background image

3 - 1

CHAPITRE 3

- ÉCOULEMENT EN ÉQUILIBRE

3.1 Introduction

Dans le chapitre 1, on a constaté que  les  observations  de  l'écoulement  sur  le  plan  horizontal

indiquent qu'il est en quasi-équilibre; c'est-à-dire que l'accélération horizontale est un ordre de

grandeur inférieure aux forces. Un tel quasi-équilibre dans l'atmosphère libre impliquerait que les

forces  de  Coriolis  et  de  pression  soient  presque  égales  en  grandeur  mais  de  direction

essentiellement opposée, comme décrit dans la figure 3.1a. Étant donné que la force de Coriolis est

déterminée par le vent   c

h

 = f   V

h

  et se dirige à 90

o

 à droite de  V

h

 l'équilibre exigera un rapport

spécifique entre le vent et la force de pression.

Le vent produisant un équilibre exact entre les deux forces est appelé "vent géostrophique" et

est donné par l'équation (3.1):

V

g

 = - 1

f

 

p

Φ

 x k

(3.1)

u

g

 = - 1

f

 

∂Φ

y

p

v

g

 = 1

f

 

∂Φ

x

p

Avant d'étudier les caractéristiques de ce vent, on  devrait  se  demander  pourquoi  l'écoulement

horizontal est presque en équilibre, et pourquoi cet équilibre n'est pas plus exact.

La réponse à la deuxième question découle des observations qui montrent que la force horizontale

de pression varie continuellement en fonction du temps et de l'espace. Si une particule d'air se

trouve  à  un  moment  donné  en  équilibre  exact  (qui  veut  dire  sa  vitesse  est  géostrophique),

background image

3 - 2

l'équilibre sera dérangé un peu plus tard parce que la particule se déplacera et se trouvera avec une

force de pression changée. Cependant, la vitesse (qui détermine la force de Coriolis) ne peut pas

changer pour s’ajuster immédiatement parce que l'état d'équilibre précédent ne permettait aucun

changement de vitesse.

Étant donné l'impossibilité d'un équilibre exact sur le plan horizontal, on se pose la question de

savoir pourquoi l'équilibre est si bon. La réponse à cette question se trouve dans une étude de la

réaction des particules d'air aux changements de la force de pression. Pour simplifier la discussion

on ne considère pas les variations locales temporelles de la force de pression en supposant que le

champ des isohypses (gradient de pression) est stationnaire.

x,E

y,N

P

0

P

2

P

1

a

h

p

h

c

h

V

h

 

 V

g

FIGURE 3.1a: Somme de deux forces 

p

h

 + c

h

 ayant presque la même grandeur mais de directions opposées.

x,E

y,N

P

0

P

2

P

1

c

h

V

h

 =V

g

 

p

h

FIGURE 3.1b: Somme de deux forces 

p

h

 + c

h

 ayant la même grandeur mais de directions opposées.

Considérons la particule d'air au point A dans la figure 3.2. Elle se déplace dans la direction des x

positifs, dans la direction vers laquelle le module de la force de pression diminue parce que le

gradient des isohypses est plus faible. Après quelques temps la particule A se trouve au point B

avec la même vitesse parce qu'il n'y avait pas d'accélération entre A et B. Elle se trouve ,donc,

avec la même force de Coriolis tandis que la force horizontale de pression y est plus faible parce

que le gradient horizontal de géopotentiel est moins grand. L'accélération créée par ces deux forces

est petite par rapport aux forces et se dirige vers y négatif. Cette accélération agit à tourner la

direction de la vitesse vers les y négatif sans changer son module.

background image

3 - 3

Donc lorsque la particule se trouve au point C, sa vitesse a une faible composante  vers  les  y

négatifs. Parce que la force de Coriolis agit toujours à droite de la vitesse, elle est maintenant

tournée un peu vers les x négatifs.  p

h

, toujours vers les y positifs, a encore diminué. La somme

des forces  a

h

, toujours petite par rapport aux forces, agit maintenant à tourner et à ralentir la

vitesse. À cause de cette nouvelle accélération le module de la vitesse au point D est moins grand.

La direction est aussi plus tournée vers des x négatifs qu'au point précédent. Donc, la force de

Coriolis, elle aussi est moins grande et plus tournée. La force horizontale de pression, toujours un

peu  moins  grande,  en  combinaison  avec  la  nouvelle  force  de  Coriolis  produit  l'accélération

indiquée, toujours petite par rapport aux forces. Cette accélération cette fois-ci agit surtout à ralentir

la particule qui aura l'effet de diminuer la force de Coriolis de sorte qu'elle serait plus comparable à

la force de pression ainsi gardant l'accélération petite.

Figure 3.2: Évolution de la vitesse et de l'accélération d'une particule dans un champ de géopotentiel qui varie dans

l’espace.

Cette explication est  aussi  une  simplification  du  comportement  d'une  particule  d'air  dans  ces

circonstances et représente les résultats en moyenne. Cependant, on voit que l'accélération créée

par la variation de la force de pression agit avec un certain retard sur le vent avec le résultat que la

force de Coriolis varie de façon semblable à la variation de la force de pression.

A

B

C

y

x

V

h

p

c

a

h

p

p

c

c

a

h

V

h

V

h

φ

t

 = 0

Force

Vent

D

p

c

a

h

V

h

p

c

a

h

V

h

E

φ

-

φ

φ

φ+

φ 

φ+

φ 

φ

-

φ

background image

3 - 4

3.2 Vent géostrophique

Lorsqu'on résout l'équation (2.16)

dV

h

dt

   =    - 

p

 

Φ

    -    fkxV

h

   +    r

h

*

(2.16)

x:    du

dt

    =   - 

∂Φ

x

p

   +      fv      +    r

x

*

y:    dv

dt

    =   - 

∂Φ

y

p

   -      fu      +    r

y

*

pour le vent horizontal (sans frottement) on trouve

(3.2)

  

V

h

= −

1

f

p

Φ

xˆ 

V

g

6  7 

4  8 

1

f

dV

h

dt

xˆ 

V

ag

6 7 

4  8 

Dimensions

caractéristiques

(m s

-1

)

10

1

        10

1

             10

0

ou

V

h

 = V

g

 + V

ag

(a)

u = u

g

 + u

ag

 =  - 1

f

 

∂Φ

y

p

 - 1

f

 dv

dt

 

(b)

v = v

g

 + v

ag

 =  1

f

 

∂Φ

x

p

+  1

f

 du

dt

 

qui indique que le vent peut être divisé en deux composantes : d'abord  le  vent  géostrophique

(définit dans l'équation (3.1)) qui est du même ordre de grandeur que le vent horizontal; ensuite le

vent  agéostrophique,  la  déviation  de  l'état  d'équilibre  exact,  qui  est  d'un  ordre  de  grandeur

inférieur au vent horizontal.

background image

3 - 5

On remarque que le rapport du module du vent agéostrophique par rapport au module du vent

horizontal

V

ag

V

h

 = 1

f

 

dV

h

dt

V

h

 = 1

f

 

a

h

V

h

 = Ro

correspond au nombre de Rossby (Ro) tel que défini par l'équation (1.27). L'étude que l'on en a

fait dans le chapitre précédent nous montre que ce rapport est de l'ordre de 0.1, soit le nombre de

Rossby applicable à l'échelle synoptique.

