnent souvent naissance à des tornades. Bien que ces tornades soient normalement moins intenses que celles d'origine non-tropicale, elles peuvent encore provoquer d'immenses dommages.
  Tempêtes des latitudes moyennes
  
  
  
  Type de la précipitation selon la structure thermique (bleu sous zéro celsius et rouge au-dessus)
  
  
  
  Le blizzard est caractérisé par des vents violents et une faible visibilité
  
  Les dépressions des latitudes moyennes en évolution très rapides, dites bombes causent les tempêtes qui affectent les régions hors des Tropiques. Ces systèmes sont alimentés par des zones frontales, soit une zone de transition entre deux masses d'air ayant des températures fort différentes. La circulation s'organise anti-horairement dans l'hémisphère nord, et horairement dans celui du sud, poussant un front chaud à l'avant de son déplacement, et un front froid à l'arrière.
  Elles sont souvent d'origine océanique lorsqu'une dépression atmosphérique se forme entre la bordure océanique plus chaude et le continent plus froid, là où l'humidité de l'air se condense et fait baisser la pression. Elles peuvent également originer de zones continentales, particulièrement en hiver (tempête de neige), lorsque les masses d'air arctiques et maritimes s'y rencontrent.
  Les mouvement verticaux dans ces dépressions soulèvent l'air et l'humidité se condense pour former des précipitations importantes. Lorsque la structure thermique de l'atmosphère demeure normale, la température diminuant avec la hauteur, on aura formation de neige en altitude. Cette dernière restera sous forme solide, en atteignant le sol, si toute l'atmosphère qu'elle traverse est sous le point congélation. Par contre, on aura de la pluie au sol si les flocons passent dans une couche épaisse d'air au-dessus de zéro Celsius. Si on a de l'air doux en altitude et froid au sol, on peut assister à une fonte des flocons qui vont regeler près ou au sol. Selon l'épaisseur des couches chaudes et froides, on aura: du grésil ou de la pluie verglaçante.
  Les vents violents autour de ces tempêtes est dû à la forte cyclogénèse qui crée un important gradient de pression atmosphérique. C'est la combinaison entre les vents et les précipitations va causer les dégâts:
  
• quand c'est la pluie qui domine, on obtiendra des inondations et des bris par le vent ;
  
• quand on a de la pluie verglaçante, le verglas qui s'accumule sur les structures et au sol cause de sévères dégâts aux installations électriques et aux arbres à cause du poids de la glace ;
  
• quand les vents et la neige sont extrêmes, on parlera de blizzard.
  L'ensemble des transports routiers, ferroviaires et aériens sont affectés, souvent sur une période assez longue, par tous ces phénomènes.
  Finalement, dans le secteur chaud de ces systèmes, le front froid amène de l'air froid en altitude au-dessus d'un sol plus chaud. Ceci rend l'air très instable et donne des orages. Si ces derniers s'organisent en lignes, on peut assister au développement de tornades, de la grosse grêle ou de rafales descendantes dans ce secteur.
  

Les tempêtes de sable



La Mer de sable (Zandverstuiving) du Parc néerlandais Hoge Veluwe résulte des effets d'une tempête qui a emporté le sol agricole dégradé sur des centaines d'hectares (Centre des Pays-bas).



Tempête de poussière et de sable (Texas, 1935).



Tempête de poussière et de sable à Al Asad, Iraq (fin d'après midi, 27 Avril 2005.
Les tempêtes de sable, ou de poussière, se forment naturellement occasionnellement au dessus des zones désertiques (Sahara, Désert de Gobi), lorsque le vent soulève et emporte les poussière matériaux solides d'un sol desséché ou des déchets végétaux.
Les tempêtes de sable les plus violentes peuvent charrier des milliers de tonnes de poussières à l'échelle d'un continent entier et à des altitudes élevées ; ces poussières, quand elles sont piégées dans les courants stratosphériques peuvent même traverser les océans ou faire le tour du monde. C'est ainsi que des nutriments venant du Sahara enrichissent la forêt amazonienne, leur tracé étant maintenant suivi par satellite.
Certaines des tempêtes de poussières qui ont affecté l'Amérique du Nord aux XIX^e siècle et au début du XX^e siècle ont une cause humaine. Les colons européens ont coupé de vastes forêts et mis en culture d'anciennes prairies naturelles qui protégeaient des sols fragiles. Ces sols mis à nus, dégradés par le labour et déshydratés par le soleil ont pris une consistance poudreuse, et ont été balayés par les tempêtes jusqu'à mettre à nu la roche mère, provoquant la faillite de milliers d'agriculteurs et contribuant à la Grande Dépression des années 1930. C'est pourquoi c'est au Canada et aux États-Unis qu'ont d'abord été développées les techniques d'agriculture plus extensive et/ou sans labour, qui ont efficacement protégé les sols.
De tels phénomènes sont courants en Chine, mais rarissimes en climat tempéré européenne, comme la formation de la mer de sable du Parc de Hoge Veluwe au centre des Pays-Bas. Cette dernière est une ancienne zone agricole sableuse cultivée, dont le sol fertile, mais déshydraté par une période de sécheresse a été littéralement emporté par une violente tempête au début du XX^e siècle, avant d'être achetée par un riche industriel pour y planter des pins et y chasser, après quoi la zone est redevenue naturelle. La mer de sable y est aujourd'hui entretenue par une gestion adaptée, pour des raisons paysagères et patrimoniales.
Tempêtes notables

