Définitions Observation et mesures en surface en altitude Description aéronautique décollage et...

Définitions Observation et mesures

en surfaceen altitude

Description aéronautiquedécollage et atterrissageaérodrome

Le mouvement horizontalLes forces

pression et Coriolisle frottement

Le vent géostrophiqueéquationavec une carte d ’isobaresapplicationavec une carte d ’isohypsesapplicationmise en mouvementrègles de Buys-Ballot

LE VENTLE VENTInfluence du frottement

évolution du vent dans la couche limiteau voisinage de la dépressionau voisinage de l’anticyclone

Evolution verticale du ventà partir d'une situation moyennedans la troposphèredans la stratosphère

Le vent thermiquedéfinitionrelation vectoriellerésumé

Influence de la courbure : la force centrifuge

trajectoire cycloniquetrajectoire anticycloniqueexemple

Le vent cyclostrophiqueQUITTERQUITTER

2

Premièrediapositive

Définitions Définitions (1/2)(1/2)• Mouvement de l’air par rapport à la surface terrestre

– u composante zonale suivant un parallèle, >0 vers l’est– v composante méridienne, >0 vers le nord géographique– w composante verticale, >0 vers le haut

w << (u,v) à partir de l’échelle synoptique, le mouvement de l’air est résumé, très souvent par la seule composante horizontale qu’on appelle le vent

ECHELLE Composantehorizontale

Composanteverticale

Circ. générale 5 à 50 m/s 1 cm/s

Synoptique 5 à 100 m/s 1 dm/s

Moyenne 1 à 50 m/s 1 m/s

Aérologique 1 à 50 m/s 1 à 10 m/s

Micro-échelle 1 à 100 m/s 1 à 30 m/s

Vent : mouvement horizontal de l'air par rapport à la surface terrestre

3


Définitions Définitions (2/2)(2/2)• direction

– d’où vient le vent par rapport au nord géographique

– exprimée en secteurs ou degrés sur des roses des vents de 4, 8, 16, 18 ou 36 directions

• vitesse (force ou intensité)– exprimée en m/s, kt ou km/h– 1 kt = 1 NM/heure = 1852 m/3600s 0,5 m/s– 1 m/s = 3,6 km/h # 2 kt

rose de 8 directions

N360° NE

045°NO

315°

O270°

E090°

SO225°

SE135°S

180°

Ng50 kt 10 kt

5 kt

300°/65 kt

300°

SO225°

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Vinstantané(0,5s)

Observations et mesures Observations et mesures (1/2)(1/2)

– l’enregistrement continu :• de la vitesse et de la direction instantanées

(calculées sur 0,5s toutes les 0,5s) h = 6 à 10 mh = 6 à 10 m

• En surface– pylône instrumenté

• capteur de direction : la girouette (18 ou 36 directions)

• capteur de vitesse : l’anémomètre (1 tour/seconde = 1m/s)

HH-10’ H-2’

Vmax

Vmin

V10'

V2'

• de la vitesse et de la direction moyennées (calculées sur 2 et 10 mn toutes les mn)

• extrema de vent (direction et vitesse) sur une période de 10 mn réactualisés toutes les minutes

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• En altitude : mesure de l’entraînement d’un objet par le mouvement atmosphérique

– un ballon suivi par radar, par satellite (GPS), par système de navigation (Loran, Oméga…)

– un nuage suivi par satellite

– un aérosol qui réfléchit le rayonnement électromagnétique (le Lidar)

– une signature «turbulente» caractéristique entraînée par le vent (profileurs)

– un aéronef

Observations et mesures Observations et mesures (2/2)(2/2)

VS = VP + VW

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(*) ou à partir d’une discontinuité marquée

Description aéronautique du vent de surface Description aéronautique du vent de surface (1/2)(1/2)• Pour le décollage et l’atterrissage : conditions de vent

relatives à une hauteur de 6 à 10 m le long de la piste (capteurs additionnels)

