Météorologie

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Météorologie

La météorologie est la science qui étudie l'atmosphère et les phénomènes atmosphériques à l'aide de données sur la température, l'HUMIDITÉ, les NUAGES, le VENT, etc. Elle a pour but principal d'expliquer la structure et la dynamique de l'atmosphère en se basant sur les lois fondamentales de la PHYSIQUE. Ses trois grandes divisions théoriques sont la météorologie physique et la météorologie dynamique (très rapprochées et souvent associées sous l'appellation de physique atmosphérique) ainsi que la météorologie synoptique. La CLIMATOLOGIE est la branche de la météorologie touchant plus spécifiquement le TEMPS, le CLIMAT et les changements climatiques (voir CLIMAT, CHANGEMENT DE).

Météorologie physique

La météorologie physique fait à la fois appel à la météorologie et à la physique pour l'étude de trois sujets fondamentaux : les rayonnements électromagnétiques, la thermodynamique météorologique et la physique des nuages. La physique de la stratosphère, l'électricité atmosphérique, l'optique et l'ACOUSTIQUE sont des domaines connexes.

Rayonnement
La Terre reçoit le rayonnement solaire surtout sous forme de lumière visible et presque infrarouge. De 30 à 35 p. 100 de ces radiations sont réfléchies vers l'espace par les nuages et la surface de la Terre. Toutefois, la plupart sont absorbées par la surface terrestre et émises à nouveau sous forme de rayonnement infrarouge, lui-même absorbé par l'eau, le dioxyde de carbone (CO²) et les polluants atmosphériques. À long terme, ces infrarouges émis dans l'espace équilibrent le rayonnement solaire reçu par la Terre et l'atmosphère. Cependant, des déséquilibres temporaires, comme, au Canada, le surplus de rayonnement solaire en été et le déficit en hiver, causent d'importantes variations saisonnières de température, sauf aux endroits qui profitent de l'effet modérateur des océans. Les processus de transferts radiatifs ont donc une importance capitale dans l'élaboration des modèles numériques conçus pour les PRÉVISIONS MÉTÉOROLOGIQUES et les changements climatiques. Les satellites, les avions ainsi que les instruments de mesure en surface utilisent aussi le rayonnement pour la TÉLÉDÉTECTION des éléments climatiques.

Thermodynamique météorologique

La thermodynamique météorologique considère l'air comme un mélange d'air sec et de vapeur d'eau, chacun de ces éléments étant caractérisé par sa température, sa pression et sa densité, dont la relation est régie par une équation d'état. Ainsi, les variations de température occasionnent des changements de pression, qui eux-mêmes créent les vents. Un refroidissement local cause une condensation et un dégagement de chaleur latente. Ces interactions complexes entre les variables d'état, les nuages, le vent et le rayonnement sont étudiées à l'aide des lois de la thermodynamique et de simulations numériques.

Physique des nuages

La physique des nuages étudie les particules qui forment les nuages et les précipitations de même que les processus physiques qui se déroulent dans les nuages naturels et artificiels. La vapeur d'eau se condense sur de minuscules particules hygroscopiques, appelées noyaux de condensation, et forme des gouttelettes d'eau qui constituent les nuages et le BROUILLARD. Si la température reste très en dessous du point de congélation, la vapeur d'eau se condense sur des particules minérales et sur d'autres noyaux de condensation pour former des nuages de cristaux de glace. Dans des conditions favorables, gouttelettes et cristaux deviennent gouttes de pluie et flocons de neige ou même grêlons par suite de collision, de fusion et de transfert de vapeur d'eau entre gouttelettes et cristaux dans un nuage mixte (voir GLACE). Depuis 1950, on poursuit au Canada de nombreuses expériences scientifiques sur les modifications des nuages, du brouillard et des précipitations afin d'accroître la pluviosité, d'éliminer la GRÊLE, d'améliorer la visibilité et de combattre les feux de forêts; ces expériences ont donné des résultats variables (voir PLUIE, PRODUCTION ARTIFICIELLE DE LA).