Liste des tempêtes météorologiques européennes dont:

• Tempête de 1987
  
• Tempête Lothar
  
• Tempêtes de fin décembre 1999 en Europe
  

Tempêtes en Amérique du Nord:

Tempêtes du Cap Hatteras

Verglas massif de 1998

Déluge du Saguenay

Ouragan Katrina

Tempêtes de fin décembre 1999 en Europe

.

Les 26 et 28 décembre 1999 deux tempêtes des latitudes moyennes en développement rapide, nommées respectivement Lothar et Martin, ont traversé la France d'ouest en est. Ces deux cyclones extratropicaux de type bombe très classique, ont également affecté une bonne partie de l'Europe. D'après certaines hypothèses^{[réf. nécessaire]}, ces deux tempêtes pourraient faire partie des événements
Photo infra-rouge montrant la position de Lothar (L sur l'Allemagne) et Martin (M dans l'Atlantique) à 11H30 TUC, le 26 décembre 1999 (Meteosat)




//



Lothar


Lothar est le nom donné à la tempête qui a dévasté, dans la journée du 26 décembre 1999, les forêts de France, de Suisse, d’Allemagne et du Danemark, causant des dommages sans précédent avec des vents jusqu'à 259 km/h. La dépression a touché le Finistère à environ 2h, et Strasbourg à 11h, elle s'est donc déplacée à environ 100km/h.
Les vents les plus violents ont ravagé une bande d'environ 150 kilomètres de large le long de la ligne pointe de la Bretagne - Normandie vers l'Île-de-France puis Champagne-Ardenne, la Lorraine et Alsace en France. Elle a poursuivi sa route vers Allemagne et le nord-est y causant le même genre de dommages.
Situation exceptionnelle pour l'Europe, le creusement de cette bombe s'est accentué sur terre pour atteindre 960 hPa (960 mb) en raison probablement d'une interaction forte avec les courants jets d'altitude qui étaient proches de 400 km/h à 9000 m d'altitude.

Martin


Cette seconde dépression se déplaçant aussi à une vitesse proche de 100 km/h et très profonde (jusqu'à 965 hPa à 16h en Bretagne) s'est développée au large de la Bretagne le 27 décembre 1999. Pour atteindre la côte de cette région vers 16h. Par la suite, elle s'est dirigée vers Nantes (19h), Dijon (1h le 28 décembre) et enfin l'Alsace (4h). Les régions de toute la côte Atlantique ont été les plus touchées par le vent, en particulier le département de la Charente-Maritime, qui a été le département le plus durement touché (198km/h à La Rochelle). Le vent continuait à souffler en Corse le mardi 28 au matin. La tempête a également affecté l'Espagne et le nord de l'Italie.
Au nord de la dépression, une injection d'air froid a donné dès l’après-midi du 27, des chutes de neige tenant au sol sur le nord de la Bretagne et la Normandie. Durant la nuit, la neige a atteint le Nord-Est de la France jusque sur le Genevois, laissant même des flocons sur le sud de la région parisienne. Pendant ce temps, le long de sa trajectoire, des quantités importantes de pluie ont causé des inondations. Dans certains endroits des Alpes, la neige a duré deux jours et environ deux mètres de neige sont tombés.

Rafales mesurées


Selon Météo-France^[1], les rafales suivantes ont été notées:
DateLocalitéVitesseDateLocalitéVitesse

26 décembre	Ploumanach	148 km/h	27-28 décembre	Pointe du Raz	162 km/h
	Île de Groix	162 km/h		Île d'Yeu	162 km/h
	Rennes	126 km/h		Île d'Oléron	198 km/h
	Nantes	126 km/h		La Rochelle	151 km/h
	Alençon	166 km/h		Biscarosse	166 km/h
	Rouen	140 km/h		Cap Ferret	173 km/h
	Chartres	144 km/h		Bordeaux	144 km/h
	Paris (Parc Montsouris)	169 km/h		Pau, Tarbes	137 km/h
	Paris (Tour Eiffel) selon France3[2]	216 km/h (anémomètre bloqué, vitesse du vent probablement plus élevée)		Mâcon	126 km/h
	Orly	173 km/h		Limoges	148 km/h
	Troyes	148 km/h		Aurillac	137 km/h
	Dijon	126 km/h		Perpignan	140 km/h
	Metz	155 km/h		Clermont-Ferrand	159 km/h
	Nancy	144 km/h
	Colmar	165 km/h
	Strasbourg	144 km/h
	Aiguille des Grands Montets (Chamonix-Argentière, 3275m) non de M-F[réf. nécessaire]	320 km/h