– direction et vitesse moyennes sur 2 minutes

– extrema de vitesse au cours des 10 dernières minutes (*) lorsque la variation par rapport à la vitesse moyenne est d’au moins 10 kt

– extrema de direction au cours des 10 dernières minutes (*) lorsque la variation totale est supérieure ou égale à 60°

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(*) ou à partir d’une discontinuité marquée

Résumé de la description du vent

Description aéronautique du vent de surface Description aéronautique du vent de surface (2/2)(2/2)• Pour l’ensemble de l’aérodrome : conditions de vent

relatives à une hauteur de 6 à 10 m au-dessus de l’ensemble du réseau de pistes

– direction et vitesse moyennes sur 10 minutes (*)

– maximum de vitesse au cours des 10 dernières minutes (*) lorsque la variation par rapport à la vitesse moyenne est d’au moins 10 kt

– extrema de direction au cours des 10 dernières minutes (*) lorsque la variation totale est supérieure ou égale à 60°

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• Equation du mouvement horizontalLe mouvement horizontalLe mouvement horizontal

-2 Z VH+FH

dVH

dt=

gradHP

-

dVH

dt

gradHP

-FPH =

-2 Z VHFCH =

FH

La force de pression

La force de frottement

L'accélération horizontale

La force de Coriolis

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Les forces Les forces (1/2)(1/2)• La force de pression

• La force de Coriolis

vitesse de rotation de la terre = 7,29.10-5 s-1

latitude– on appelle f = 2. .sin le paramètre de Coriolis

FPH = L

1 P

DD

AA

P

PP

l

gradHP

FPH

gradHP

-FPH =

-2 .sin.(k VH)FCH =

2 .sin .VHFCH =

H

VH

k

FCH(HN)

– perpendiculaire aux isobares– dirigée vers les basses pressions

– perpendiculaire au vecteur vitesse

– dirigée à droite du vecteur vitesse dans l’hémisphère nord

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Les forces Les forces (2/2)(2/2)• La force de frottement

– intervient dans la couche limite de surface (500/1500m)

– négligeable au-dessus de 500/1500m (atmosphère libre)

• L’accélération horizontale

– en première approximation peut être considérée comme négligeable

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Le vent géostrophique : équationLe vent géostrophique : équation• Hypothèses

– mouvement horizontal– pas de frottement (h > 500/1500m)– pas d’accélération (mouvement rectiligne uniforme)

Equilibre entre la force de pression et la force de Coriolis

FPH + FCH = 0

gradHP

- - f(k Vg) = 0 Vg =

1

f(k gradHP)

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P

P+PH

l

Unités– P : Pa– l : m– : kg.m-3

– f : rd.s-1

– Vg : ms-1

Le vent géostrophique : carte d’isobaresLe vent géostrophique : carte d’isobares

– parallèle ou tangent aux isobares– laisse les hautes pressions sur sa droite (HN)

FPH

Vg (HN)

FCH

Vg

Vg = f L

1 P

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Le vent géostrophique : applicationLe vent géostrophique : application

Latitude telle que f=10-4 (latitude tempérée) :

# 1kg/m3

P = 1 à 5 hPa

l = 100 km

Ng

45°N50

0 k

m

1010

1015

Direction : 270°

Intensité :

Vg= 10 à 50 m/s

500

1,2x2x7,29.10-5xsin(45°) 5.105

1Vg=

Vg = 8 m/s

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Le vent géostrophiqueLe vent géostrophique : carte d’isohypses : carte d’isohypses

Z

Z+ZP

l

Unités– Z : mgp– l : m– f : rd.s-1

– Vg : ms-1

– parallèle ou tangent aux isohypses– laisse les hautes valeurs sur sa droite (HN)

gradHP = .9,8.gradPZ (k gradPZ)9,8

f Vg =

Vg (HN)gra

d PZ

k

Vg

9,8

f

Z

lVg =

à donnée Vg est proportionnel à la pente de la surface isobare

Z

l= pente (P)

