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Météorologie élémentaire

Précipitations et virga à l'arrière d'un frond chaud.

Les fronts et les perturbations (I)

La notion de "front" fut introduite en météorologie en 1918 par le météorologiste norvégien Jacob Bjerknes. Il mit en évidence les discontinuités des éléments météorologiques à travers une dépression extratropicale.

Les masses d'air mises en jeu par la circulation générale conservent leurs caractéristiques au cours de leur déplacement, durant un temps plus ou moins long selon leur trajectoire. Au passage d'une masse d'air à une autre, on observe des variations rapides et importantes des diverses variables météorologiques (vent, température, humidité).

La couche de transition est si mince qu'on peut la considérer comme une surface appelée "surface frontale". Les masses d'air sont donc séparées les unes des autres par des surfaces frontales qui ne sont rien d'autre que des surfaces de discontinuité pour les différentes grandeurs météorologiques.

Ces surfaces frontales ont une faible pente, l'air froid (et dense) étant présent en forme de coin sous l'air chaud (et léger); leur trace au sol est appelée "front". Ces fronts se retrouvent sur les cartes d'analyse synoptique.

Sur les grandes surfaces frontales ainsi définies, dont le type est le front polaire[1] qui intéresse fréquemment les régions tempérées, la pratique montre que des ondes instables naissent, se développent et meurent. Elles sont accompagnées d'un tourbillon (dépression) qui évolue de même. Ces ondes constituent les perturbations frontales que nous allons décrire.

Classification et symbolisme

La classification la plus simple et la plus intuitive est celle basée sur le mouvement relatif des masses d'air en jeu le long du front. On distingue ainsi 6 types de structures frontales :

1. Front chaud

Front le long duquel, lors de son déplacement, l'air chaud remplace l'air froid. Les fronts de ce type sont dessinés en rouge sur les cartes ou ornés de demi-cercles noirs placés du côté où se propage le front.

En plan sur carte

Coupe verticale

2. Front froid

Front le long duquel, lors de son déplacement, l'air froid remplace l'air chaud. Les fronts de ce type sont dessinés en bleu sur les cartes ou ornés de petits triangles noirs orientés dans le sens du déplacement du front.

En plan sur carte

Coupe verticale

3. Front quasi-stationnaire

Front le long duquel on ne décèle pas  - ou très peu - de mouvement relatif de l'air chaud par rapport à l'air froid ou inversement. Les fronts de ce type sont dessinés par des traits alternativement rouges et bleus ou ornés alternativement de demi-cercles et de triangles noirs, les premiers dirigés vers l'air froid, les seconds vers l'air chaud.

En plan sur carte

Coupes verticales

4. Occlusion à caractère de front chaud

Le terme "occlusion" est utilisé pour désigner la structure frontale qui se développe lorsqu'une masse d'air froid qui s'avance rejoint une masse d'air froid (je dis bien froid) qui s'éloigne; en d'autres termes, le phénomène qui se produit lorsqu'un front froid rejoint un front chaud.

Pour étudier ce phénomène nous devons tenir compte des températures de trois masses d'air : l'air froid antérieur, l'air chaud et l'air froid postérieur.

Lorsque l'air froid antérieur est plus froid que l'air froid postérieur, il est évident que, étant donné les densités relatives des trois masses d'air, le front froid va s'élever le long de la surface frontale chaude, l'air chaud et, en partie, l'air froid postérieur étant rejetés en altitude.

La projection au sol de la vallée chaude (ou ligne des points triples) constituant l'occlusion est représentée par une ligne violette ou ornée de demi-cercles noirs et de triangles blancs dirigés dans le sens du déplacement. En pratique, la projection de la ligne des points triples est le plus souvent confondues avec le front chaud au sol.

En plan sur carte

Coupes verticales

NB. Pour la représentation en noir et blanc, les demi-cercles et triangles noirs indiquent des fronts en surface, tandis que les blancs indiquent des fronts d'altitude.

5. Occlusion à caractère de front froid

Lorsque l'air froid antérieur est plus chaud que l'air froid postérieur, le front chaud s'élève le long de la surface frontale froide.

La projection de la ligne de points triples constituant l'occlusion est représentée par un trait violet ou ornée de demi-cercles blancs et de triangles noirs dirigés dans le sens du déplacement.

. Occlusion neutre

Dans certains cas, il n'est pas possible de différencier les masses d'air antérieur et postérieur. On parle alors d'occlusion neutre. Dans ces cas, on a simplement une occlusion et la projection de la vallée chaude se représente par un trait violet ou par des demi-cercles et des triangles blancs alternés et dirigés dans le sens du déplacement de l'occlusion.