Prévision


Après les problèmes de la Tempête de 1987, les services météorologiques européens ont beaucoup amélioré leurs modèles de prévision numérique du temps et Météo-France a bien prévu ces deux événements:

• Les météorologues de Météo-France utilisant les modèles ainsi que les variations de températures et de pression exceptionnelles ont pu envoyer une alerte météorologique avec 24 heures de préavis dans le cas de Lothar. Les vents prévus étaient de 150 km/h en rafales sur les côtes et jusqu'à 80 km/h en moyenne dans les terres avec des rafales à 120/130 km/h.
  
• En faisant le suivi des événements, ils ont émis des avertissements pour la seconde tempête dès le matin du 27 décembre. Ils ont mentionné des pointes de vents jusqu'à 150 km/h sur les côtes et les reliefs, 130 km/h dans les terres. Un bulletin d'alerte a également été diffusé pour des chutes de neige en Bretagne par exemple.
  

Durant ces deux systèmes, les prévisionnistes de Météo-France à tous niveaux ont travaillé en contact étroit avec les services de la sécurité civile.
Par contre, les services de météorologie allemands ont été critiqués pour ne pas avoir émis des avertissements pour Lothar.

Dégâts






Selon les assureurs^[3] (Euros de 2006) et les autorités des différents pays:

• 91 morts dont:
  
  
  
  • 2 morts en Suisse lorsqu'une cabine téléphérique est tombée à cause d’un arbre renversé par le vent lors de Lothar.
    
  
  
• Le chablis a totalisé près de 140 millions m³ de bois abattus en France, l'équivalent d'un convoi ferroviaire ininterrompu d’Oslo à Gibraltar. Cela représente plus de 60 millions d'arbres abattus !^[4]
  
• 13 millions m³ de bois abattus en Suisse^[5].
  
• Plus de 200 pylônes électriques renversés en France privant de courant plus de trois millions de foyers durant plusieurs jours.
  
• Pertes économiques de 19,2 milliards dollars US (de 2006):
  

• 12,8 milliards pour Lothar
  
• 6,4 milliards pour Martin
  
• Seulement 14,2 milliards ont été compensés par les assureurs.
  

Conséquences


Le service Météo France a mis en place un système de cartes de vigilance sur son site internet et à la télévision durant l'année 2002 pour appeler à la vigilance dans les départements concernés.
Début 2007, bien qu'il reste quelques endroits non traités, la plupart des zones d'arbres abattus ont été nettoyées.

Vague scélérate


Vague scélérate vue d'un navire marchand (1993).



Les vagues scélérates sont des vagues océaniques très hautes, soudaines et considérées comme très rares.
Jusqu'au début du XX^e siècle, les vagues scélérates semblaient appartenir au folklore maritime — jusqu'à ce qu'un certain nombre de témoignages de rencontre de ces vagues par de gros navires modernes, ainsi que des mesures océanographiques, convainquent les scientifiques de la réalité et de la fréquence du phénomène

//



Caractéristiques


Contrairement aux vagues de raz-de-marée (tsunami, en japonais) qui sont des vagues de grande longueur d'onde et qui ne s'élèvent qu'à l'approche des côtes, les vagues scélérates font partie de trains d'ondes de l'état de la mer et ont à peu près la même longueur d'onde que leur voisines, mais au profil beaucoup plus abrupt que celui des autres vagues. L'état de la mer étant irrégulier, des vagues de grande hauteur sont toujours possibles, mais de moins en moins probables. On parle de vague scélérate pour des hauteurs du creux à la crête de plus de 2,1 fois la hauteur significative des vagues H_s ^[1]. Les vagues scélérates se forment sans raison évidente. Elles sont souvent décrites comme un mur d'eau qui vient heurter le navire, contrairement aux vagues "normales" qui montent en pente relativement douce, permettant aux navires de passer par dessus. Des vagues scélérates ont été observées dans tous les océans du monde, qu'il y ait ou non des courants importants en surface.
Les vagues scélérates peuvent atteindre des hauteurs de plus de 30 mètres et des pressions phénoménales. Ainsi, une vague normale de 3 mètres de haut exerce une pression de 6 tonnes/m². Une vague de tempête de 10 mètres de haut peut exercer une pression de 12 tonnes/m². Une vague scélérate de 30 mètres de haut peut exercer une pression allant jusqu'à 100 tonnes/m². Or, aucun navire n'est conçu pour résister à une telle pression^[2].