Cette simple méthode approximative, le vent géostrophique, permet de calculer le vent horizontal à

partir du  gradient  horizontal  de  géopotentiel.  Le  calcul  du  géopotentiel  d'une  surface  isobare

n'exige qu'un relevé de la température en fonction de la pression (avec la pression au sol et la

hauteur du sol par rapport au niveau de la mer), obtenu d'un sondage aérologique. Donc, le réseau

de  stations  aérologiques  nous  permet  de  connaître  approximativement  le  vent  horizontal

indépendamment des observations  directes  du  vent,  de  sorte  que  l'on  peut  disposer  de  deux

mesures indépendantes.

Avant  de  vérifier  à  quel  point  le  vent  géostrophique  est  utile  au  calcul  des  paramètres  de

l'écoulement  horizontal,  il  faut  remarquer  que  l'existence  de  ce  quasi-équilibre  présente  un

problème  important  dans  le  calcul  de  l'accélération  horizontale  à  partir  des

observations  des  forces.  Ce  problème  se  pose  parce  que  les  mesures  des  forces

horizontales comprennent des erreurs de l'ordre de 10%, ou de la même grandeur que

l'accélération. Donc, on ne peut pas directement calculer l'accélération. Ultérieurement, dans le

chapitre 4, on traitera de certaines théories capables de calculer le vent agéostrophique mais on

étudiera d'abord toutes les applications du vent géostrophique.

Tourbillon horizontal

La composante verticale du tourbillon du vent 

 xV  

 k  mesuré sur une surface isobare

(3.3)

ζ

p

 = 

v

x

p

 -  

u

y

p

background image

3 - 6

est un paramètre souvent utilisé en météorologie. Elle représente (deux fois) la rotation du fluide

autour d'un axe vertical local. Calculons d'abord le tourbillon du vent géostrophique et vérifions

ensuite à quel point il constitue une bonne approximation du tourbillon du vent horizontal. D'abord

on décompose le vent horizontal selon les composantes géostrophique et agéostrophique :

V

h

 = V

g

 + V

ag

(3.2)

x:  u  =  u

g

 + u

ag

y:  v  =  v

g

 + v

ag

Le tourbillon sur une surface isobare est:

  

v

x

 
 

 

 
 

 

p

u

y

 
 

  

 
 

  

p

ζ

p

4 4 

4 4 

=

v

g

x

 
 

  

 
 

  

p

u

g

y

 
 

  

 
 

  

p

ζ

g

4 4 

4 4 4 

+

v

ag

x

 
 

  

 
 

  

p

u

ag

y

 
 

  

 
 

  

p

ζ

ag

4 4 4 

4 4 4 

Le calcul mathématique du tourbillon du vent géostrophique se fait à partir de l'équation (3.1)

(3.1)

a)

u

g

 = - 1

f

 

∂Φ

y

p

b)

v

g

 =  1

f

 

∂Φ

x

p

(3.3a) Donc,

 

v

g

x

 =  1

f

 

2

Φ

x

2

p

(Notons que f n'est pas une fonction de x mais seulement de y)

(3.3b)

u

g

y

 = - 1

f

 

2

Φ

y

2

 +  1

f

2

 

f

y

p

 

∂Φ

y

p

et le tourbillon géostrophique est

background image

3 - 7

(3.4)

ζ

g

 = 

v

g

x

p

 - 

u

g

y

p

 = 1

f

 

2

Φ

x

2

p

 + 

2

Φ

y

2

p

 -  1

f

2

 

∂Φ

y

p

 

f

y

Avec les définitions

a)

u

g

 = - 1

f

 

∂Φ

y

p

(3.5)

b)

f

y

 

 

β

et

c)

p

2

Φ

 = 

2

Φ

x

2

p

 + 

2

Φ

y

2

p

le tourbillon géostrophique devient:

(3.6)

ζ

g

 = 1

f

 

p

2

Φ

 + 

u

g

β

f

En utilisant les relations suivantes:

(3.7)

β

f

 = 1

f

 

f

y

 = 

2

T

 cos 

ϕ

2

T

 sin 

ϕ

 

∂ϕ

y

p

et

 (3.8)

∂ϕ

y

 =  1

r

T

Le tourbillon géostrophique est aussi:

(3.9)

ζ

g

 = 1

f

 

p

2

Φ

 + 

u

g

 cot 

ϕ

r

T

Le  tourbillon  géostrophique  dépend  donc  de  la  variation  spatiale  (deuxième  dérivée)  du

géopotentiel (

Φ 

= gZ) plus un terme qui est dû au changement du paramètre de Coriolis avec la

latitude. La raison physique du deuxième terme peut  être  dégagée  facilement  par  l'examen  de

background image

3 - 8

l'écoulement géostrophique décrit dans la figure 3.3. Là, les isohypses sont orientés dans le sens

est-ouest et sont parallèles, tandis que le gradient de géopotentiel est uniforme. Donc : 

2

Φ

 = 0.

N, y

E, x

Φ

0

 + 

∆Φ

Φ

0

 + 2

∆Φ

Φ

0

 + 3

∆Φ

Φ

0

 + 4

∆Φ

Φ

0

ϕ

s

ϕ

n

p

p

V

g n

V

g s

Plan horizontal : surface isobare

F i g u r e   3 . 3 :  Tourbillon géostrophique dû à l'orientation est-ouest des isohypses et à la variation nord-sud du

paramètre de Coriolis.

En raison de l'uniformité de la force de gradient de pression, il faut que la force de Coriolis soit

aussi uniforme pour qu'un équilibre géostrophique soit réalisé. Cependant, comme la latitude et

donc l'effet de Coriolis augmente vers le nord, il est nécessaire pour produire la même force de

Coriolis partout, que le vent géostrophique diminue vers  le  nord.  Cela  indique  l'existence  du

cisaillement horizontal du vent et du tourbillon. Donc, lorsque les isohypses sont orientés dans le

sens  est-ouest,  le  cisaillement  horizontal  du  vent  géostrophique  apporte  sa  contribution  au

tourbillon grâce à la variation du paramètre de Coriolis (taux local de rotation de la terre) avec la

latitude.

On peut maintenant calculer les dimensions des termes à l'aide des dimensions caractéristiques du

tableau 1.3.