En plan sur carte

Coupe certicale

Nature des surfaces frontales

L'examen d'un sondage de température effectué à travers une surface frontale montre que le passage de l'air froid à l'air chaud s'effectue par l'intermédiaire d'une couche de transition appelée "zone frontale" dont l'épaisseur peut varier de 100 mètres à plus d'un kilomètre. Eu égard à la pente moyenne des surfaces frontales (1/300e), l'extension horizontale de cette zone de transition varie de dix à plusieurs centaines de kilomètres.

Coupe verticale à travers une zone de transition. On parle d'une masse d'air chaud surplombant une masse d'air froid. Or, la température diminue avec l'altitude et la température moyenne de la masse d'air chaud est inférieure à celle de la masse d'air froid sous-jacent du fait de la différence de niveau. La comparaison des températures doit s'effectuer dans un même plan horizontal ou en ramenant adiabatiquement à un même niveau les températures des deux masses d'air en présence; pour ce faire, on choisit généralement la base et le sommet de l'inversion frontale (ΔT) comme le montre le diagramme de droite.

Dans cette couche de transition, la variation des grandeurs météorologiques est rapide comparativement à celle que l'on trouve à l'intérieur des masses d'air environnantes.

Toutefois, à l'échelle synoptique, on peut considérer l'épaisseur de la couche de transition comme négligeable comparée aux dimensions des masses d'air. On peut donc considérer cette couche comme une surface au sens mathématique du terme et confondre de même front et ligne.

Pente d'une surface frontale

Une surface frontale marque une discontinuité de densité, l'air froid et dense a tendance à s'étaler sous l'air chaud plus léger, en rejetant celui-ci en altitude. Une surface frontale se présente donc tel un coin d'air froid s'enfonçant sous l'air chaud.

On peut se demander si la surface frontale ne doit pas nécessairement tendre à devenir horizontale. Il en serait ainsi si d'autres forces, dont la force de Coriolis est la plus importante, ne s'y opposaient. La pente d'une surface frontale se maintient donc essentiellement par le seul effet de la rotation de la Terre. Il faut noter cependant qu'une circulation cyclonique contribue à une plus forte inclinaison de la surface frontale alors que la pente devient moins importante dans une circulation anticyclonique.

La pente moyenne est de 1/50 à 1/150 pour les fronts froids et de 1/100 à 1/300 pour les fronts chauds. Un front en mouvement est freiné en surface par le frottement de l'air sur le sol. Les surfaces frontales présentent, dans la couche de frottement (150 à 1000 m d'épaisseur), des variations de pente : la pente d'un front froid augmente dans les couches inférieures, tandis qu'elle diminue dans le cas du front chaud.

La pente du frond froid est de 1/25 à 1/100 dans le premier kilomètre, alors que des valeurs de 1/100 à 1/500 sont courantes pour la partie inférieure des surfaces frontales chaudes.

Champs barique au voisinage des fronts

On constate généralement une nette cassure des isobares au voisinage d'un front. Cette cassure s'explique aisément : en effet, la pression est égale au poids de la colonne d'air de section unitaire qui s'étend jusqu'à la limite de l'atmosphère. Lorsqu'on se déplace vers le front chaud à travers l'air froid antérieur, il est évident que l'épaisseur de l'air froid diminue de plus en plus; ce dernier étant plus dense que l'air chaud, le poids de la colonne d'air (et partant la pression) diminue jusqu'au passage du front, après quoi plus aucun changement n'intervient. De même, lorsqu'on se déplace vers l'arrière d'un front froid, le poids de la colonne d'air augmente pour la même raison : l'épaisseur de l'air froid augmentant progressivement. Cet effet de surpression frontale cesse brusquement si l'on passe dans l'air chaud. Il y a donc discontinuité dans la variation de la pression, qui se traduit par une variation brusque de l'orientation des isobares (cassure).

La figure ci-dessous représente un front froid se déplaçant vers la droite. En A le remplacement d'une partie de la colonne d'air chaud par de l'air froid entraîne une hausse de pression de 5 mbar. En B une plus grosse partie de l'air chaud est remplacée par l'air froid et l'accroissement de pression y atteint 10 mbar.

Si les isobares en ligne tiretée représentent le champ de pression avant l'arrivée du front froid, ce champ de pression sera, en accord avec les hausses mentionnées après le passage du front, représenté par les lignes continues. La cassure des isobares aura toujours sa pointe dirigée vers les hautes pressions. Le vent change brusquement de direction au passage du front de manière à correspondre à un mouvement cyclonique; de là l'appellation "saute de vent cyclonique".

En conclusion, un front est toujours caractérisé par une saute de vent cyclonique, correspondant à une cassure dans les isobares, dont la pointe est dirigée vers les hautes pressions.

Deuxième partie

Temps associé aux fronts

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[1] Le terme "front" est souvent utilisé pour désigner la surface frontale elle-même. Ainsi, on parle de front polaire en voulant désigner la surface de séparation aussi bien qu'en parlant uniquement de sa trace au sol.


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