Théories explicatives


Il convient d'abord de distinguer les grandes vagues des vagues scélérates. Les plus grandes vagues observées sont généralement présentes dans un état de mer déjà fort, soit dans de fortes tempêtes, soit dans des zones de courants contraires, comme dans la zone du courant des Aiguilles^[2], le long de la côte est de l'Afrique du Sud. Dans ce cas il s'agit d'un simple phénomène de réfraction qui augmente la hauteur significative H_s, sans que nécéssairement cela donne des vagues de hauteur H supérieure à 2,1 H_s.
Les observations indiquent que ce seuil de 2,1 H_s est atteint beaucoup plus souvent que ce que prévoit la théorie linéaire de la propagation des vagues. Pour des vagues en canal à houle, se propageant dans une seule dimension il peut y avoir 100 fois plus de vagues scélérates que ce que prévoit la théorie linéaire. La fréquence d'apparition des vagues scélérates est donc nécéssairement lié au caractère non-linéaire des vagues, connu depuis le XIXeme siècle, mais avec des conséquences qui sont encore là incomprises. Ainsi, dans un train de houle, la vague scélérate apparaît en empruntant l'énergie contenue dans ses voisines, avant de la leur rendre en disparaissant ou de la perdre en déferlant. On parle de modulation d'amplitude. Dans le cas d'un canal, ce phénomène est bien décrit par l'équation non-linéaire de Schrödinger ou l'équation de Korteweg et de Vries (due à Joseph Boussinesq). Il apparait quand les vagues sont à la fois cambrées et assez régulières (spectre étroit en fréquence). Les théories actuelles pour cette évolution non-linéaire sont bien vérifiées dans un canal à houle pour des vagues se propageant dans une seule direction^[3]. Par contre ces théories sont inefficaces pour expliquer les vagues observées dans l'océan du fait de la propagation dans plusieurs directions, ce qui réduit fortement les modulations d'amplitude.

Détection


La mesure des vagues est aujourd'hui faite avec des lasers, radars ou bouées, qui mesurent l'élévation de la surface en un point. De telles mesures sur la plateforme Draupner, en Mer du Nord, ont fourni les premières preuves irréfutables de l'existence des vagues scélérates. Alors que la détection des vagues scélérates par satellite est encore hors de portée aujourd'hui, plusieurs travaux utilisant des radars de navigation embarqués sur des navires essayent de reconstruire la forme de la surface à partir du fouillis de mer^[4] pour, entre autres, détecter des vagues scélérates avant que le navire ne les rencontre. Ces développements n'en sont encore qu'à leurs balbutiements.

Accidents notables


Plusieurs observations et accidents récents en attestent :

• Plate-forme pétrolière de Draupner, vague de 25,6 m de haut alors que la hauteur significative n'attéignait que 10,8 m, mesurée en mer du Nord le 1er janvier 1995^[5] ;
  
• Queen Elizabeth 2, vague de 29 m dans l'Atlantique nord en février 1995^[2] ;
  
• Bremen et Caledonian Star, trois vagues de 30 m dans le Pacifique sud en février 2001^[2] ;
  
• Aube Norvegian, vague de 21 m au large de la Caroline du Sud en avril 2005 ;
  
• Le Pont-Aven, le 24 mai 2006, a rencontré une vague d'une hauteur d'environ 20 m au large de Ouessant.
  

Toutefois, la réalité des vagues scélérates est bien démontrée et peut avoir des conséquences sur la sécurité maritime et la conception des grands navires marchands, notamment les minéraliers et les vraquiers qui ne sont pas conçus pour résister à des impacts haut au-dessus de la ligne de flottaison, et qui coulent en quelques minutes.
Si un tanker (ou tout bateau long) rencontre une telle vague de face (ou par l'arrière), cela pose 2 problèmes :

• La masse de l'eau en mouvement représente une énergie au moins doublée par rapport aux vagues habituelles qui va percuter le bateau par sa proue (par exemple). Il n'est pas rare qu'une vague scélérate ait une hauteur au moins égale à celle du château (la partie du bateau la plus haute dans laquelle se trouve le poste de commande et de navigation).
  
• L'effet cumulé de la hauteur exceptionnelle des vagues et de la longueur d'onde peut littéralement soulever le bateau par les 2 extrémités. La partie centrale du bateau se retrouve alors dans le vide, ou tout au moins se retrouve moins portée par l'eau, et va donc être soumise à des contraintes énormes (surtout si les soutes sont pleines) qui peuvent casser le bateau en deux.
  