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Le vent géostrophique : applicationLe vent géostrophique : application

• Latitude telle que f=9,8.10-5 (tempérée)

Ng

45°N20

0 k

m

9160

9100

300 hPa

Vg ( m.s-1) est égal à la pente de la surface isobare (mgp/100km)

Changement d’unités et facteur D

Direction : 090°

Intensité : 60

2x7,29.10-5xsin(45°) 2.105

9,8Vg=

Vg = 30 m/s

Z (mgp)

l (100 km)Vg =

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1- la force horizontale de pression anime la particule

2- la force de Coriolis dévie la trajectoire de la particule

3- l’équilibre est atteint lorsque les deux forces sont égales et opposées

H.N. D

A

P1

P2

P3

Mise en place de l’équilibre géostrophiqueMise en place de l’équilibre géostrophique

FPH

FCH FCH

D

A

P1

P2

P3

FPH

VHVH

D

A

P1

P2

P3

FPH

FCH

Vg

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Règles de Buys BallotRègles de Buys Ballot

• le vent géostrophique est une bonne

approximation du vent réel– hors de la couche de frottement

– pour des latitudes supérieures à 20°

– pour des trajectoires rectilignes H.N.

H

B

Z1

Z2

Z3

Z1<Z2<Z3

• en atmosphère libre

- laisse les hautes valeurs sur sa droite dans l’hémisphère Nord (gauche pour l’H.S.)

- est d’intensité inversement proportionnelle à l’écartement des isohypses (ou isobares)

- le vent est aux isohypses (ou isobares)

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Influence du frottementInfluence du frottement

chF

D

A

P

Continents OcéansV réel 50% Vg 70% Vg

déviation 30° 10°

FPH + FCH + FfH = 0 V'H

FPH

- FPHFCH

FfH

Vg

V'H

HN

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Evolution du vent dans la couche limite Evolution du vent dans la couche limite atmosphériqueatmosphérique

Atmosphère libre

CLA

surface

500/1500 m

isobare

isobare

H.N.

gV

entre 50 et 500 m le vent se renforce avec la hauteur et tourne dans le sens des aiguilles d'une montre (HN)

V500

V400

V300

V200

V50

V100

V50V25V10

entre 0 et 50 m le vent se renforce avec la hauteur sans trop de rotation

20


D

z

ASCENDANCE

CIRCULATION CYCLONIQUE en surface CONVERGENCE

FABRICATION NUAGEUSE

Influence du frottementInfluence du frottement• Conséquence sur le mouvement vertical (1/2)

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A

z

CIRCULATION ANTICYCLONIQUE en surface DIVERGENCE

SUBSIDENCE

DILUTION NUAGEUSE

Influence du frottementInfluence du frottement• Conséquence sur le mouvement vertical (2/2)

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• Le vent géostrophique est lié à la pente des surfaces isobares (application à partir d’une répartition moyenne)

Z

P Pôle Nord Equateur

P* (pente maxi)

P1

P2

P3

P4

Equateur

tropo

Pôle

tropo

Z

tDeux sondages effectués vers le pôle et vers l’équateur

Vent max

Evolution du vent le long de la verticale Evolution du vent le long de la verticale (1/3)(1/3)

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Dans la troposphère les vents d’Ouest augmentent avec l’altitudeles vents d'Est diminue avec l'altitude

Evolution du vent le long de la verticale Evolution du vent le long de la verticale (2/3)(2/3)• Application à partir d’une répartition moyenne

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Evolution du vent le long de la verticale Evolution du vent le long de la verticale (3/3)(3/3)• Application à partir d’une répartition moyenne

Dans la stratosphère les vents d’ouest diminuent avec l’altitudeles vents d'Est augmentent avec l'altitude