 (3.10)

  

ζ

p

=

1

f

p

2

Φ+

u

g

cot

ϕ

r

T

ζ

g

4 4 

4 4 4 

+

v

ag

x

 
 

  

 
 

  −

u

ag

y

 
 

  

 
 

  

p

ζ

ag

4 4 

4 4 4 

Dimensions

caractéristiques

(s

1

)

10

5

    10

-5

          10

-6

               10

-6

background image

3 - 9

Le tourbillon de vent agéostrophique se calcule comme suit:

V

ag

 = - 1

f

 

dV

h

dt

 x k

(3.11) u

ag

 = - 1

f

 dv

dt

 = - 1

f

 

v

t

 + u 

v

x

 + v 

v

y

 + 

ω

 

v

p

v

ag

 = 1

f

 du

dt

 =  1

f

 

u

t

 + u 

u

x

 + v 

u

y

 + 

ω

 

u

p

Les dérivées sont:

u

ag

y

 = 

β

f

2

 dv

dt

 - 1

f

 

t

 

v

y

 + u 

x

 

v

y

 + v 

y

 

v

y

 + 

ω

 

p

 

v

y

 + 

u

y

 

v

x

 + 

v

y

 

v

y

 + 

∂ω

y

 

v

p

(3.12)

v

ag

x

 = 1

f

 

t

 

u

x

 + u 

x

 

u

x

 + v 

y

 

u

x

 + 

ω

 

p

 

u

x

 + 

u

x

 

u

x

 + 

v

x

 

u

y

 + 

∂ω

x

 

u

p

Le tourbillon du vent agéostrophique devient:

               

v

ag

x

 - 

u

ag

y

 = 

(3.13)  

 

1

f

 

D

t

 + u 

D

x

 + v 

D

y

 + 

ω

 

D

p

 + 

∂ω

x

 

u

p

 + 

∂ω

y

 

v

p

 + 

u

x

2

 + 

v

y

2

 + 2 

v

x

 

u

y

 

β

f

2

 dv

dt

β

f

2

 dv

dt

D = 

u

x

 + 

v

y

 = 

p

 

 V

Notons que:

u

x

2

 + 

v

y

2

 = 

u

x

 + 

v

y

2

 - 2 

u

x

 

v

y

background image

3 - 10

et que :

β

f

2

 dv

dt

 = 

β

u

ag

f

On pourrait réécrire l'équation (3.13) comme suit:

(3.14)

  

ζ

ag

=

v

ag

x

u

ag

y

=

1
f

D

t

+

u

D

x

+

v

D

y

+ω ∂

D

p

+ ∂ω

x

u

p

+ ∂ω

y

v

p

+

D

2

2

u

x

v

y

− ∂

v

x

u

y

 
 

 

 

 
 

 

 

J(u,v)

4 4 

4 4 

u

ag

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Combinant le tourbillon géostrophique donné par l'équation (3.6) et celui du vent agéostrophique

donné par l'équation (3.14), on trouve le tourbillon du vent horizontal (cette équation est appelée

l'équation d'évolution de la divergence ou l'équation de divergence):

(3.15)

ζ

p

g

ag

=

v

g

x

u

g

y

+

v

ag

x

u

ag

y

=

1

f

2

Φ +

β

u

g

f

+

β

u

ag

f

+

1

f

D

t

+

Dimensions

caractéristiques

(s

1

)

10

5

                  10

-5

    10

-5

    10

-6

    10

-6

      10

-5

     10

-6

    10

-7

     10

-7

u

f

D

x

+

v

f

D

y

+ ω

f

D

p

+

1

f

∂ω

x

u

p

+ ∂ω

y

v

p

 
 

 

 

 
 

 

 

+

D

2

f

2

f

u

x

v

y

− ∂

v

x

u

y

 
 

 

 

 
 

 

 

 

10

-7

      10

-7

      10

-8

                   10

-7

                10

-8

                10

-6

Selon les grandeurs caractéristiques des termes, le tourbillon du vent se calcul à 10% près par:

(3.16)

ζ

 = 1

f

 

2

Φ

 + 

ε

  10%  

 

ζ

g

 + 

ε

  10%

Dans cette forme l'équation est appelée  l'équation de balance (version géostrophique à

10% près). Par contre à 1% près (en gardent les termes de l'ordre de 10

-6

 dans l'éq. (3.15)), le

tourbillon devient:

background image

3 - 11

(3.17)

  

ζ =

1

f

2

Φ +

β

u

g

f

2

f

u

x

v

y

v

x

u

y

 
 

 

 

 
 

 

 

J(u,v)

4 4 

4 4 

+ ε

(1%)

Dimensions

caractéristiques

(s

1

)

       10

-5

       10

-6

                 10

-6

L'équation (3.17) est maintenant appelée  l'équation de balance non-linéaire. Remarquons

qu'on pourrait remplacer u et v dans le dernier terme par u

g

 et  v

g

  sans  augmenter  l'ordre  de

grandeur de l'erreur.  Le définition de "balance" (à ne pas confondre avec équilibre) sera aborder

dans le chapitre 4.

Étant donné la précision des observations standards de la géopotentiel et du vent, on peut calculer

le tourbillon à 10% près soit par le champ de géopotentiel en utilisant l'équation (3.16), soit par le

champ de vent en calculant les dérivées composantes du tourbillon.

Donc, le tourbillon géostrophique moins le terme dû à la variation du paramètre de Coriolis et celui

dû au vent agéostrophique se rapproche du tourbillon horizontal avec une erreur de l'ordre  de

10%, soit:

(3.18)

ζ

p

 

 

ζ

g

 

 1

f

 

p

2

Φ

Si on fait le calcul du tourbillon horizontal, on trouve que celui-ci représente physiquement deux

fois le taux de rotation par rapport aux coordonnées locales des particules d'air autour d'un axe

vertical local, tandis qu’on trouve que le paramètre de Coriolis est deux fois le taux de rotation de

la surface de la terre autour d'un axe vertical local. La somme des deux donnerait donc le tourbillon

par rapport à un système de coordonnées fixes, que l'on appelle "tourbillon absolu".

(3.19)

ζ

a

 = 

ζ

p

 + f 

 

ζ

g

 + f 

 1

f

 

p

2

Φ

 + f

background image

3 - 12

Divergence sur les surfaces isobariques

Devant les dimensions caractéristiques des dérivées de la divergence horizontale, on s'attend  à

trouver que la divergence soit de l'ordre de 10

-5

 s

-1

.

u

x

p

 + 

v

y

p

 

 U

L

 

 10

-5

 s

-1

Cependant, les observations dans l'atmosphère libre indiquent que celle-ci est seulement de l'ordre

de 10

-6

 s

-1

. Cela ne peut s'expliquer autrement que par le fait que les deux composantes de la

divergence  (

u/

x)

p

  et  (

v/

y)

p

  sont  de  la  même  dimension  mais  de  signe  contraire.  Par

conséquent, le calcul de la divergence horizontale devra tenir compte d'un calcul plus précis du

vent.  Ceci  révèle  que  le  vent  géostrophique  ne  serait  probablement  pas  suffisamment  précis

puisqu'une erreur de 10% dans les dérivés horizontales de la divergence entraînera une erreur de

100% dans leur somme.

Pour le vérifier on utilise une méthode identique tant dans le calcul de la divergence du vent que

dans le calcul du tourbillon.