La stratosphère (haute atmosphère) impose des contraintes thermodynamiques aux déplacements d'air dans la couche sous-jacente, la troposphère dans laquelle les systèmes météorologiques se déplacent. Elle sert aussi de réservoir aux gaz et aux fines particules qui influent sur le bilan radiatif. La FOUDRE, l'ionisation et le courant air-Terre sont des éléments de l'électricité atmosphérique. On croit aussi que les phénomènes électriques jouent un rôle majeur dans la physique des nuages et des précipitations. L'optique et l'acoustique atmosphériques étudient la transmission, la réflexion, la réfraction et la diffraction de la lumière et du son. Les résultats de ces études sont appliqués à des phénomènes comme les ARCS-EN-CIEL, les mirages, la scintillation, le bruit du vent et l'écho, mais également à l'utilisation de la lumière ou du son pour la télédétection, comme le RADAR laser ou acoustique, à la photographie de nuages et à l'anémomètre-thermomètre acoustique.

K.D. HAGE

Météorologie dynamique

La météorologie dynamique est la science des mouvements atmosphériques. Une multitude de phénomènes sont accompagnés de déplacements d'air, car l'atmosphère terrestre est un système physique complexe soumis à des influences externes, comme le réchauffement ou le refroidissement par les masses que sont la Terre et les océans. Le plus important de ces phénomènes reste le courant d'ouest qui ceinture la Terre aux latitudes moyennes. Habituellement, les vents associés à ce courant sont perturbés et ondulent vers le sud et vers le nord. Le coeur de ce courant sinueux est le courant-jet, qui se situe normalement de 10 à 12 km au-dessus du niveau de la mer, et dont les vents peuvent dépasser 300 km/h. Plusieurs facteurs influencent sa structure sinueuse : la déflexion sur les hautes montagnes des Rocheuses, le réchauffement ou le refroidissement par la surface sous-jacente ou des vortex en mouvement, dont le diamètre peut atteindre quelques milliers de kilomètres. On peut considérer les vortex comme des circulations dans les sens horaire ou antihoraire surperposés aux principaux vents d'ouest et obligeant ces derniers à les contourner. Certains, immenses, peuvent d'ailleurs demeurer presque stationnaires pendant plusieurs jours; les plus petits et plus faibles vortex, par contre, sont vite balayés par le courant-jet. Il existe donc entre le courant-jet et les vortex un jeu complexe d'effets réciproques dont la nature est déterminée par la force et la configuration de chacun.

Près de la surface terrestre, les vortex dominent la circulation, le courant-jet s'affaiblissant à basse altitude. Ce sont ces systèmes qu'on peut voir sur les cartes météorologiques de surface sur lesquelles figurent les isobares, lignes reliant les points d'égale pression atmosphérique. Dans l'hémisphère Nord, les vortex qui se forment dans le sens horaire ont une pression centrale élevée (anticyclones), tandis que ceux formés en sens contraire ont une faible pression centrale (cyclones); dans l'hémisphère Sud, on observe exactement l'inverse. Les basses pressions sont généralement associées aux nuages et souvent aux précipitations, tandis que les hautes pressions sont normalement accompagnées d'un ciel dégagé. L'ouragan ou typhon, l'une des tempêtes les plus intenses et redoutées, est moins fréquent que les dépressions classiques mais beaucoup plus violent. Il ne se produit normalement qu'en zone tropicale et en zone subtropicale, et couvre de 100 à 1000 km. L'ORAGE est beaucoup plus modeste : sa dimension typique est de 5 à 10 km; par contre, la TORNADE, dont le diamètre n'est habituellement que de quelques centaines de mètres, est extrêmement destructrice et ses vents peuvent atteindre 450 km/h.

La météorologie dynamique se base sur les lois de l'hydrodynamique et de la thermodynamique pour étudier différents types de mouvements atmosphériques. L'hydrodynamique explique comment une force, comme la gravité, qui agit sur une parcelle d'air, peut affecter sa vélocité; la thermodynamique donne des informations sur les changements de température qui surviennent lorsqu'on ajoute ou enlève de la chaleur à l'air. Imaginons, pour mieux visualiser ce mécanisme, que l'atmosphère est subdivisée en un grand nombre de volumes (cubes ou formes semblables). Si toutes les forces agissant sur ces volumes de même que la vélocité de l'air est connue, il est possible d'évaluer le déplacement de l'air sur une certaine période de temps. En outre, si à un moment précis, on connaît la température d'un certain volume et s'il est possible de déterminer la quantité de chaleur qui y entre et en sort, il est également possible de calculer quelle sera la température dans ce volume quelques instants plus tard. Cette méthode sert à effectuer les prévisions météorologiques par simulation numérique. Les calculs sont plus précis dans le cas de petits volumes. Ainsi, les prévisions pour de grandes régions, comme les continents ou les hémisphères, nécessitent l'utilisation d'ordinateurs très puissants.