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Le vent thermique Le vent thermique (1/3)(1/3)• Définition : différence entre le vent géostrophique à un

niveau supérieur et le vent géostrophique à un niveau inférieur

VT = Vgsup - Vginf

Structure moyenne en température entre Pinf et PsupPsup

L

isohypse

H

Pinf

LH.N.isohypse

H

Vgsup

Vgsup

Vginf

VginfAir froid

Air chaudVT = Vgsup - Vginf

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Le vent thermique Le vent thermique (2/3)(2/3)• Relation vectorielle

Or Zsup-Zinf = E = K.Tm

avec K=67,445.log(Pinf/Psup)

(k gradPinfZ)9,8

fVginf =

(k gradPsupZ)9,8

fVgsup =

(k grad(Zsup - Zinf))9,8

fVgsup - Vginf =

(k gradE)9,8

fVt = (k gradTm)

9,8.K

f=

H.N.Pinf

Psup

Tm+Tm

E+E

Tm

E E

E+EkVT

gradTm

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Le vent thermique Le vent thermique (3/3)(3/3)• Résumé

Tm+Tm

E+E

Tm

E

kVT

gradTm [gradE]

- parallèle ou tangent aux isothermes moyennes (ou isoépaisseurs)

- laisse les hautes valeurs sur sa droite (HN)Unités– E : mgp– l : m– f : rd.s-1

– Vg : ms-1

VT

VT = f L

1 E

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Influence de la courbure Influence de la courbure (le vent du gradient 1/4)(le vent du gradient 1/4)

• Trajectoire courbe accélération normale à la trajectoire, pas d'accélération tangentielle

- perpendiculaire à V

- vers l’extérieur de la trajectoire

- Fcent = V2/Rtraj

Rtraj = rayon de courbure de la trajectoire

dt

dVH

dt

dVH= ( )N# 0

dt

dVH= ( )N FPH + FCH FPH + FCH + Fcent = 0

Force centrifuge Fcent

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Influence de la courbure Influence de la courbure (le vent du gradient 2/4)(le vent du gradient 2/4)• trajectoire cyclonique

Le vent ("du gradient") est inférieur au vent géostrophique

HN

DRtrajFPH

FCH

Fcent

VgV

FCH + Fcent = FPH

f.V + = f.Vg

V2

Rtraj

V - Vg = - < 0V2

f.Rtraj

30


Influence de la courbure Influence de la courbure (le vent du gradient 3/4)(le vent du gradient 3/4)• trajectoire anticyclonique

Le vent ("du gradient") est supérieur au vent géostrophique

HN

ARtraj

FPH + Fcent = FCH

f.Vg + = f.VV2

Rtraj

Vg - V = - < 0V2

f.Rtraj

FPH

FCH

Fcent Vg V

31


Influence de la courbure Influence de la courbure (le vent du gradient 4/4)(le vent du gradient 4/4)

• Exemple1 : connaissance de Vg et de R rayon de courbure de l’isohypse

– on assimile la correction de courbure :

latitude telle que f=10-4

Vg calculé sur la carte : 20 ms-1

R isohypse mesuré : 1000 km

Correction de courbure C

trajectoire cyclonique V = 20 - 4 = 16 ms-1

trajectoire anticyclonique V = 20 + 4 = 24 ms-1

f.Rtraj

V2

f.Risohypse

V2g

à

f.Risohypse

V2g

C = = = 4 m/s103.106

202

• Exemple2 : connaissance de V et de R rayon de courbure de la trajectoire

– calcul direct de la correction pour retrouver le vent géostrophiquef.Rtraj

V2

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Autres ventsAutres vents• Le vent cyclostrophique : mouvement cyclonique de petite

échelle à proximité de l’équateur (latitude faible mais non nulle)– force de Coriolis négligeable– équilibre entre la force de pression et la force centrifuge

FPH + Fcent = 0 FPH = Fcent

f.Vg =V2

Rtraj

V = (f.Rtraj.V2g)½

LE VENTLE VENT

FINFINPremièrediapositive

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