(3.20)

p

·V

h

 = 

p

·V

g

 + 

p

·V

ag

La divergence du vent géostrophique est

p

·V

g

 = 

u

g

x

p

 + 

v

g

y

p

 = - 

x

  1

f

 

∂Φ

y

p

 + 

y

  1

f

 

∂Φ

x

p

ou

(3.21)

p

·V

g

 = 1

f

   - 

x

 

∂Φ

y

p

 + 

y

 

∂Φ

x

p

-  1

f

2

 

∂Φ

x

p

 

f

y

                                       0                           

v

g

f

             

et donc

(3.22)

p

·V

g

 = - 

v

g

f

 

f

y

p

 = - 

v

g

 cot 

ϕ

r

T

background image

3 - 13

Donc,  la  seule  contribution  du  vent  géostrophique  à  la  divergence  est  due  à  la  variation  du

paramètre de Coriolis avec la latitude (

f/

y).

Cette contribution peut être mieux comprise si l'on considère une région où la force de pression

exercée sur une surface isobare  p

h

 est uniforme et se dirige vers les x négatifs (l'ouest) comme

l'illustre la figure 3.4. L'équilibre  géostrophique  implique  aussi  que  la  force  de  Coriolis  soit

uniforme et dans la direction opposée. Parce que le paramètre de Coriolis augmente vers le nord en

fonction de la latitude, le vent géostrophique doit augmenter vers le sud pour conserver la force de

Coriolis constante. Ce résultat est décrit dans la figure 3.4 où la convergence y est  clairement

évidente.

À l'aide des dimensions caractéristiques du tableau 1.3 on peut maintenant calculer les dimensions

caractéristiques des contributions à la divergence horizontale sur les surfaces isobares :

(3.23)

p

V

h

= ∇

p

V

g

(

)

+ ∇

p

V

ag

(

)

p

V

h

= −

v

g

f

f

y

 
 

  

 
 

  +

u

ag

x

 
 

  

 
 

  

p

+

v

ag

y

 
 

  

 
 

  

p

 

 

 

 

 

 

 

 

Dimensions

caractéristiques

(s

1

)

    10

6

           10

-6

                     10

-6

Note:  

f

y

 

 

β

 = 

2

T

 cos 

ϕ

r

T

 

 10

-11

 s

-1

 m

-1

Étant donné que  

p

·V

ag

 est aussi importante que 

p

·V

g

, la divergence du vent géostrophique

ne suffit donc pas pour faire le calcul de la divergence horizontale du vent et elle conduirait à une

erreur de l'ordre de 100%. Il faut donc procéder à une évaluation plus précise du vent horizontal

qui aboutirait à une erreur de l'ordre de 1% seulement. On voit donc pourquoi la divergence est un

ordre de grandeur plus petit que les dérivées. Le vent géostropique,  qui  représente  une  partie

importante du vent horizontal, est presque non-divergent.

background image

3 - 14

N

y

x

Φ

0

Φ

0

+2

∆Φ

Φ

0

+

∆Φ

Φ

0

+3

∆Φ

ϕ

s

ϕ

n

c

c

p

p

V

g

N

V

g

S

Plan horizontal: surface isobare

F i g u r e   3 . 4 :   La contribution du vent géostrophique à la divergence horizontale due à l'orientation nord-sud des

isohypses et à la variation nord-sud du paramètre de Coriolis.

La divergence du vent agéostrophique est:

3.24

  

p

V

ag

=

u

ag

x

+

v

ag

y

=

x

1

f

dv

dt

 
  

 
  +

y

1

f

du

dt

 
  

 
  

= −

1

f

x

v

t

+

u

v

x

+

v

v

y

v

p

 
 

 

 

 
 

 

 −

y

u

t

+

u

u

x

+

v

u

y

u

p

 
 

 

 

 
 

 

 +

β

f

du

dt

 

 

 
 

 

 

 

 
 

 

= −

1

f

∂ζ

t

+

u

∂ζ

x

+

v

∂ζ

y

∂ζ

p

+

u

x

+

v

y

 
 

  

 
 

  

D

1  2 

4  3 

ζ+

∂ω

x

v

p

∂ω

y

u

p

v

ag

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Combinant l'équation (3.22) et (3.24), on peut isoler la divergence qui devient:

background image

3 - 15

  

D

=∇

p

V

h

=∇

p

V

g

+∇

p

V

ag

=

u

g

x

+

v

g

y

 
 

  

 
 

  +

u

ag

x

+

v

ag

y

 
 

  

 
 

  

Dimensions

caractéristiques

(s

1

)

                                                             10

-5

   10

-5

10

-6

1  2 

4  3 

        10

-6

     10

-6

(3.25)

(3.25)

p

V

h

= −

1

ζ+

f

(

)

β

v

g

v

ag

+ ∂ζ

t

+

u

∂ζ

x

+

v

∂ζ

y

+ω ∂ζ

p

+ ∂ω

x

v

p

− ∂ω

y

u

p

 
 

 

 

 
 

 

 

Dimensions

caractéristiques

(s

1

)

                               10

-6

   10

-7

    10

-6

     10

-6

     10

-6

     10

-7

     10

-7

        10

-7

Cette équation est appelé l'équation de l'évolution du tourbillon ou l'équation de tourbillon.

Étant donné  que  f  (10

-4

)  est  typiquement  un  ordre  de  grandeur  plus  grand  que 

ζ

  (10

-5

),  la

divergence se calcule à 10% près par (on peut utiliser 

ζ

 = 

ζ

g

 et u = u

g

 et v = v

g

 sans augmenter

l'ordre de grandeur de l'erreur).

(3.26)

·V

h

 = - 1

f

 

∂ζ

g

t

 + u

g

 

∂ζ

g

x

 + v

g

 

∂ζ

g

y

 + 

β

v

g

 + 

ε

  10%

Cette équation est appelé  l'équation de tourbillon quasi-géostrophique. Une explication

physique détaillée de cette équation se trouve dans le chapitre 4.

Donc, on voit que la seule divergence du vent géostrophique n'est pas suffisante pour calculer la

divergence avec une erreur seulement  de  l'ordre  de  10%.  Ce  fait  est  dû  à  la  faiblesse  de  la

divergence  du  vent  géostrophique  (10

-6

  s

-1

),  qui  selon  les  grandeurs  caractéristiques  de  ces

dérivées 

u

g

/

x et 

v

g

/

y aurait dû être de l'ordre de 10

-5

 s

-1

.

Étant donné que l'erreur des observations du vent, est de l'ordre de 10% et que la divergence

horizontale est de l'ordre seulement de 10% des dérivées composantes, il s'avère impossible de

calculer, d'une façon systématique, la divergence horizontale à partir des observations du vent.

Selon l'équation (3.26), il faudrait disposer d'une série d'observations du champ du vent ou du

géopotentiel afin de calculer la divergence à 10%. La série est nécessaire afin d'évaluer la tendance

background image

3 - 16

locale du tourbillon 

∂ζ

/

t ou du tourbillon géostrophique (

∂ζ

g

/

t). Cependant, une autre stratégie

sera présentée dans le chapitre 4 pour calculer ces tendances à partir des observations à un moment

donné.

