Le Vent - Part 1

Préambule

Cet article a pour objectif de décrire le vent et ses implications dans la météo. Il est issu de plusieurs source d'information entre Wikipedia et différents cours de météo que j'ai eu l'occasion de suivre. Il est d'autre part le premier d'une série étant donné que le sujet est vaste et couvre des thématiques diverses. Nous commencerons aujourd'hui par quelques définitions et des notions de base sur le vent et ses origines.

Définition

Le vent est le mouvement au sein d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète, d'une partie de ce gaz. Les vents sont globalement provoqués par un réchauffement inégalement réparti à la surface de la planète provenant du rayonnement stellaire (énergie solaire), et par la rotation de la planète. Sur Terre, ce déplacement est essentiel à l'explication de tous les phénomènes météorologiques. Le vent est mécaniquement décrit par les lois de la dynamique des fluides, comme les courants marins. Il existe une inter-dépendance entre ces deux circulations de fluides.

Les vents sont généralement classifiés selon leur ampleur spatiale, leur vitesse (ex : échelle de Beaufort), leur localisation géographique, le type de force qui les produit et leurs effets. La vitesse du vent est mesurée avec un anémomètre mais peut être estimée par une manche à air, un drapeau, etc. Les vents les plus violents actuellement connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne.

Le vent est l'acteur principal de l'oxygénation des océans ainsi que des lacs de haute montagne, par agitation de leurs surfaces. Il permet le déplacement de nombreux agents organiques et minéraux et d'expliquer la formation de certaines roches sédimentaires (ex: Lœss). Il influence le déplacement des populations d’insectes volants, la migration des oiseaux, il façonne la forme des plantes et participe à la reproduction de certains végétaux. L'érosion éolienneparticipe parfois à la morphologie du relief local (ex: congère de neige, dunes). Le vent a inspiré dans les civilisations humaines de nombreuses mythologies ayant influencé le sens de l’histoire. Il a influé sur les transports, voire lesguerres, mais également fourni des sources d’énergie pour le travail purement mécanique (ex: moulins à vent, éoliennes) et pour l’électricité. Il influe même sur les loisirs.

Le vent fait le plus souvent référence aux mouvements de l’air dans l'atmosphère terrestre. Par extension, le mouvement de gaz ou de particules polarisées allant du Soleil vers l’espace extérieur est appelé vent solaire et l’échappement gazeux de particules légères d’une atmosphère planétaire vers l’espace est nommé le vent planétaire.

En résumé :

• Le vent est le mouvement naturel de l‘air atmosphérique. 
• Il se rapporte en général à un mouvement horizontal de l‘air près de la  surface terrestre ou en altitude.
• Le mouvement de l‘air est rarement régulier. Le plus souvent, il est turbulent  avec des tourbillons de formes et de dimensions variés qui se développent dans l‘air et perturbent son écoulement.

L'échelle de Beaufort

L'échelle de Beaufort est une échelle de mesure empirique, comportant 13 degrés (de 0 à 12), de la vitesse moyenne du vent sur une durée de dix minutes utilisée dans les milieux maritimes. Initialement, le degré Beaufort correspond à un état de la mer associé à une « fourchette » de la vitesse moyenne du vent. Même si, de nos jours, cette vitesse peut être mesurée avec une bonne précision à l'aide d'un anémomètre, il reste commode, en mer, d'estimer cette vitesse par la seule observation des effets du vent sur la surface de la mer.

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 ».

D'autres critères y furent adjoints pour étendre son application à terre. Bien que très employée, l'expression « un vent de 4 beaufort avec des rafales à 6 » est incorrecte. En effet, l'échelle de Beaufort est strictement réservée au vent moyen. De plus, les effets d'une rafale sont nettement différents d'un vent moyen pour une même vitesse de vent. Le symbole de l'échelle de Beaufort est le bf.