Si la vague frappe le bateau par le côté, elle peut le faire chavirer.

Anticyclone



Un anticyclone est une zone de circulation atmosphérique autour d'un centre de haute pression. Leur sens de rotation est lié à la force de Coriolis: ils tournent dans le sens horaire dans l'hémisphère nord et dans le sens anti-horaire dans l'hémisphère sud. C'est ce qui définit également la circulation anticyclonique^[1]. La formation d'un anticyclone se nomme anticyclogénèse et sa dissipation anticyclolyse.

//



Vents autour d'un anticyclone


Circulation cyclonique et anticyclonique, dans l'hémisphère nord, ainsi que le mouvement vertical



À une assez bonne approximation près, on peut dire que la force et la direction du vent sont influencés d'une part par la force horizontale de pression atmosphérique et d'autre part par la force de Coriolis. Dans les quelques premières centaines de mètres au-dessus du sol, la force de friction agit aussi sur le vent de manière significative.
L'air est d'abord mis en mouvement des hautes vers les basses pressions puis la force de Coriolis le dévie vers la droite dans l'hémisphère nord mais à gauche dans celui du sud. Lorsque ces forces ont atteint leur équilibre, le vent souffle plus ou moins parallèlement aux isobares (ligne d'égale pression) avec les plus basses pressions à gauche dans l'hémisphère nord, et à droite dans celui du sud. Comme un anticyclone est une zone de maximum de pression, la circulation autour de celui-ci sera horaire dans l'hémisphère nord et anti-horaire dans l'autre. Près de la surface, la composante de friction ralentit le vent et fait changer l'écoulement lui donnant une composante légère vers les pressions plus basses^[2].
Une analyse de l'équilibre des forces à l'origine des vents montre qu'une courbure anticyclonique de la trajectoire favorise des vents plus forts ce qui veut dire que les vents autour d'un anticyclone sont légèrement plus forts que le calcul du vent géostrophique donnerait. Toutefois, il existe aussi une limite physique démontrable et très significative quant à l'intensité de la force horizontale de pression en milieu fortement anticyclonique. Rappelons que la force horizontale de pression est le principal moteur du vent dans l'atmosphère libre. On observe donc généralement une ceinture de vents modérés ou forts dans la périphérie des anticyclones, mais des vents faibles dans leur zone centrale^[2].

Temps associé


Les anticyclones généralement apportent du beau temps et des ciels clairs car le mouvement vertical de l'air y est vers le bas (subsidence). Cette dynamique atmosphérique fait en sorte que l'air aux altitudes moyennes se réchauffe parce qu'il subit une compression adiabatique et y devient relativement chaud et sec, et donc sans nuages^[2]. Cependant comme l'anticyclone se déplace sur la surface de la Terre, sa couche inférieure peut s'échauffer ou se refroidir localement, en fonction du rayonnement thermique entrant ou sortant. Le bilan thermique au sol dépend du rayonnement solaire, du rayonnement thermique émanant du terrain, et de la nature du sol ou de l'océan.
Les couches inférieures de l'anticyclone peuvent aussi absorber, par évaporation, de l'eau en provenance du sol ou des océans, favorisant alors la formation de cumulus ou d'une couche de stratocumulus suite au réchauffement solaire. La nuit, alors que le bilan thermique près du sol est fortement négatif, le refroidissement de la couche inférieure peut y causer la condensation de la vapeur d'eau et ainsi la formation de brouillard. Dans un tel cas, le vent doit être faible pour éviter un mélange atmosphérique mais c'est fréquemment le cas près du centre de l'anticyclone, où ils sont presque toujours légers. On appelle le brouillard causé par refroidissement radiatif brouillard de radiation.
On trouve souvent dans les anticyclones une inversion thermique : la couche inférieure est plus froide que la couche moyenne. L'air relativement froid et dense à la surface reste au ras du sol et y emprisonne, le cas échéant, brouillard ou smog.

Dépression (météorologie)





Carte météorologique d'une dépression affectant la Grande-Bretagne et l'Irlande. Les flèches bleues et rouges entre les isobares indiquent la direction des vents, alors que le symbole D marque son centre, soit l'endroit de la plus basse pression atmosphérique.



Une dépression est une zone où la pression atmosphérique, ajustée au niveau de la mer, diminue horizontalement vers un centre de basse pression, c'est-à-dire un minimum local de pression. On associe les dépressions au mauvais temps, car la dynamique qui entoure une dépression présuppose l'existence de courants ascendants qui provoquent des nuages et de la précipitation. De plus, le gradient de pression autour d'une dépression peut engendrer de forts vents.