3.3 Variation sur le plan vertical du vent horizontal

À cause du fait que le vent horizontal soit essentiellement géostrophique, la variation sur le plan

vertical du vent horizontal peut être mieux comprise si l'on comprend la variation verticale du vent

géostrophique. À une latitude donnée, le vent géostrophique est déterminé par la force horizontale

de pression qui, dans une atmosphère en équilibre approximatif hydrostatique, est déterminée par

la variation horizontale du géopotentiel des surfaces isobares, donc la pente des surfaces isobares

en fonction du géopotentiel tel qu'indiqué dans la figure 3.5. Si la distance  verticale  entre  les

surfaces (l'épaisseur 

z) variait horizontalement (voir encore la figure 3.5) la pente des surfaces

isobariques changerait avec la hauteur.

Φ

Φ

 + 4

∆Φ

0

Φ

 + 3

∆Φ

0

Φ

0

 + 2

Φ

Chaud

Froid

y

Chaud

Chaud

Froid

Froid

Φ

0

 +

∆Φ

Φ

0

p

0

p

0

 + 2

p

p

0

 +

p

p

0

 + 3

p

p

0

 + 4

p

p

0

 + 5

p

p

Φ

-

α

p

V

g

 = 0

V

g la page

entre

V

g la page

sort de

Φ

Φ

0

 +

∆Φ

Φ

0

p

Φ

-

α

p

p

Φ

-

α

p

p

Φ

-

α

p

Φ

0

 +2

Φ

Φ

 +4

∆Φ

0

Φ

 +3

∆Φ

0

-

∇Φ

 = 0 = p

Coupe verticale à travers les surfaces isobares

F i g u r e   3 . 5 :  La variation verticale du vent géostrophique due au gradient horizontal de la température.

background image

3 - 17

Dans la section 2.2 on a noté que l'épaisseur entre deux surfaces isobariques dans une atmosphère

en équilibre hydrostatique ne dépend que de la température dans la couche entre les deux surfaces

(l'équation hypsométrique):

(2.4)

Z = Z

p2

 - Z

p1

  = R

g

T

p

p

2

p

1

 dp

La diminution de l'épaisseur vers les y positifs dans la figure 3.5 indique que l'air est plus froid

dans cette direction comme indiquée dans la figure 3.5.  On voit que les surfaces isobares, qui

étaient penchées du nord au sud dans la basse atmosphère, deviennent penchées du sud au nord

dans  la  haute  atmosphère.    Le  vent  géostrophique  ,  qui  entre  dans  la  page  dans  la  basse

atmosphère, sort de la page dans la haute atmosphère.  On peut donc conclure que la variation

sur  le  plan  vertical  du  vent  géostrophique  (et  donc  du  vent  horizontal)  peut  être

attribuée à la variation horizontale de la température.

Il est très important de noter ici que contrairement à ce qu'on pourrait déduire intuitivement, un

gradient horizontal de température à l'échelle synoptique  ne produit  pas une circulation directe

comme dans la figure 3.6. Dans cette figure on voit l'air chaud se lever et se déplacer vers les

couches froides tandis que l'air froid descend et se déplace vers les couches plus chaudes. L'effet

de  la  force  de  Coriolis  due  à  la  rotation  de  la  terre  empêche  ce  type  de  circulation  de  se

développer. Cependant, aux échelles inférieures à l'échelle synoptique, où les distances sont trop

faibles, il existe des circulations directes qui causent par exemple des brises de mer et de lac.

Le calcul de la variation verticale (avec la pression comme coordonnée verticale) du vent horizontal

se fait à partir de l'équation (3.2).

(3.2)

V

h

 = V

g

 + V

ag

Selon  les  dimensions  caractéristiques  des 

variations 

verticales 

de  chaque  terme,

background image

3 - 18

(3.27)

V

h

p

=

V

g

p

+

V

ag

p

Dimensions

caractéristiques

(m s

1

 Pa

1

)

10

4

      10

-4

    10

-5

Chaud

Froid

y

Z

Z

CHAUD

FR0ID

p

p

p

V

V

p = 0

p

0

p

0

 + 

p

p

0

 + 2

p

p

0

 + 3

p

p

0

 + 4

p

p

Figure 3.6: Exemple d'une circulation directe.

la variation verticale du vent géostrophique représente de l'ordre de 90% de la variation verticale du

vent horizontal. Considérons le vent géostrophique par l'équation (3.1) :

(3.1)

V

g

 = - 1

f

 

p

Φ

 x k = - 

g

f

 

p

Z x k

et compte tenu de la variation verticale (en fonction de p) on trouve que:

(3.28)

V

g

p

 = - 

g

f

 

p

 

Z

p

 x k

background image

3 - 19

Selon l'équation hydrostatique (l'équation (1.26)) et la loi des gaz parfaits (l'équation (1.12)) on

avait trouvé :

(2.3)

z

p

 = - RT

pg

et donc,

(3.29)

V

g

p

 = 

g

f

 

p

  RT

pg

 x k

p

  RT

pg

 =  R

pg

 

p

T

de sorte que

V

p

  

 

V

g

p

 =  R

fp

 

p

T x k

(3.30)

x:  

u

g

p

 =  R

fp

 

T

y

p

y:  

v

g

p

 = -  R

fp

 

T

x

p

L'équation (3.30) peut aussi être inversée afin de calculer le gradient horizontal de la température

(sur une surface isobare) par la variation verticale du vent géostrophique :

(3.31)

p

T = - 

fp

R

 

V

g

p

 x k

En substituant la valeur du vent horizontal par celle du vent géostrophique  on  peut  estimer  le

gradient horizontal de la température à 90% près à partir des observations de la variation verticale

du vent horizontal. Les applications de ces résultats seront présentées dans le chapitre 4.

background image

3 - 20

3.4 Le vent horizontal dans la couche limite

Dans  la  couche  limite  planétaire  où  le  vent  est  influencé  par  le  sol,  on  observe,  à  l'échelle

synoptique, que l'accélération est aussi d'un ordre de grandeur plus petit que les forces de pression

et de Coriolis. Ceci signifie que la force de frottement possède la même dimension que ces deux

forces et qu'elle se dirige de telle façon que la somme des trois forces est petite par rapport aux

forces elles-mêmes.

Paramétrisation du frottement

L'action physique du sol sur l'air enlève une quantité de mouvement à l'air. Donc, la force de

frottement agit à ralentir l'écoulement et se dirige dans le sens contraire à la direction de la vitesse

du  vent  et  sa  grandeur  devrait  être  proportionnelle  à  sa  vitesse.  La  perte  d'une  quantité  de

mouvement de l'air ne se produit pas qu'au niveau du sol. La perte au sol produit un gradient

vertical de la quantité de mouvement horizontal. Lorsque l'écoulement de l'air est turbulent, ce

gradient crée un flux turbulent de quantité de mouvement vers le sol et diminue donc la quantité de

mouvement aux niveaux supérieurs. Donc, bien que la force de frottement agisse près du sol, elle a

aussi un effet au-dessus, parce qu'un flux de la quantité du mouvement horizontal est créé par la

turbulence.