JACQUES DEROME

Météorologie synoptique

La météorologie synoptique consiste à analyser des données météorologiques, recueillies plus ou moins simultanément à l'intérieur d'une vaste région géographique afin de présenter un portrait global et quasi instantané de l'état de l'atmosphère. Souvent, les données seront recueillies sur une longue période de temps pour permettre l'étude de l'évolution des systèmes météorologiques. La météorologie synoptique est étroitement liée aux météorologies physique et dynamique et à la climatologie générale, et peut même être considérée comme leur synthèse. Les phénomènes qui intéressent le météorologue synoptique se produisent à diverses échelles spatiales et temporelles. En effet, les principaux systèmes de circulation hémisphérique des couches moyennes et supérieures de la troposphère (basse atmosphère), y compris les courants-jets, s'étendent habituellement sur au moins 10 000 km et peuvent durer des semaines ou même des mois. Ces importants systèmes interagissent avec les phénomènes à plus petite échelle, comme les cyclones et les anticyclones, et tendent à les dominer.

Les cyclones sont des vortex dont la pression centrale est relativement basse. À la surface de la Terre, l'air tend à former une spirale vers l'intérieur (ou centre) du cyclone, où il est forcé de s'élever. Durant son ascension, l'air est refroidi par expansion adiabatique (c'est-à-dire une expansion sans ajout de chaleur), au rythme d'environ 1°C par 100 m. Conséquemment, une partie de la vapeur d'eau se condense et forme des gouttelettes. Si le taux d'humidité et le niveau d'ascension de l'air sont suffisants, il y aura précipitations. Au contraire, les anticyclones ont une pression centrale assez élevée. Non loin de la surface terrestre, l'air s'écarte en spirale du centre de haute pression. L'air subit habituellement un mouvement descendant dans la zone centrale, provoquant la dispersion des nuages. C'est pourquoi l'anticyclone entraîne généralement du beau temps.

Les cyclones et anticyclones, qui se produisent à des latitudes moyennes, sont parmi les principaux vecteurs de redistribution de la chaleur et de l'humidité dans l'atmosphère. L'apport de chaleur par le Soleil dans les régions équatoriales, d'une part, et le refroidissement dans les régions polaires, d'autre part, créent d'importants gradients thermiques horizontaux. Ces gradients sont des sources d'énergie potentielle qui, si les conditions sont favorables, peut être convertie en énergie cinétique. Il est aujourd'hui pratiquement admis que les cyclones se forment pour accomplir cette conversion énergétique.

Durant la cyclogenèse (processus de formation), une zone de vent cyclonique est formée : il y a donc augmentation de l'énergie cinétique. Ce phénomène se produit aux dépens du gradient de température : il y a donc diminution de l'énergie potentielle. Simultanément, l'énergie cinétique est également supprimée par la friction et autres phénomènes dissipatifs de l'atmosphère.

Les prévisions météorologiques font appel à la météorologie synoptique pour suivre la formation et l'évolution des cyclones et des anticyclones ainsi que de plusieurs autres structures semblables, comme les masses d'air et les fronts, qui marquent la ligne de rencontre entre deux masses d'air. Le météorologue utilise pour ce travail des modèles atmosphériques mathématiques qu'il exécute sur de puissants ordinateurs. La météorologie moderne est née de ce mariage entre la science des météorologues et les ordinateurs.

M.E. TRUEMAN

Météorologie au Canada

Au Canada, le service météorologique national relève du ministère de l'Environnement fédéral. Le ministère recueille les données provenant de partout dans le monde, analyse les informations, élabore des prévisions météorologiques et les diffuse auprès du grand public ainsi qu'aux industries dont les activités sont tributaires du temps. Environnement Canada effectue aussi des recherches sur l'atmosphère. Ses scientifiques étudient le smog, les changements climatiques (voir CLIMAT, CHANGEMENT DE), le RÉCHAUFFEMENT PLANÉTAIRE, les PLUIES ACIDES, les substances toxiques dans l'air, la COUCHE D'OZONE et les prévisions météorologiques à long terme.

Historique

Tout cela est bien loin des quatre postes d'observation météorologique établis à l'époque de la Confédération, en 1867. C'est à George Kingston que revient le crédit d'avoir fondé le Service météorologique national au moment où il était directeur du Toronto Observatory à l'Université de Toronto. À cette époque, Kingston cherche à convaincre le gouvernement de créer un service météorologique national visant à coordonner et à établir des normes pour recueillir les données et émettre des avertissements météorologiques. Finalement, en 1871, le ministère de la Marine et des Pêcheries du gouvernement fédéral lui accorde 5000 $ pour instaurer un service météorologique au Canada, qui comprend alors la Colombie-Britannique, le Manitoba, l'Ontario, le Québec, le Nouveau-Brunswick et la Nouvelle-Écosse.