Types



Le terme dépression s'applique à toute circulation autour d'un centre fermé de basse pression et reçoit le nom plus général de cyclone. Quand utilisé seul, le terme cyclone est cependant le plus souvent réservé aux cyclones tropicaux: des dépressions des Tropiques de fortes intensités (connus également comme typhons et ouragans). Dans le langage courant, on utilise le terme dépression pour les systèmes des latitudes moyennes (30 à 60 degrés de latitude), qualifiés d'extratropicaux, et ceux de faible à moyenne intensité aux Tropiques. On a aussi des dépressions polaires dont la formation est très proche de celles des cyclones tropicaux.

Vents autour d'une dépression

Diagramme qui montre comment les vents sont déviés pour donner une circulation anti-horaire dans l'hémisphère nord autour d'une dépression. La force de gradient de pression est en bleu, celle de Coriolis en rouge et le déplacement en noir



À une assez bonne approximation près, on peut dire que la force et la direction du vent sont influencés d'une part par la force horizontale de pression atmosphérique et d'autre part par la force de Coriolis. Dans les quelques premières centaines de mètres au-dessus du sol, la force de friction agit aussi sur le vent de manière significative.
Lorsque ces forces ont atteint leur équilibre, le vent souffle autour de la dépression dans le sens anti-horaire dans l'hémisphère nord, et dans le sens horaire dans l'hémisphère sud. Près de la surface, la composante de friction ralentit le vent et fait converger l'écoulement vers le centre de la dépression.


Apparition et dissipation

.

L'apparition et le mouvement d'une dépression sont généralement causés par l'existence de mouvement vertical ascendant dans les environs immédiats de la dépression. Le courant ascendant peut être causé par des phénomènes de la dynamique de l'atmosphère libre qui causent de la divergence dans les couches moyennes ou supérieures de la troposphère ; cette divergence en altitude provoque une succion qui fait monter l'air des niveaux inférieurs et baisser la pression au niveau du sol.
Parmi les phénomènes qui peuvent causer de la divergence en altitude, on retrouve :

• les ondes baroclines (aussi appelées ondes frontales, associées au courant-jet).
  
• l'advection de tourbillon.
  
• la libération de chaleur latente due à la condensation en nuage de la vapeur d'eau atmosphérique.
  
• la convection engendre elle aussi des courants ascendants, mais la force de poussée convective a généralement sa source dans les bas niveaux.
  

Tous ces phénomènes peuvent se combiner à divers degrés et ne s'excluent pas mutuellement. Ainsi, on note deux façons principales de développer les dépressions (cyclogénèse) qui dépendent du lieu de formation:

• Au-delà de 30 degrés nord et sud, la force de Coriolis étant importante, l'air s'organise en masses plus ou moins homogènes séparées par des zones de transition rapide que l'on nomment fronts. Les dépressions des latitudes moyennes se forment le long de ces rubans dans un cycle très bien décrit par l'école norvégienne de météorologie qui met l'emphase sur les mouvements verticaux.
  
• Plus près de l'Équateur, c'est la convection dans une masse d'air sans fronts qui joue le rôle majeur. Le faible facteur de Coriolis ne sert qu'à concentrer l'organisation des orages.
  

Lorsque les forçages à l'origine de la dépression se dissipent, la convergence de l'écoulement de surface vers le centre de la dépression, décrite plus haut, cause son remplissage graduel.

Temps associé


Circulation cyclonique et anticyclonique, dans l'hémisphère nord, et les mouvements verticaux engendrés



Parce que l'air est en général en ascension dans les dépressions, il subit une décompression adiabatique. Sa température diminue lors de ce processus et il arrive un point où celle-ci atteint la valeur de saturation par rapport à l'humidité contenue dans la parcelle d'air. Il y a à partir de ce niveau condensation d'une partie de plus en plus grande de la vapeur d'eau dans la parcelle qui forme un nuage. Si le mouvement vertical se poursuit, les gouttellettes de nuages formeront des gouttes de pluie ou des flocons, selon la température ambiante. Donc les dépressions sont le plus souvent associées avec des zones nuageuses et du mauvais temps.

Cyclone







Cyclone extratropical qui a donné une tempête de neige en février 2004 sur les provinces atlantiques du Canada



Cyclone tropical Ivan, 7 septembre 2004



Un cyclone (du grec kuklos, cercle) est un terme météorologique qui désigne simplement un système dépressionnaire en rotation. Même si toute dépression peut être appelée un cyclone, ce terme est le plus souvent réservé à certains types particuliers de systèmes qui se forment au-dessus des eaux chaudes des mers tropicales, les cyclones tropicaux. Par extension, la circulation cyclonique est la direction que prendra le flux d'air autour d'une dépression ou d'un creux barométrique, soit anti-horaire dans l'hémisphère nord et horaire dans celui du sud^[1].
On applique également le suffixe cyclone à certains phénomènes de très petites échelles où une rotation se produit.
Structure


Le cœur du cyclone est une région de basse pression^[2]. Le gradient de pression entre le système et les zones de plus haute pression, engendre un déplacement d'air. Sous l'effet de la force de Coriolis, ces vents sont déviés vers la droite dans l'hémisphère nord (gauche dans celle du sud) ce qui donne une circulation dont la trajectoire devient circulaire autour du centre de basse pression. Plus la différence de pression est importante, plus les vents sont forts.
De part et d'autre de l'équateur, les cyclones ont des sens de rotation différents. Dans l'hémisphère nord, un cyclone tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre alors que dans l'hémisphère sud, il tourne dans le sens des aiguilles puisque la force de Coriolis agit inversement d'un hémisphère à l'autre.


