définitions observation et mesures en surface en altitude description aéronautique décollage et...
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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
Premièrediapositive
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°
4
Premièrediapositive
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
5
Premièrediapositive
• 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
6
Premièrediapositive
(*) 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°
7
Premièrediapositive
(*) 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°
8
Premièrediapositive
• 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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Premièrediapositive
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
10
Premièrediapositive
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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Premièrediapositive
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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Premièrediapositive
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
13
Premièrediapositive
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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Premièrediapositive
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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Premièrediapositive
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 =
16
Premièrediapositive
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
17
Premièrediapositive
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)
18
Premièrediapositive
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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Premièrediapositive
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
Premièrediapositive
D
z
ASCENDANCE
CIRCULATION CYCLONIQUE en surface CONVERGENCE
FABRICATION NUAGEUSE
Influence du frottementInfluence du frottement• Conséquence sur le mouvement vertical (1/2)
21
Premièrediapositive
A
z
CIRCULATION ANTICYCLONIQUE en surface DIVERGENCE
SUBSIDENCE
DILUTION NUAGEUSE
Influence du frottementInfluence du frottement• Conséquence sur le mouvement vertical (2/2)
22
Premièrediapositive
• 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)
23
Premièrediapositive
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
24
Premièrediapositive
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
25
Premièrediapositive
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
26
Premièrediapositive
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
27
Premièrediapositive
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
28
Premièrediapositive
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
29
Premièrediapositive
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
Premièrediapositive
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
Premièrediapositive
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
32
Premièrediapositive
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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