Les observations indiquent qu'en moyenne la couche sur laquelle le frottement du sol a un impact

sur l'écoulement, appelée couche limite planétaire se termine en moyen entre 500m et 1000m

au-dessus le sol. La hauteur de cette couche dépend, en effet, de l'intensité de la turbulence qui

dépend à son tour de la rugosité du sol, de la structure verticale de la température et du vent. La

hauteur peut varier de presque rien à plusieurs kilomètres. Le traitement de ce problème dépasse le

domaine propre de ce cours. Ici, on va supposer que la force de frottement agit dans la direction

contraire au vent et qu'elle est proportionnelle à sa grandeur, soit:

(3.32)

r

h

 = -CV

h

où C, le coefficient de frottement, comprend tous les effets physiques décrits ci-dessus.

Parce que la force de frottement devient nulle au sommet de la couche limite, on supposera aussi

que C est fonction du géopotentiel (ou pression). Une façon de mesurer C empiriquement sera

décrit  ultérieurement  dans  ce  chapitre.  La  paramétrisation  du  frottement  peut  être  faite  plus

background image

3 - 21

précisément  à  l'aide  de  certaines  théories  plus  élaborées  de  la  couche  limite.  Cependant,  la

paramétrisation dont il est question ici n'offre pas trop d'erreurs et elle sert surtout à dégager l'effet

de frottement (un phénomène de la micro-échelle) sur l'échelle synoptique.

On établit le vent horizontal approximatif dans la couche  limite  grâce  à  trois  forces  en  quasi-

équilibre. Deux des trois forces, les forces de Coriolis et de frottement, dépendent directement du

vent horizontal tandis que la force de pression dépend du gradient des isohypses de la surface

isobare. Avec la latitude  (

ϕ

)  et  une  valeur  de  C  donnée,  un  seul  vent  peut  produire  un  état

d'équilibre lequel traverse les isohypses dans le sens des basses géopotentiels. Un exemple est

présenté dans la figure 3.7.

L'équation  du  mouvement  horizontal  pour  la  couche  limite  planétaire,  (l'équation  (1.10)  à

l'horizontale) est

a

h

       =       p

h

   +   c

h

   +   r

h

dV

dt

        =  - 

∇Φ

    - fk

×

V   -   CV

h

Dimensions

(3.33)

caractéristiques

10

-4

10

-3

10

-3

10

-3

m s 

-2

où la force de frottement a été calculée par la méthode décrite ci-dessus. Si on refait l'équation pour

V

h

 et si on calcule les dimensions caractéristiques des termes d'après les valeurs du tableau 1.3, on

trouve ceci:

(3.34)

V

h

= −

f

C

2

+

f

2

p

Φ

 x ˆ 

+

C

f

p

Φ +

C

f

dV

h

dt

+

dV

h

dt

x ˆ 

 
 

 

 

 
 

 

 

Dimensions

caractéristiques

(m s

-1

)

10

1

                        10

1

           10

1

         10

0

            10

0

background image

3 - 22

N, y

E, x

Φ

0

 + 

∆Φ

Φ

0

 + 2

∆Φ

Φ

0

p

h

V

r

r

h

c

h

Plan horizontal:  surface isobare

F i g u r e   3 . 7 :  État d'équilibre horizontal dans la couche limite entre la force de pression 

p

h

, la force de Coriolis

c

h

 et la force de frottement 

r

h

.

On voit encore que le vent horizontal peut être estimé avec une erreur de l'ordre de 10% seulement

en négligeant l'accélération horizontale, soit:

  

V

h

V

r

= −

f

C

2

+

f

2

p

Φ

 x ˆ 

fV

g

6 7 

4  8 

+

C

f

p

Φ

CV

g

 x ˆ 

6 7 8 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ou 

V

h

 

 V

r

 = - 

f

2

C

2

 + f

2

  V

g

 - C

f

  V

g

 x k

(3.35)

  

a)

x:  u

u

r

= −

f

C

2

+

f

2

∂Φ

y

 
 

  

 
 

  

p

fu

g

6 7 

4  8 

+

C

f

∂Φ

x

 
 

 

 
 

 

p

cv

g

6 7 

4  8 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b)

y:  v

v

r

=

f

C

2

+

f

2

∂Φ

x

 
 

 

 
 

 

p

fv

g

6 7 

4  8 

C

f

∂Φ

y

 
 

  

 
 

  

p

cu

g

6 7 

4  8 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dans  l'équation  (3.35)  on  reconnaît  certaines  combinaisons  de  variables  qui  peuvent  être

exprimées en terme de vent géostrophique. Pour un gradient de géopotentiel orienté uniquement

background image

3 - 23

dans la direction des y positifs, tel que décrit dans la figure 3.8 où (

∂Φ

/

x)

p

 = 0, les équations

pour les composantes u

r

 et v

r

 deviennent:

u

r

 = - 

f

C

2

 + f

2

 

∂Φ

y

p

 

 

f

2

C

2

 + f

2

 u

g

(3.36)

v

r

 = - 

C

C

2

 + f

2

 

∂Φ

y

p

 

 

fC

C

2

 + f

2

 u

g

Le rapport v

r

/u

r

 donne la tangente de l'angle (

θ

) (voir figure 3.8) entre le vent et les isohypses,

soit:

(3.37)

tan 

θ

 = 

v

r

u

r

 = C

f

Selon cette équation, pour une latitude donnée, le coefficient de frottement peut être calculé à partir

des observations de la direction du vent par rapport à l'orientation des isohypses des  surfaces

isobares. Comme au sommet de la couche limite planétaire le vent horizontal est de nature quasi-

géostrophique, il souffle par conséquent presque parallèlement aux isohypses. La hauteur de la

couche limite se trouve donc là où le vent devient  quasi-parallèle  aux  isohypses.  La  variation

verticale de C peut aussi être déterminée par le calcul de la variation de l'angle du vent par rapport

aux isohypses.