C'est cependant le terrible cyclone survenu en Nouvelle-Écosse en 1873 qui fait vraiment comprendre la nécessité d'un système national d'alerte météorologique. Les météorologues de Toronto savaient dès la veille qu'un ouragan frapperait le Cap-Breton, mais ils ne pouvaient donner l'alerte parce que les lignes télégraphiques entre Toronto et Halifax étaient coupées. L'ouragan fait près de 1000 victimes et jette à la rue un grand nombre de personnes. Devant l'indignation de la population, Ottawa consent à financer un service d'alerte météorologique.

En 1876, des lignes télégraphiques relient toutes les villes importantes de l'Est du pays. Dès le début de l'année, le premier avis de tempête est diffusé. Plus tard au cours de la même année, les services météorologiques commencent à diffuser leurs premières prévisions élaborées au Canada. On les appelle alors des « probabilités » et elles sont affichées sur les édifices publics. Aujourd'hui, le service diffuse ses prévisions et alertes météorologiques en faisant appel à toutes les technologies disponibles : JOURNAUX, TÉLÉPHONE, RADIO, TÉLÉVISION et INTERNET.

Collecte d'informations

Fait intéressant, Kingston reconnaîtrait probablement quelques-uns des instruments utilisés de nos jours pour recueillir des données sur la température, le vent, la pression atmosphérique et l'humidité relative. À certains endroits, les météorologues utilisent encore un baromètre à mercure pour mesurer la pression atmosphérique, et des parties de l'anémomètre, qui sert à mesurer la vitesse et la direction du vent, ressemblent beaucoup à une girouette. Mais d'énormes changements se sont opérés. Aujourd'hui, on prend des mesures non seulement à la surface de la Terre, mais aussi dans la haute atmosphère. Ces informations fournissent aux météorologues une description tridimensionnelle et les données nécessaires pour les prévisions.

Ainsi, des ballons-sondes météorologiques (voir BALLONS) transportent des instruments en altitude pour mesurer la température et les vents dans la partie supérieure de l'atmosphère. Ces renseignements sont complétés par des capteurs automatiques à bord de certains avions civils. Les SATELLITES scrutent l'atmosphère et enregistrent des données sur la température et les vents de même que sur d'autres phénomènes comme le neige accumulée et le type et l'étendue des nuages. Ces instantanés, sur une grande échelle, donnent aux météorologues une image claire de la situation à un moment donné. Ils leur fournissent également les informations nécessaires pour suivre l'évolution et le déplacement des systèmes météorologiques. Le radar donne une image détaillée des systèmes de précipitations à mesure qu'ils approchent. Le radar Doppler, par exemple, peut ajouter des renseignements importants sur la distribution des courants d'air à l'intérieur des orages.

Le réseau d'observation des services météorologiques canadiens s'étend de l'Atlantique au Pacifique jusqu'à l'Arctique et comprend des satellites, radars, ballons-sondes et bouées marines. Ce système est relié à celui d'autres pays. Chaque jour, les ordinateurs d'Environnement Canada traitent environ 60 000 observations météorologiques provenant du pays et de partout dans le monde. Elles sont utilisées comme données de départ par les modèles atmosphériques numériques et pour aider les météorologues à élaborer des prévisions et des alertes météorologiques.

Au Canada, le superordinateur du Centre météorologique canadien de Montréal génère les prévisions atmosphériques qui sont utilisées pour préparer les prévisions locales. Les météorologues des 17 bureaux météorologiques répartis dans tout le Canada adaptent ces prévisions pour le grand public et les industries aéronautique, agricole, forestière, de l'énergie, de la pêche et du transport. Chaque jour, le Service météorologique national diffuse environ 1300 prévisions à l'intention du public pour plus de 200 régions et environ 1000 prévisions aéronautiques pour 175 aéroports. Sa responsabilité première consiste toutefois à avertir les Canadiens des conditions météorologiques qui pourraient menacer leur vie et leurs biens. Le programme d'alerte a pour fonction d'émettre les avertissements météorologiques des météorologues à mesure que les conditions le justifient.