En France, à partir de force 7, les conditions météo sont jugées sérieuses, en particulier pour les embarcations côtières. C'est pourquoi le Centre régional opérationnel de surveillance et de sauvetage (CROSS) émet un Bulletin météorologique spécial (BMS sur les sites de prévisions) sur la VHF pour alerter les marins.

Mesure

Le vent peut-être considéré comme un vecteur défini par deux grandeurs :

• La vitesse
• La direction

La vitesse est exprimée soit:

• En nœuds kt

• En mètres par seconde m/s

• En kilomètre par heure km/h

• Echelle Beaufort (marine) Bf

Conversion

Afin de s'y retrouver rapidement, il est important de maîtriser les différentes unités de mesure du vent.

La table suivante apporte un certain nombre d'éléments de conversion afin de facilement passer d'une mesure à l'autre et de comprendre les correspondances entre celles-ci.

m.s-1 en Knots :

• 1 m/s = 3.6 km/h
• Kt = m/s x 1,852
• On peut considérer la mesure suivante en approximation : Kt = m/s x 2 

Exemple :

• 14 kt = 7 x 2
• 1 kt = 0.514 m/s

Knots en km.h-1

• km/h = kt x 2 – 10%

Exemple :

• 36 km/h = 20 x 2 -10%
• 36 km/h = 40 – 4 

Représentation synoptique

Le vent est représenter par une symbolique appropriée sur les cartes météo. Le symbole se présente sous la forme d'une barbule (barre orientée dans le sens du vent avec des coches plus ou moins nombreuses selon sa force) :

Le schéma suivant donne une description détaillée de la symbolique associée au vent :

La direction du vent du vent est la direction d’où vient le vent par rapport au Nord Géographique (VRAI).

Le vent est mesuré à 10 mètres du sol sur une moyenne des 10 dernières minutes. La mesure se fait au moyen d'un instrument spécialisé : l'anémomètre.

Il y a trois principaux types d’anémomètres :

• L’anémomètre rotatif

• L’anémomètre à pression

• L’anémomètre à ultrasons

Principale cause du vent

C’est les différences de pression qui sont à l’origine du vent. Pour rétablir l’équilibre, l’air s’écoule en théorie des hautes vers les basses pression.

Gradient de pression

Pour rétablir l’équilibre, l’air s’écoule en théorie des hautes vers les basses pressions (terre immobile). La force du vent dépend des différences de pression barométrique (gradient de pression). Plus les

isobares sont proches, plus le vent est fort.

• Cas de vent faible : isobares éloignées

• Cas de vent fort : isobares rapprochées

Plus en détail, on distingue le vent géostrophique du gradient de vent. La différence entre les deux tient essentiellement à la prise en compte de la force de Corriolis.

Vent du gradient

Le vent du gradient est un vent théorique résultant de l'équilibre entre la force horizontale de pression, la force de Coriolis et la force centrifuge due à la courbure de la trajectoire de l'air. Il s'agit d'une approximation de la vitesse réelle du vent dans l'atmosphère libre au-dessus de la couche limite qui ne tient pas compte de la friction.

Son calcul est légèrement plus complexe que celui du vent géostrophique. On peut calculer la valeur du vent du gradient () ainsi :

Où R est le rayon de courbure des isohypses, f est le facteur de Coriolis, g l'accélération terrestre, la variation de la hauteur d'une surface de pression constante dans la direction perpendiculaire au vent et dirigée vers les plus basses hauteurs (à gauche dans l’hémisphère nord et à droite dans celui du sud).

Comme R > 0 dans une circulation cyclonique, le vent du gradient sera plus faible qu'estimé par le vent géostrophique autour d'une dépression et plus près de la réalité. Inversement, R < 0 pour une circulation anticyclonique ce qui fait que le vent géostrophique sous-estime le vent réel autour d'un anticyclone ou d'une crête barométrique.(Source wikipedia.org)

Vent géostrophique

Le vent géostrophique se définit comme le vent qui résulterait de l'équilibre géostrophique entre la force de Coriolis et la force du gradient de pression atmosphérique agissant sur une parcelle d'air. Ce vent soufflerait parallèlement auxisobares dans l'atmosphère. La plus grande partie de l'écoulement atmosphérique, au-dessus de la couche limite en dehors des tropiques, est proche de l'équilibre géostrophique, ce qui en fait une approximation communément utilisée en météorologie. Toutefois, cet équilibre est rarement exact, en raison d'autres forces qui agissent sur le vent comme la friction (près du sol) ou la force centrifuge dans un écoulement courbé. 