Types de cyclones


Il existe plusieurs types de cyclones suivant le lieu où ils se forment.

Les cyclones tropicaux



Boucle radar montrant l'arrivée de l'ouragan Katrina en Louisiane (Source: NOAA)



Les cyclones tropicaux^[3], aussi nommés ouragans dans l'Atlantique nord, le golfe du Mexique et l'est du Pacifique nord ou typhon dans l'ouest du Pacifique nord et la Mer de Chine méridionale, se forment au dessus des eaux chaudes des mers tropicales et puisent leur énergie dans la chaleur latente de condensation de l'eau.
Plusieurs conditions sont nécessaires à la formation d'un tel cyclone :

• La température de la mer doit être supérieure à 26 °C, sur une profondeur d'au moins 50 mètres, à l'endroit de la formation de la dépression qui deviendra cyclone.
  
• Être suffisamment éloigné de l'équateur pour que la force de Coriolis puisse agir (5 à 10 ° de latitude).
  
• Les vents aux différents niveaux de l'atmosphère doivent être de direction et de force homogènes dans la zone de formation du cyclone. Si les vents de haute altitude soufflent de manière très différente des vents de basse altitude, la formation du cyclone sera contrariée.
  

Le dégagement de chaleur latente dans les niveaux supérieurs de la tempête élève la température à l'intérieur du cyclone de 15 à 20 °C au-dessus de la température ambiante dans la troposphère à l'extérieur du cyclone. Pour cette raison, on dit des cyclones tropicaux qu'ils sont des tempêtes à « noyau chaud ». Notons toutefois que ce noyau chaud n'est présent qu'en altitude - la zone touchée par le cyclone à la surface est habituellement plus froide de quelques degrés par rapport à la normale, en raison des nuages et de la précipitation.
L'intensité du cyclone est déterminée par la force du vent maximum qu'il engendre, car c'est le paramètre le plus facile à estimer et qui caractérise bien les destructions potentielles. Dans l'Atlantique Nord, on utilise comme critère le vent moyen sur une minute. Si le vent est inférieur à 34 nœuds (63 km/h), c'est une dépression tropicale. Si le vent est compris entre 34 et 63 nœuds (117 km/h), c'est une tempête tropicale, et le cyclone reçoit alors un nom. Si le vent soutenu dépasse 64 nœuds (118 km/h), c'est un ouragan. Des variations de cette classification sont utilisées dans le Pacifique et l'Océan Indien. L'échelle utilisée pour les cyclones tropicaux, incluant les ouragans, est l'échelle de Saffir-Simpson. Elle reprend la force des vents là où l'échelle de Beaufort s'arrête, soit Ouragan qui est Force 12 sur 12 dans l'échelle de Beaufort est égal à la Catégorie 1 de 5 sur l'échelle de Saffir-Simpson.

Les cyclones extratropicaux


Carte météorologique fictive d'un cyclone extratropical affectant la Grande-Bretagne et l'Irlande



Un cyclone extratropical, parfois nommé cyclone des latitudes moyennes, est un système météorologique de basse pression, d'échelle synoptique, qui se forme entre la ligne des tropiques et le cercle polaire. Il est associé à des fronts, soit des zones de gradients horizontaux de la température et du point de rosée, que l'on nomme aussi "zones baroclines"^[4]. Pour cette raison, ils sont dit à « noyau froid » car le centre du système se situe du côté froid des fronts et la tropopause plus basse (froide) que les régions à l'extérieur du système.
Les cyclones extratropicaux ont donc des caractéristiques différentes des cyclones tropicaux, et des cyclones polaires plus au nord, qui sont alimentés par la convection. Ils sont en fait les dépressions météorologiques qui passent quotidiennement sur la majorité du globe. Avec les anticyclones, ils régissent le temps sur la Terre, produisant nuages, pluie, vents et orages.