N, y

E, x

 + 

∆Φ

 + 2

∆Φ

Φ

0

V

r

Plan horizontal:  surface isobare

v

r

u

r

tan 

θ

 = 

v

r

u

r

θ

Φ

0

Φ

0

F i g u r e   3 . 8 :  Angle entre le vent d'équilibre dans la couche limite et les isohypses orientés est-ouest.

background image

3 - 24

TABLEAU 3.1

Valeurs caractéristiques à 10m du coefficient de frottement pour des surfaces différentes et l'effet sur le vent horizontal

(à 45o latitude)

TYPE DE

SURFACE

COEFFICIENT

C   ( 1 0

-4

  S

-1

)

ANGLE

Θ

u

r

  ( m   s

-1

)

v

r

  ( m   s

-1

)

V

r

( m   s

-1

)

Glissant

0

0

10.0

0

10.0

Eau (mer)

0.2

10˚

9.6

1.9

9.8

Terrain plat

0.6

30˚

7.5

4.3

8.6

Terrain accidenté

1.0

45˚

5.0

5.0

7.1

Montagneux

1.7

60˚

2.5

4.3

4.9

Les observations normales du vent de surface sont faites à 10 m. Combinée avec les analyses

normales des isobares au niveau de la mer, la valeur de C à 10 m est disponible à  partir  des

observations synoptiques. Les valeurs caractéristiques pour les différents types de surfaces de la

Terre sont présentées dans le tableau 3.1 et accompagnées de l'effet que ces valeurs exercent sur

un vent de base de 10m s

-1

.

Les mêmes résultats sont présentés sous forme graphique dans la figure 3.9. Au fur et à mesure

que C augmente, le vent tourne de plus en plus vers le bas géopotentiel et diminue en grandeur.

Comme dans la couche limite C diminue avec la hauteur, le vent, à mesure qu'on s'élève dans cette

couche, tourne dans une direction horaire et augmente en grandeur.

N, y

E, x

Φ

0

Φ

0

 - 3

∆Φ

Φ

0

 - 2

∆Φ

(terrain accidenté)

(terrain plat)

(montagneux)

(mer)

V

g

 = 10m  s

-1

Φ

0

 - 

∆Φ

10

o

30

o

45

o

60

o

Plan horizontal:  surface isobare

F i g u r e   3 . 9 :  Effets caractéristiques du frottement dus à des types de surface différents sur la direction et la vitesse du

vent à environ 10 m.

background image

3 - 25

Une telle variation verticale du vent horizontal dans la couche limite est présentée dans la figure

3.10 où on suppose que C diminue linéairement avec la hauteur et que le sommet de la couche

limite est fixé à 500m. En plus on suppose que la force horizontale de pression ne varie pas dans la

verticale et que le paramètre de Coriolis est 10

-4

 s

-1

. Une paramétrisation plus complète de la force

de  frottement  comme  celle  de  la  théorie  d'Ekman,  donne  des  résultats  qualitativement  très

semblables (pour un atmosphère barotrope et neutre).

N, y

10

5

10

5

E, x

Spiral d'Ekman

Sol

m s

-1

s

-1

100m

200m

300m

400m

500m

(10m)

V

g

C = 1 x  10

-4

C = 0.8 x  10

-4

C = 0.6 x  10

-4

C = 0.4 x  10

-4

C = 0.2 x  10

-4

C = 0

F i g u r e   3 . 1 0 :   Variation verticale du vent horizontal dans la couche limite en supposant que C est une fonction

linéaire de l'altitude.

Tourbillon dans la couche limite

L'état de quasi-équilibre étant la condition essentielle du vent dans la couche limite, celui-ci est

déterminé par la force de pression (gradient des isohypses) pour une latitude et un coefficient de

frottement donné. Par analogie avec le tourbillon dans l'atmosphère libre, le tourbillon dans la

couche  limite  devrait  dépendre  aussi  de  la  variation  horizontale  du  gradient  des  isohypses.

Cependant, le vent en équilibre dans la couche limite est plus faible et se situe à gauche du vent

géostrophique,  la  différence  étant  attribuée  au  coefficient  de  frottement.  Si  le  coefficient  de

frottement est constant sur le plan horizontal, le tourbillon horizontal du vent en équilibre dans la

couche limite, doit donc porter le même signe que le tourbillon du vent géostrophique et lui être

inférieur.

background image

3 - 26

Le calcul du tourbillon dans la couche limite se fait à partir de l'équation du vent horizontal :

(3.34)

V

h

 = - 

f

C

2

 + f

2

 

p

Φ

 x k + c

f

 

p

Φ

 + C

f

 

dV

h

dt

 + 

dV

h

dt

 x k

qui se décompose comme suit

x:  u = - 

f

C

2

 + f

2

 

∂Φ

y

p

 + C

f

 

∂Φ

x

p

 + C

f

 du

dt

 + dv

dt

y:  v =  

f

C

2

 + f

2

 

∂Φ

x

p

 - C

f

 

∂Φ

y

p

 - C

f

 dv

dt

 + du

dt

En supposant que C et f soient constants (C

o

 et f

o

) sur le plan horizontal, le tourbillon cherché

devient:

(3.38)

ζ

p

=

v

x

 
 

 

 
 

 

p

u

y

 
 

  

 
 

  

p

=

f

0

C

0

2

+

f

0

2

p

2

Φ −

C

0

f

0

x

dv

dt

 
  

 
  

p

+

v

du

dt

 
  

 
  

 

 

 

 

 

 

 

 +

x

du

dt

 
  

 
  

+

y

dv

dt

 
  

 
  

 

 

 
 

 

 

 

 
 

 

                                                                                                           

Dimension  (s

-1

)

10

-5

10

-6

10

-6

Caractéristique

Si on n'avait pas supposé que C et f étaient uniformes sur le plan horizontal, on aurait généré

d'autres  termes  généralement  de  dimensions  10

-6

  s

-1

  ou  plus  petits.  Selon  les  dimensions

caractéristiques, on trouve que 90% du tourbillon horizontal dans la couche limite est donné par les

premiers termes qui représentent le tourbillon du vent géostrophique multiplié par un facteur, qui

dépend de C et f, et qui est inférieur à l'unité.

(3.39) 

  

ζ

p

≈ ζ

r

=

v

r

x

 
 

 

 
 

 

p

u

r

y

 
 

  

 
 

  

p

=

f

0

C

0

2

+

f

0

2

p

2

Φ

[ ]

=

f

0

2

C

0

2

+

f

0

2

<

1

1 2 

4  3 

ζ

g

background image

3 - 27

Lorsque C disparaît, le tourbillon du vent devient celui du vent géostrophique. Donc, le tourbillon

du vent dans la couche limite est essentiellement le tourbillon  du  vent  à  l'équilibre  dans  cette

couche. Ce tourbillon est toujours inférieur au tourbillon géostrophique par un facteur qui dépend

de C et de f.

Divergence horizontale dans la couche limite

À cause du fait que le vent horizontal dans la couche limite traverse les isohypses vers les bas

géopotentiels,  on  peut  déduire  que  le  vent  horizontal  dans  cette  couche  converge  vers  une

dépression et diverge dans un anticyclone, comme indique la figure 3.11a. En plus, dans la figure

3.11b, on présente une autre distribution des isohypses et du vent qui produira de la convergence

dans la couche limite. Dans ce deuxième cas, la convergence serait produite par la variation de la

composante du vent dans la direction y. Cette variation est due au fait que la grandeur du gradient

de  géopotentiel  diminue  dans  la  direction  y.  En  comparant  ces  deux  distributions  spatiales

d'isohypses dans la figure 3.11a et 3.11b, on remarque  que  la  convergence  peut  se  produire

lorsque 

p

2

Φ

 > 0

 

ce qui veut dire que le tourbillon du vent géostrophique est positif.

