Météorologie - Définition

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

En premier lieu, pour expliquer le mouvement de l'air à l'échelle planétaire, dite synoptique, on se heurte à sept inconnues :

• 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

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.

Couche limite

Les échanges de chaleur, d'humidité et de particules se produisent en plus grand partie dans la mince couche d'air juste au-dessus de la surface terrestre. Nous parlons ici de l'interaction océan-atmosphère, soulèvement orographique, convergence par le relief, zone urbaine versus rurale, etc. La friction est partout présente mais très variable dans cette couche et elle cause de la turbulence ce qui rend très complexe ces échanges. Ceci donne lieu à un paramétrisation de ceux-ci dans le calcul des équations. L'étude de la couche limite est donc un des domaines importants de la recherche en météorologie.

Échelle planétaire

Les échelles précédentes étaient toutes reliés au comportement des systèmes météorologiques de quelques minutes à quelques jours. Il existe cependant des cycles qui durent des mois ou même des années. Ces comportements planétaires sont également régis par les équations primitives atmosphériques sous la forme de développement d'onde, comme les Ondes de Rossby, qui vont se propager dans l'atmosphère et donner des oscillations de résonance. L'étude de l'échelle planétaire est également reliée aux échanges de chaleur et d'humidité entre les Tropiques et les régions polaires.

Un exemple connu de cette échelle est le phénomène El Niño, une anomalie de température de la surface de la mer dans le Pacifique sud qui est relié à un changement des alizés dans cette région et qui revient à des intervalles variables. Moins connus sont l’Oscillation de Madden-Julian, l’Oscillation nord-atlantique et d'autres, qui influencent la trajectoire des dépressions des latitudes moyennes. Cette échelle tend vers celle de la climatologie.

Spécialités

Instrumentation

La météorologie dépend de la collecte de la valeur des variables de l'atmosphère mentionnées précédemment. Les instruments comme le thermomètre et l'anémomètre ont d'abord été utilisé individuellement, puis souvent regroupés dans des stations météorologiques terrestres et maritimes. Ces données ont été d'abord très éparses et prises par des amateurs. Le développement des communications et des transports a forcé les gouvernement de tous les pays à mettre sur pied au sein de leurs services météorologiques des réseaux d'observation et à développer de nouveaux instruments. Dans ces réseaux nationaux les instruments et leur implantation obéissent à des normes sévères, afin de biaiser le moins possible l'initialisation des modèles.

Le développement des ballons à la fin du XIX^e siècle, puis des avions et des fusées aux XX^e siècle a permis de collecter des données en altitude. Finalement, les radars et satellites ont permis depuis la seconde moitié de ce siècle de compléter la couverture à l'ensemble du globe. La recherche continue d'améliorer les instruments et d'en développer de nouveaux.

v · d · m Instruments de mesure météorologique
Surface/en mer	Anémo-cinémographe · Anémomètre · Baromètre et barographe · Bouée météorologique · Capteur de gouttelettes (disdromètre) · Capsule de Vidie · Conimètre · Diffusomètre optique · Évaporomètre · Girouette · Héliographe · Hygromètre · Manche à air · Météorographe · Nivomètre · Nivôse · Pluviomètre/Pluviographe · Pyranomètre · Pyrgéomètre · Thermo-hygrographe · Thermomètre · Thermomètre à minimum et maximum · Transmissiomètre · WFL-26
Aérologique	Altimètre · AMDAR · Ballon-sonde · Catasonde · Célomètre (télémètre de nuage) · Fusée-sonde · Radiosonde
Télédétection	Détecteur de foudre · Lidar · Météocam · Profileur de vents · Radar météorologique · RASS · Réfractomètre hyperfréquence · Satellite météorologique · Sodar
Glossaire de la météorologie

Prévision météorologique

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 XIX^e siècle et du début du XX^e siècle. Elle s’est cependant affirmée depuis la Deuxième Guerre mondiale avec l'entrée en jeu des moyens techniques comme le radar, les communications modernes et le développement des ordinateurs. On retrouve plusieurs domaines d'application des prévisions dont :

Hydrométéorologie	Météorologie aéronautique	Météorologie agricole ou (agrométéorologie)	Météorologie côtière	Météorologie et route
Météorologie forestière	Météorologie maritime	Météorologie militaire	Météorologie des montagnes	Météorologie tropicale
Météorologie et pollution	Prévision des orages violents	Prévision numérique du temps	Prévision des cyclones tropicaux

Technologies de contrôle météorologique

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.

Recherche

Beaucoup reste à faire pour comprendre et paramétriser les phénomènes météorologiques. Comme mentionné antérieurement, les équations qui régissent l'atmosphères sont complexes et les données in situ difficiles à obtenir dans certains cas. Les interactions à méso et micro échelles dans un orage ou un cyclone tropical sont difficilement reproduisibles en laboratoire. Les chercheurs sur des sujets comme la micrométéorologie, la micro-physique des nuages et l'interaction air-mer doivent effectuer un raisonnement de physique fondamentale, puis utiliser des simulations mathématiques qu'ils comparent aux observations par télédétection.