Les cyclones subtropicaux



Les cyclones subtropicaux sont des cyclones extratropicaux qui présentent certaines des caractéristiques des cyclones tropicaux, comme par exemple un cœur devenant chaud. Ils se forment généralement au delà des tropiques, jusqu'à une latitude de 50°(nord et sud). En effet, on y retrouve une activité orageuse autour de son centre qui tend à lui former un cœur chaud mais on le retrouve dans une zone frontale faible. Avec le temps, la tempête subtropicale peut devenir tropicale^[5].

Les cyclones polaires



Un cyclone polaire est un système dépressionnaire de large envergure passant dans les régions arctiques et antarctiques.

Dépression polaire

.

Dépression polaire sur la mer de Barents le 27 février 1987



Un phénomène analogue aux cyclones tropicaux existe sur l'océan Arctique, qu'on appelle dépression polaire.
Ces dépressions peuvent être plus violentes que les cyclones tropicaux mais de taille plus réduites. Elles ont de 100 à 400 km de diamètre avec des vents de forces d'ouragans, se développant comme des bombes et durant une paire de jours seulement. Ces systèmes dépressionnaires prennent naissance dans les zones de contrastes thermiques importants comme à la bordure de la zone des glaces avec la mer ouverte alors que de l'air très froid passe en altitude. Elles peuvent donner des conditions de poudrerie et de blizzard très localisées.
Par contre, elles ont beaucoup moins d'impact puisque dans les régions polaires, la densité de population humaine et animale est très faible. Sur les images satellites, les nuages s'enroulent autour du centre comme pour un ouragan ou un typhon. Des sondes lâchées par des avions de recherche montrent un cœur chaud comme dans ces derniers.

Extrapolations du terme



Les mésocyclones



Les mésocyclones ne sont pas des systèmes dépressionnaires mais plutôt une rotation imbriquée dans un orage (cumulonimbus).
En effet, le changement des vents entre la surface et le sommet de la couche limite de friction de l'atmosphère (moins de 2 km d'épaisseur) donne une rotation horizontale des vents. Pensons à une gigantesque éolienne qui subirait plus de vents d'ouest à son sommet qu'à sa base, ses pales se mettent donc à tourner car celles du haut subissent une plus grande force que celles du bas.
Le courant ascendant sous un orage va changer l'axe de cette rotation pour le rendre vertical. Lorsque cela se produit, on peut observer visuellement, ou sur les données Doppler d'un radar météorologique, que certaines parties du nuage sont en rotation.
Un mésocyclone n'est pas une tornade. Le resserrement de sa rotation, par des conditions particulières de circulation des vents autour de l'orage, peut cependant mener à la formation d'une tornade sous l'orage. Cela est identique à l'accélération de la rotation d'un patineur lorsqu'il ramène ses bras vers son corps.

Les tornades


Basculement du vortex par le courant ascendant. (Source: NOAA)



Une tornade n'est pas un cyclone car elle n'est pas un système dépressionnaire. Elle est en fait un vortex (tourbillon) de vents extrêmement violents, prenant habituellement naissance à la base des cumulonimbus, les nuages orageux, mais occasionnellement sous des nuages convectifs plus mineurs. Trois éléments sont nécessaires à la formation d'une tornade : un cisaillement des vents dans les premiers kilomètres de l'atmosphère, un courant ascendant important dû à la poussée d'Archimède dans une masse d'air instable et une configuration des vents de surface qui puisse servir à concentrer la rotation verticale. Un quatrième élément est utile mais pas toujours présent: un courant descendant dans la précipitation. Le cisaillement de bas niveau crée une rotation dans l'axe horizontal. Quand cette rotation entre en interaction avec un fort courant ascendant, l'axe horizontal peut basculer et devenir une rotation autour d'un axe vertical (image à gauche). La rotation sera concentré ensuite par la circulation de surface, comme une patineur en rotation qui ramène ses bras vers son corps.
Phénomène météorologique au pouvoir destructeur supérieur à celui d'un cyclone tropical, mais heureusement limité dans le temps et dans l'espace, les tornades génèrent les vents les plus forts qui existent à la surface du globe, éclatant sporadiquement et avec fureur, tuant chaque année plus de personnes que tout autre phénomène du genre. Les tornades sont classés selon les dégats qu'elles provoquent et les vents qu'elles génèrent. L'échelle pour les classer était l'échelle de Fujita. Dernièrement l'échelle a été remodelée et s'appelle l'échelle de Fujita améliorée. Leurs diamètres peuvent varier de 20 m à plus de 2 km et laissent pour certains de très grandes traces visibles depuis l'espace.
Comme les différents types de cyclones mentionnés antérieurement sont associés avec une masse nuageuse qui peut contenir des orages, des tornades peuvent donc y être imbriquées. On les retrouve le plus souvent dans les cyclones extratropicaux mais les cyclones tropicaux produisent également des tornades, en particulier à leur bordure externe après avoir touché terre car la friction y crée le cisaillement nécessaire^[6