En ce qui concerne le calcul de la divergence dans la couche limite qui devrait nous donner des

résultats semblables, on commence par l'équation du vent dans la couche limite (l'équation (3.34))

et on prend la divergence en supposant encore que C et f soient constants:

(3.40)

p

·V

h

 = - 

f

o

C

o

2

 + f

o

2

 

p

·

p

Φ

 x k  + 

C

o

 f

o

 

p

·

p

Φ

 + 

C

o

 f

o

 

p

·

dV

h

dt

 + 

p

·

dV

h

dt

 x k

Les dimensions caractéristiques des termes résultants sont:

(3.41)

p

V

h

= ∂

u

x

 
 

 

 
 

 

p

+ ∂

v

y

 
 

  

 
 

  

p

=

f

0

C

0

2

+

f

0

2

C

0

f

0

p

2

Φ

( )

+

C

0

f

0

x

du

dt

 
 

 

 
 

 +

y

dv

dt

 
 

 

 
 

 

 
 

  

 
 

  +

y

du

dt

 
 

 

 
 

 −

x

dv

dt

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 

 
 

 

 

Dimensions

caractéristiques

(s

1

)

                      10

-5

                             10

-6

                              10

-6

background image

3 - 28

 (a)

A

divergence

divergence

A

D

convergence

Convergence

Dépression 

ζ

g

 > 0

Divergence

Anticyclone 

ζ

g

 < 0

Φ

0

Φ

0

 + 

∆Φ

Φ

1

 + 

∆Φ

Φ

1

 

+

 

2

Φ

Φ

1

Φ

0

 + 2

∆Φ

Plan horizontal:  surface isobare

N, y

E, x

V

h

V

h

Courbure

(b)

Φ

0

 + 

∆Φ

Φ

0

 + 2

∆Φ

Φ

0

 + 3

∆Φ

Φ

0

 + 4

∆Φ

Φ

0

Φ

0

 + 5

∆Φ

Convergence

Cisaillement 

ζ

g

 > 0

Plan horizontal:  surface isobare

N, y

E, x

[Convergence]

V

h

V

h

V

h

V

h

V

h

V

h

V

g

V

g

F i g u r e   3 . 1 1 :   Distribution spatiale des isohypses qui produisent de la divergence dans la couche limite.

background image

3 - 29

Si on avait tenu compte des variations horizontales de C et f on aurait produit encore des termes

d'ordre inférieur à 10

-5

 s

-1

. Donc 90% du calcul de la divergence dans la couche limite vient du

premier terme qui représente la divergence du vent en état d'équilibre.

(3.42)

p

·V

h

 

 

p

·V

r

 = - 

C

o

C

o

2

 + f

o

2

 

p

2

Φ

 = - 

C

o

 f

o

C

o

2

 + f

o

2

 

ζ

g

Comme indiqué ci-dessus, le vent est convergent lorsque le tourbillon d'un vent géostrophique est

positif et, pour un tourbillon géostrophique donné, la divergence est proportionnelle au coefficient

de frottement et du paramètre de Coriolis. Il faut noter que  la divergence dans la couche

limite planétaire est un ordre de grandeur supérieur à la divergence du vent dans

l'atmosphère  libre.  Donc,  elle  peut  être  calculée  à  partir  des  observations.  En  plus,  la

divergence dans la couche limite, contrairement à ce qui se passe dans l'atmosphère libre, peut être

bien calculée approximativement par la divergence du vent en supposant l'état d'équilibre. Ce vent

d'équilibre pour sa part, est déterminé par la force de pression, la force de Coriolis et le coefficient

de frottement. Finalement on peut dire que la divergence dans la couche limite est bien déterminée

par la distribution spatiale de la force de pression (gradient des isohypses).

3.5 Mouvement vertical au sommet de la couche limite

À ce point on est en mesure de comprendre le mouvement vertical au sommet de la couche limite.

Appliquons  l'équation  (2.29)  (répétée  ci-dessous)  qui  indique  que  le  mouvement  vertical  au

sommet de cette couche dépend de l'effet "orographique" plus la divergence dans la couche limite

(voir figure 3.12):

Sommet de la

couche limite

Niveau du sol

Divergence

Convergence

ω

 < 0

ω

 > 0

p

CL

p

CL

F i g u r e   3 . 1 2 :   Le mouvement vertical au sommet de la couche déterminé par la divergence dans la couche limite.

background image

3 - 30

2.29

  

ω

CL

= ω

0

+

u

x

 
 

 

 
 

 

p

+

v

y

 
 

  

 
 

  

p

 

 

 

 

 

 

 

 

dp

p

CL

p

0

10

-1

    10

-1

            10

-5

       10

-5

    10

4

10

-1

4 4 4 4 

4 4 4 4 

                     

Or la  divergence  dans  la  couche  limite  dépend,  selon  les  discussions  précédentes  (l'équation

(3.42)), de la distribution des isohypses (c.-à-d. laplacien), du coefficient de frottement et de la

latitude.

Substituons l'équation (3.42) dans (2.29), on trouve que:

(3.43)

ω

CL

 = 

ω

o

 - 

C

o

f

o

2

 + C

o

2

 

p

2

Φ

 dp 

p

CL

p

o

 

Si on suppose que 

p

2

Φ

 ne varie pas beaucoup dans la couche limite et que C

y varie linéairement,

l'équation (3.43) devient:

(3.44)

ω

CL

 = 

ω

o

 - 

C

o

C

o

2

 + f

o

2

 

p

2

Φ

  p

o

 - p

CL

Donc, en l’absence d'un effet important de l'orographie, on trouve généralement du mouvement

ascendant au sommet de la couche limite où 

p

2

Φ

  ou 

2

p

nm

 > 0 c.-à-d. dans les dépressions,

creux, etc... (voir figure 3.11b). Ce mouvement est induit par un déséquilibre des forces dans le

plan vertical (impossible à mesurer) provoqué par la convergence isobarique. Cette convergence

est produite par le champ du vent essentiellement en équilibre entre 3 forces (pression, Coriolis et

frottement).

Parce qu'on ne peut pas encore calculer, ni généralement bien mesurer la divergence au-dessus de

la  couche  limite,  on  ne  peut  pas  encore  appliquer  l'équation  (2.28)  afin  de  calculer  dans

l'atmosphère  libre.  Cependant,  étant  donné  que  la  divergence  dans  l'atmosphère  libre  n'est

typiquement que de l’ordre de 10

-6

  s

-1

,  il  faut  généralement  une  couche  atmosphérique  assez

épaisse  (

  100  mb)  avant  que  la  divergence  dans  l'atmosphère  libre  modifie  d'une  façon

significative le mouvement vertical généré par la couche limite. Donc, le mouvement vertical dans

la très basse troposphère (1000-850mb) est produit surtout par les effets dans la couche limite, y

compris les effets de l'orographie.

background image

3 - 31