Supposons un moment que nous arrêtions complètement le mouvement de l'air dans l'atmosphère relativement à la surface de la planète, et que nous le laissions ensuite recommencer à partir du repos. La force du gradient de pression pousse l'air à se mouvoir des régions de haute pression vers les régions de basse pression. Toutefois, dès que le mouvement s'amorce, la force de Coriolis le fait dévier, vers la droite dans l'hémisphère nord, et vers la gauche dans l'hémisphère sud. Plus la vitesse de l'air augmente, plus la force de Coriolis augmente en proportion, accentuant la déviation. Finalement la force de Coriolis atteint une valeur égale et opposée à celle de la force du gradient de pression, produisant ainsi un écoulement d'une vitesse constante (sans accélération), parallèle aux isobares. C'est ce qu'on appelle l'équilibre géostrophique. En pratique, l'écoulement en dehors des tropiques est presque toujours en quasi-équilibre géostrophique.

En l'absence d'observations de vent, les météorologues peuvent estimer la force du vent en un point donné en mesurant, sur une carte d'analyse météorologique, le gradient de pression et la latitude. L'approximation géostrophique est purement diagnostique. Elle n'a pas de valeur prédictive car son équation ne contient aucun terme de changement.

Dans les tropiques, où la force de Coriolis est de plus en plus faible jusqu'à être nulle à l'équateur, ce sont d'autres forces, comme la force centrifuge, qui viennent équilibrer la force de gradient de pression.

On néglige l'effet de la friction, ce qui est permis à une très bonne approximation à l'échelle synoptique dans l'atmosphère libre aux latitudes moyennes. On néglige aussi la composante agéostrophique décrite plus haut.

Le vent agéostrophique est la composante du vent total qui diffère de l'équilibre géostrophique.

Les composantes agéostrophiques du vent à l'échelle synoptique sont relativement petites, et peuvent être négligées en première approximation dans un contexte diagnostique. Toutefois elles sont cruciales dans l'évolution future de l'écoulement car elles dénotent la présence de forçages qui créent de la convergence ou de la divergence dans l'écoulement, produisant ainsi le mouvement vertical à l'origine de plusieurs phénomènes météorologiques, dont les dépressions des latitudes moyennes.

Près de la surface, l'effet de la friction entre l'air et la surface perturbe l'équilibre géostrophique. La friction ralentit l'écoulement, réduisant ainsi la force de Coriolis. Dans ce nouvel équilibre à trois forces, l'effet de la force de Coriolis n'est plus suffisant pour forcer l'écoulement à être parallèle aux isobares et une partie du mouvement résultant s'aligne vers la zone de basse pression. Ainsi, près de la surface, l'écoulement horizontal prend la forme d'une spirale convergente vers le centre des dépressions et divergente du centre des anticyclones.

On peut obtenir le vent géostrophique des équations primitives atmosphériques en utilisant l'approximation géostrophique :

Où g est l'accélération gravitationnelle (9.81 m.s-2), f est le paramètre de Coriolis (variable avec la latitude), et Z est la hauteur géopotentielle. La validité de cette approximation dépend du nombre de Rossby à l'endroit où on veut l'appliquer. Elle est invalide à l'équateur car f y est égal à zéro. On évite généralement d'utiliser cette approximation dans les tropiques.

D'autres variantes de cette équation existent, par exemple en utilisant le champ de pression au lieu de Z. Dans ce cas, l'expression est un peu plus complexe.

(Source wikipedia.org)