Dans le secteur privé, des compagnies météorologiques offrent une grande variété de services. Ainsi, plusieurs d'entre elles communiquent des observations et des prévisions météorologiques aux industries de la prospection pétrolière et gazière au large des côtes. D'autres se spécialisent dans les satellites, la qualité de l'air et les systèmes de visualisation graphique par ordinateur pour élaborer des cartes météorologiques. D'autres encore, comme le Weather Network et son homologue francophone MétéoMédia, se consacrent à la diffusion de nouvelles sur la météorologie.

Les recherches sur l'atmosphère sont une partie importante de la météorologie au Canada. L'atmosphère agit comme un écran pour nous protéger contre les rayons ultraviolets dangereux et crée un effet de serre naturel qui garde la Terre à bonne température et la rend habitable. Des groupes de recherche dans les universités et les gouvernements fédéral et provinciaux étudient comment le climat peut changer à la suite de l'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre. Ces gaz comprennent le dioxyde de carbone, le méthane, l'oxyde d'azote et l'ozone de la basse atmosphère. Ils proviennent en partie des émissions de moteurs d'automobiles, de camions, de trains et d'avions, et des émissions industrielles libérées lorsque du pétrole, du gaz ou du charbon sont brûlés pour produire de l'énergie. Les changements de température peuvent modifier les conditions nuageuses, la couverture de neige et de glace ainsi que l'intensité et la répartition des précipitations, de même que la fréquence des phénomènes météorologiques violents comme les ouragans, tornades, inondations et sécheresses (voir CLIMAT, RIGUEUR DU).

L'atmosphère joue aussi un rôle dans le mouvement des polluants atmosphériques, les portant à des milliers de kilomètres de leur point d'origine. Par exemple, l'Arctique était jadis une région sauvage intacte. Il est maintenant aussi pollué que l'Europe d'il y a 100 ans en raison des substances toxiques volatiles comme les PESTICIDES, le mercure et les biphényles polychlorés (BPC) provenant du Nord de la Russie et de l'Europe. De la même façon, les émissions industrielles de dioxyde de soufre et d'oxyde d'azote rejetées dans une partie de l'Amérique du Nord peuvent également se déposer et s'infiltrer dans le sol avec la neige ou la pluie (précipitations acides) dans d'autres régions du continent. L'ozone des basses couches de l'atmosphère, composant important du smog, peut être généré dans une partie du continent, mais affecter la qualité de l'air dans une autre région à plus forte densité de population.

Les scientifiques étudient aussi l'effet des substances qui menacent l'ozone comme les chlorofluorocarbures, utilisés parfois comme fluides frigorigènes dans des climatiseurs d'air ou comme agents propulseurs d'aérosols. Ces substances agissent sur la couche d'ozone de la stratosphère à quelque 35 à 50 km de la surface terrestre pour provoquer, entre autres, l'amincissement de cette couche et ainsi laisser passer plus de rayons ultraviolets du Soleil vers la Terre. Le rayonnement ultraviolet cause le CANCER de la peau et les cataractes, une affection oculaire provoquant l'opacité permanente du cristallin et la réduction de la vision. En 1992, le Service météorologique national canadien a commencé à diffuser des prévisions quotidiennes de rayonnement ultraviolet basées sur les changements au jour le jour dans la couche d'ozone. Le Canada est le premier pays au monde à avoir élaboré un indice UV. Un an plus tard, en 1993, le Service météorologique, en coopération avec les organismes provinciaux, a commencé à diffuser des avis sur la qualité de l'air afin d'avertir la population lorsque les niveaux de smog urbain deviennent élevés.

La Société canadienne de météorologie et d'océanographie s'est donné comme objectif de stimuler l'intérêt pour la météorologie et l'OCÉANOGRAPHIE au Canada. Fondée en 1939 en tant que branche de la Société royale des météorologues, elle est devenue la Société météorologique du Canada en 1967 et, en 1977, a élargi le champ de ses activités pour inclure les océanographes. La Société publie une revue scientifique spécialisée, Atmosphère-Océan, et un bulletin bimestriel, CMOS Bulletin SCMO. Le nombre d'adhérents est d'environ un millier, répartis dans 13 centres et sections, qui acceptent aussi les non canadiens.

Quelques sites Internet sur la météorologie : la Voie verte d'Environnement Canada - https://www.ec.gc.ca/fenvhome.html;Purdue University, Indiana - http://thunder.atms.purdue.edu; et l'US National Weather Service - https://www.noaa.gov.

GARY PEARSON

Auteurs ayant contribué à cet article: