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MÉTÉOROLOGIE

La météorologie, du grec 猪﨎精﨎諸福見 et礼塚礼﨟: science des choses de l’air, est la science de l’atmosphère; plus exactement, elle étudie les processus mécaniques et physiques qui en déterminent l’évolution et rend compte des phénomènes essentiellement observés dans sa partie la plus basse, appelée troposphère ^{[cf. ATMOSPHÈRE]}. Les 9/10 de l’atmosphère se situent approximativement au-dessous de 16 km et les 99/100 au-dessous de 31 km. La plupart des phénomènes atmosphériques qui caractérisent le temps (nuages, pluie, neige, tempêtes, cyclones) se situent entre la surface du globe et une dizaine de kilomètres d’altitude. Cependant, la haute atmosphère, très ténue, se prolonge dans ce que l’on convient d’appeler la mésosphère, puis la thermosphère ^{[cf. AÉRONOMIE]}.

Il sera surtout question ici de la météorologie considérée comme science devant aboutir d’abord à une explication rationnelle des processus observés dans les trente premiers kilomètres de l’atmosphère, ensuite à une prévision de son état futur à des échéances aussi grandes que possible, enfin à l’application pratique et opérationnelle des connaissances ainsi obtenues aux divers domaines de l’activité humaine. Si certains résultats positifs concernant le premier objectif jalonnent l’histoire de la météorologie, le deuxième, en revanche, paraît à notre portée depuis seulement quelques décennies, grâce principalement aux progrès de l’aérospatiale et de l’informatique, et sous la pression de demandes qui se multiplient de jour en jour.

La connaissance de plus en plus précise des énergies mises en jeu dans les processus météorologiques semble enfin pouvoir donner à l’homme les moyens d’intervenir sur son environnement atmosphérique.

1. Historique

Au cours d’une ère que l’on pourrait qualifier de contemplative, les hommes se sont surtout livrés à l’observation isolée de phénomènes qui demeuraient inaccessibles dans leur mesure comme dans leur processus, mais cette observation a permis d’aboutir dans certains cas à des conclusions remarquables.

Ainsi, le traité intitulé Les Météorologiques , écrit par Aristote (384 env.-322 av. J.-C.), a-t-il fait loi en matière de météorologie pendant près de vingt siècles. Mais il faut attendre la découverte et la mise au point des premiers instruments de mesure pour que la météorologie devienne une véritable science physique. C’est aux XVII^e et XVIII^e siècles, en même temps que progressait la connaissance des lois physiques élémentaires des gaz, des liquides et des solides, que furent inventés les premiers instruments permettant de mesurer la température (Galilée, 1607), la pression atmosphérique (Evangelista Torricelli, 1643), la pluie (Benedetto Castelli, 1639). Vers cette même époque, la mesure du vent est tentée simultanément par le théologien français Pierre-Daniel Huet et par l’astronome anglais Robert Hooke. C’est un peu plus tard que John Hadley explique pour la première fois (1735) l’effet de la rotation de la Terre sur les vents, puis que Lavoisier découvre la composition de l’air.

L’effet de l’humidité sur différentes substances était connu depuis fort longtemps, et c’est aussi à Hooke que l’on doit l’un des premiers hygromètres utilisant une corde à boyau dont l’allongement provoquait le déplacement d’une aiguille. Cependant, c’est en 1825 seulement que Gay-Lussac utilise, pour mesurer l’humidité, le principe du psychromètre découvert par l’Anglais William Cullen en 1777.

L’exploration de l’atmosphère en altitude, illustrée pour la première fois par la célèbre expérience organisée par Pascal au Puy de Dôme en 1647, se poursuit grâce à l’utilisation de cerfs-volants, puis de ballons libres; c’est ainsi que le physicien Jacques Charles réalise le premier sondage météorologique en atmosphère libre le 1^er décembre 1783, atteignant une altitude de 3 400 m. Un siècle plus tard, en 1892, deux Français, Gustave Hermitte et Georges Besançon, effectuent systématiquement des lancers de ballons-sondes emportant un enregistreur de pression et de température. C’est avec de tels appareils, perfectionnés par ses soins, que Léon Teisserenc de Bort découvre la stratosphère en 1899.

En 1929, le Français Robert Bureau lance les premières sondes munies d’un petit émetteur; il ajoute ainsi une dimension supplémentaire à l’exploration systématique et quotidienne de l’atmosphère, permettant aux météorologistes de mieux en étudier les mouvements et les processus.

Avant d’aborder l’ère moderne, il faut encore signaler la naissance de la météorologie dite synoptique, vers le milieu du XIX^e siècle. Déjà préconisées par Lavoisier et Gilbert Romme, l’observation simultanée de l’atmosphère en un grand nombre de points et la concentration des données ainsi recueillies en vue d’une analyse détaillée ne purent effectivement être réalisées que grâce au moyen de transmission rapide de l’époque, le télégraphe morse.

Le Verrier en France contribue notamment à organiser, dès 1855, un échange régulier de données météorologiques entre divers observatoires européens, qui constituèrent ainsi l’embryon de l’actuel réseau mondial de stations météorologiques.

L’élaboration régulière de cartes synoptiques du temps permit à la météorologie de faire de rapides progrès. Le Hollandais Christoph Hendrik Buys Ballot formule en 1860 la loi qui relie la direction et la force du vent à la configuration isobarique. L’effet de la rotation de la Terre, déjà prévu par Hadley en 1735 pour expliquer les vents alizés, est confirmé par William Ferrel, qui invoque la force de Coriolis pour justifier le sens de rotation des vents autour des zones de hautes et basses pressions.

Dès la fin du XIX^e siècle et le début du XX^e, des théories se référant aux observations quotidiennes permettent de mettre au point des méthodes de prévision fondées sur les variations de pression, de préciser le concept de front polaire ainsi que la genèse des perturbations et des systèmes nuageux associés. Il y a lieu d’évoquer à ce propos les noms de F. Miller, Nils Ekholm, Heinrich Wilhelm Dove, Leland Howard et Vilhelm Bjerknes, Halvor Solberg, P. Wehrlé, Tor Bergeron, entre autres.

Depuis la fin de la Première Guerre mondiale, la connaissance de l’atmosphère s’améliore en même temps que se développe l’aviation. Cependant, au cours de cette période, les observations sur mer sont rares; il faut signaler, à partir de 1920, la mise en service des premiers navires effectuant des observations météorologiques transmises sur le réseau mondial, puis du navire météorologique stationnaire, le Carimare (1937), qui fut, sur l’Océan, la première station fixe d’observation complète de l’atmosphère. Après la Seconde Guerre mondiale, l’essor de l’aviation civile amène l’Organisation de l’aviation civile internationale (O.A.C.I.) à recommander la mise en œuvre d’une douzaine de stations flottantes, destinées à assurer sur l’Atlantique nord la sécurité des lignes aériennes régulières.

En même temps qu’ils jalonnent les principaux axes aériens, ces navires météorologiques complètent judicieusement, mais encore imparfaitement, le réseau mondial. C’est ainsi que les renseignements en provenance des zones océaniques tropicales restent clairsemés.

C’est à partir de la décennie 1950-1960 que les météorologistes commencent à entrevoir les solutions qui vont sans doute leur permettre de résoudre le problème de la prévision du temps avec les moyens appropriés: calculateurs puissants et satellites artificiels. La science météorologique avait fait l’objet d’études poussées qui, à partir des théories de la mécanique et de la thermodynamique, avaient débouché sur l’élaboration de systèmes d’équations permettant de simuler l’évolution de l’atmosphère. L’Anglais Lewis Fry Richardson avait, le premier, en 1922, procédé à une tentative d’application des méthodes numériques à la prévision du temps, mais les résultats furent décevants. La voie était cependant tracée et, lorsque les calculateurs électroniques furent mis au point, le problème de la simulation de l’atmosphère fut l’un des premiers problèmes à leur être soumis.

La prévision objective du temps, fondée sur la résolution des équations de la dynamique des fluides appliquées à l’atmosphère, marque en météorologie une étape nouvelle, en rapide évolution, sur laquelle on aura l’occasion de revenir.

Si l’expérience a montré que les modèles d’atmosphère apportaient une amélioration sensible aux résultats obtenus antérieurement, notamment en ce qui concerne l’échéance des prévisions, l’un des principaux problèmes posés demeure la connaissance de l’état initial de l’atmosphère, à un instant donné, sur l’ensemble du globe. La décennie 1960-1970 a su trouver à ce problème des solutions satisfaisantes par le biais des satellites météorologiques, dont la mission d’observation et d’écoute est devenue quasi permanente, grâce notamment aux satellites géostationnaires, immobiles par rapport à la Terre. Nantis de tels moyens, véritablement à la mesure du problème qui leur est posé, les météorologistes ont pu définir un programme appelé «Veille météorologique mondiale» (V.M.M.), comportant une véritable mobilisation des moyens existants et s’appuyant sur le développement rapide des moyens nouveaux évoqués ci-dessus en vue d’organiser à l’échelle mondiale, entre tous les pays, un échange complet de données et de renseignements.

Ainsi vont pouvoir se trouver satisfaits les besoins les plus divers, tant sur le plan de la sécurité que sur celui de l’assistance météorologique aux activités d’ordre économique, besoins exprimés auprès de l’Organisation météorologique mondiale (O.M.M.) par tous les pays membres.

Le programme mondial précité comprend d’ailleurs une part importante de recherches, planifiées dans le cadre d’un programme global de recherches atmosphériques, dont la réalisation est prise simultanément en charge par l’O.M.M. et le Conseil international des unions scientifiques.

2. Connaissance de l’atmosphère

Pour connaître l’atmosphère et en découvrir les lois fondamentales, il est nécessaire tout d’abord d’observer les phénomènes dont elle est le domaine de formation et d’évolution, de mesurer les paramètres représentatifs de son état, puis d’enregistrer ces informations, lesquelles, utilisées quotidiennement pour les besoins de l’exploitation, sont également nécessaires aux chercheurs pour mieux comprendre les processus atmosphériques, en se référant à la mécanique et à la thermodynamique des fluides.

L’observation météorologique

L’expérience montre que l’atmosphère, dont les paramètres représentatifs habituels (pression, température, humidité, vent) varient continuellement dans l’espace et dans le temps, est soumise, en dehors du rythme des saisons, à des évolutions non cycliques. Les phénomènes qu’on y observe se situent à des échelles fort différentes. Pour étudier ce milieu, le météorologiste se réfère à des observations effectuées de façon homogène, selon des règles strictes, qui les rendent comparables. Ces observations sont exécutées de manière synchrone, et les stations d’observations sont, dans la mesure du possible, uniformément réparties à la surface du globe.

Observations météorologiques au voisinage de la surface terrestre

Il faut distinguer l’observation des phénomènes météorologiques de la mesure des principaux paramètres d’état de l’atmosphère.

L’analyse des phénomènes météorologiques relève d’une observation humaine essentiellement qualitative. L’observateur décrit en termes sélectionnés l’état du ciel à la station, ou au voisinage, au moment de l’observation et dans les quelques heures qui l’ont précédée. Il fournit une appréciation de l’intensité des phénomènes observés.

Cette observation, nécessaire pour caractériser le temps qu’il fait, est un complément indispensable de l’information fournie par la mesure en surface des paramètres météorologiques. Parmi ceux-ci, la température de l’air, relevée sous abri, a pour le météorologiste une importance considérable, puisqu’elle intervient de manière fondamentale dans la compréhension des processus thermodynamiques et cinétiques de l’atmosphère. L’humidité de l’air, quant à elle, conditionne la formation des nuages, brouillards et autres hydrométéores. Elle est fonction de l’évaporation dont la mesure rend compte de l’apport de vapeur d’eau dans l’atmosphère. Cette vapeur d’eau est elle-même à l’origine des précipitations dont la nature, l’importance et la fréquence sont essentielles pour caractériser une situation météorologique ou un climat. En outre, le météorologiste mesure la pression atmosphérique qui lui fournit une information sur laquelle repose en grande partie l’analyse et la prévision du temps. Elle permet en effet de représenter le champ de pression et de faire apparaître les dépressions, anticyclones, talwegs (vallées barométriques) ou dorsales (crêtes anticycloniques), qui conditionnent les déplacements de l’air, y compris ses mouvements verticaux. À ces mesures habituelles se sont ajoutées des mesures de la durée d’insolation, du rayonnement solaire et du bilan radiatif; les échanges radiatifs, notamment, comptent pour une part importante dans les transferts énergétiques entre le sol et l’atmosphère ^{[cf. BILAN RADIATIF DE LA TERRE]}.

Observation météorologique en altitude

On a évoqué jusqu’ici les principales observations faites au voisinage de la surface terrestre. Mais pour disposer d’une description plus complète de l’atmosphère en altitude, nécessaire pour mieux comprendre les processus de son évolution, les météorologistes effectuent des lancers réguliers de radiosondes qui leur procurent des informations précises sur la pression, la température et l’humidité à la verticale d’un certain nombre de stations réparties à la surface du globe. De plus, la poursuite de la radiosonde au radiothéodolite ou au radar permet de calculer la direction et la vitesse du vent à différents niveaux, éléments qui sont de plus en plus mesurés en utilisant des méthodes dérivées soit des procédés de radionavigation, soit des systèmes de localisation par satellite.

Pour compléter ces observations, les météorologistes exploitent quotidiennement des radars qui les renseignent sur la répartition des gouttelettes de nuages et des précipitations au sein de l’atmosphère. Lorsque leur longueur d’onde est de l’ordre de 8 mm, ces radars peuvent explorer en détail la structure des nuages ou des faibles précipitations. Par contre, si la longueur d’onde est de l’ordre de 3 cm, 5 cm ou 10 cm, il est alors possible de détecter, de localiser, de délimiter les zones de précipitation, voire de mesurer leur contenu en eau.

Automatisation de l’observation. Apport des satellites météorologiques

Pour que la connaissance à tous niveaux des paramètres de l’atmosphère réponde aux besoins d’analyse et de prévision, il est nécessaire que cette observation soit, d’une part, étendue à toute la surface du globe, d’autre part, effectuée de manière régulière. Ces exigences ne peuvent être généralement satisfaites dans les régions inhabitées (océans, déserts, zones polaires, haute montagne), et sont sources de difficultés, même dans les zones normalement peuplées, en raison cette fois du coût élevé d’une observation humaine continue, intéressant un réseau suffisamment dense. Pour trouver une solution à ce problème, un effort considérable a été fait pour automatiser l’observation météorologique. Ainsi ont été créées les stations automatiques synoptiques terrestres qui, dotées de capteurs spécialement conçus, effectuent et transmettent désormais des observations répondant aux normes requises.

Dans le même objectif, de grands projets ont abouti à la réalisation de réseaux de stations d’observations automatiques marines, constitués de bouées de divers modèles pour lesquelles des capteurs, étudiés pour résister au climat marin, ont progressivement été mis au point.

Quant à l’automatisation des mesures en altitude, elle s’est orientée pour le moment vers une présentation automatique, avec enregistrement et impression numériques, des mesures effectuées et transmises par les radiosondes.

Bien que la masse d’informations obtenues par l’observation au sol et jusque vers 30 km d’altitude soit considérable, la connaissance des paramètres météorologiques aux niveaux supérieurs, jusqu’à 80 km, frontière de l’atmosphère météorologique, semble devoir s’imposer pour accéder notamment à l’étude des processus d’évolution de l’atmosphère à longue échéance. Aussi, depuis les années soixante, des efforts ont-ils été faits en vue du développement technologique des fusées-sondes et de l’instrumentation très particulière embarquée dans ces fusées.

Mais il est désormais impossible de traiter de l’observation météorologique sans signaler la véritable révolution provoquée par les satellites météorologiques qui fournissent une observation globale, permanente, précise et cohérente, rapidement collectée et délivrée. Après une phase expérimentale, débutée en 1960, les premiers satellites météorologiques opérationnels américains «à défilement» T.O.S. (T.I.R.O.S. – Television and Infra-Red Observation Satellite – Operational System), E.S.S.A. (Environmental Service Satellite Administration) puis N.O.A.A. (National Oceanographic and Atmospheric Administration) furent lancés à partir de l’année 1966. Placés sur orbite polaire, ils émettent toutes les 200 secondes environ, à l’intention de stations au sol équipées du système A.P.T. (Automatic Picture Transmission), des photographies obtenues dans le domaine du visible ou de l’infrarouge et couvrant chacune un carré d’environ 1 600 km de côté. Agissant dans le même sens, l’U.R.S.S. a lancé ses premiers satellites météorologiques en 1966 et 1967 (séries «Cosmos» et «Meteor»).

Les possibilités de ces satellites ont été complétées, à la fin de l’année 1966, par la mise en œuvre de satellites géostationnaires A.T.S. (Application Technology Satellite). Immobiles par rapport à la Terre, ils décrivent en fait une orbite circulaire équatoriale à environ 37 000 km du sol. Ils peuvent fournir toutes les 30 minutes une image couvrant sensiblement le quart de la zone comprise entre 50⁰ de latitude nord et 50⁰ de latitude sud.

Ces deux types de satellites (à orbites polaire et géostationnaires) ont fait l’objet de perfectionnements ultérieurs et ont favorisé le développement de la coopération internationale en météorologie. En 1974, le S.M.S. (Synchronous Meteorological Satellite) américain, qui a été suivi des satellites géostationnaires de la série G.O.E.S. (Geostationary Operational Environmental Satellite), était utilisé à l’occasion d’une expérience menée dans l’Atlantique tropical (E.T.G.A.) et, dès 1979, lors de la Première Expérience météorologique à l’échelle globale (P.E.M.G.), la communauté scientifique bénéficiait de cinq satellites géostationnaires, dont Meteosat (Agence spatiale européenne) et G.M.S. (Geostationary Meteorological Satellite, Japon).

Outre les données de la couverture nuageuse globale, dont on tire de nombreuses informations, les satellites météorologiques permettent de déterminer de manière opérationnelle, d’une part, la température du sommet des couches nuageuses ou de la surface du globe, lorsque celle-ci n’est pas occultée par les nuages, d’autre part, les profils verticaux de température et d’humidité en tout point de la surface du globe par spectrométrie infrarouge dans certaines bandes d’absorption du milieu atmosphérique; par exemple, dans la bande du dioxyde de carbone (de 13 à 15 猪m) pour les sondages de température ou dans la bande de la vapeur d’eau (de 6 à 8 猪m) pour les sondages d’humidité; la zone d’absorption minimale, dite fenêtre atmosphérique (11 猪m), servant à déterminer la température de surface, en particulier la température superficielle de la mer.

À cela s’ajoute l’utilisation opérationnelle des ondes millimétriques et centimétriques (qui franchissent plus aisément les zones nuageuses) pour les mesures en surface de température et d’humidité, ainsi que pour l’évaluation de la teneur en eau des nuages et le repérage des zones de pluies.

Les satellites géostationnaires offrent en outre la possibilité de déterminer des vents en altitude en comparant les déplacements de nuages repérés sur des images successives. Ces observations indirectes sont particulièrement précieuses sur les zones dépourvues de points de mesure (océans, déserts...).

Ces considérations ont conduit l’O.M.M. à réaliser, dans le cadre de la Veille météorologique mondiale, un système global d’observation faisant une très large place aux techniques satellitaires.

À titre d’exemple, en 1989, la couverture du globe était réalisée par cinq satellites géostationnaires dont les positions au-dessus de l’équateur étaient les suivantes:

– 135⁰ et 75⁰ ouest pour les deux satellites américains (G.O.E.S.-6 et G.O.E.S.-7);

– 140⁰ est pour le satellite japonais G.M.S.;

– 74⁰ est pour le satellite indien Insat;

– 0⁰ pour le satellite européen Meteosat.

Il faut encore mentionner que les satellites opérationnels, soit du type à défilement en orbite polaire, soit du type géostationnaire, remplissent une mission de collecte des données qui leur sont transmises par un nombre croissant de plates-formes, équipées d’instruments de mesure, et que l’on peut placer n’importe où, sur mer ou sur terre. Le système Argos, mis au point et exploité par la France, permet la localisation des plates-formes mobiles.

Concentration, contrôle, stockage, échange des données d’observation

Les observations météorologiques effectuées dans les différentes stations des réseaux d’observations nationaux sont concentrées nationalement dans des délais très brefs. Cette concentration s’effectue par transmission de données sur le réseau public ou par des liaisons spécialisées. Les réseaux nationaux d’observation comportent souvent des sous-réseaux entièrement automatisés, depuis la mesure des paramètres météorologiques jusqu’à la réception des données sur ordinateur dans les centres collecteurs.

Les données d’observation ainsi collectées au niveau national sont ensuite échangées, après contrôle approprié, à fréquence horaire ou trihoraire selon les paramètres mesurés, entre les pays d’une même région météorologique (le globe est subdivisé en six régions: Afrique, Asie, Amérique du Sud, Amérique du Nord, Pacifique sud-ouest, Europe) par des réseaux régionaux de circuits spécialisés de transmission de données.

Le Réseau principal de télécommunications météorologiques assure l’échange des données météorologiques au niveau mondial entre les différentes régions météorologiques. Ce Réseau principal, constitué de liaisons spécialisées de transmission de données d’un débit de 1 200 bit/s à 9 600 bit/s, relie des centres dotés de moyens informatisés de réception, sélection et transmission des données, qui assurent la responsabilité d’«aiguillage» de ces informations vers les autres centres météorologiques nationaux.

Ces moyens de communication nationaux, régionaux et mondiaux assurent la circulation des données d’observation, mais aussi des informations traitées (analyses, prévisions) élaborées par les centres assurant des responsabilités internationales à cet égard. Ils constituent le Système mondial de télécommunication (S.M.T.) de la Veille météorologique mondiale (V.M.M.).

Chaque centre météorologique national gère l’ensemble des données qu’il collecte, reçoit et élabore afin de satisfaire les besoins des utilisateurs nationaux, et remplir, le cas échéant, les responsabilités internationales dont il est chargé. La gestion opérationnelle des données météorologiques est assurée, dans un nombre croissant de centres, par des moyens informatiques puissants, sous forme de base de données en temps réel.

Les processus atmosphériques

Les processus atmosphériques sont les différentes transformations physiques qui, à partir des apports et retraits d’énergie observés dans l’atmosphère, permettent d’expliquer les variations de température, les formations de nuages et de précipitations ainsi que les mouvements de l’air à différents niveaux et à différentes échelles. Grâce au réseau mondial dont il dispose, le météorologiste peut effectuer une approche expérimentale de ces processus et mener parallèlement leur étude théorique à partir des lois fondamentales de la mécanique et de la physique.

L’atmosphère, mince pellicule enveloppant le globe terrestre, est soumise à des variations de températures dues essentiellement aux apports et pertes de chaleur qu’elle subit, soit par sa base (échanges sol-atmosphère et mer-atmosphère), soit dans ses niveaux supérieurs (rayonnement vers l’espace), ainsi qu’aux détentes ou compressions résultant des mouvements verticaux de l’air.

Les abaissements de température qui se produisent lors des mouvements ascendants ou au contact des masses d’air, tendent à condenser la vapeur d’eau sous forme de gouttelettes qui constituent les nuages. Si la détente continue à faire croître les gouttelettes, les plus grosses d’entre elles captent dans leur chute les plus petites; si le nuage prend une extension suffisante, elles atteignent la grosseur des gouttes de pluie: le nuage précipite. Un autre processus permet d’expliquer la pluie: lorsque la condensation se produit à des températures suffisamment basses, des cristaux de glace apparaissent au milieu de gouttelettes surfondues qui s’évaporent à leur profit. Ces cristaux deviennent des flocons de neige qui fondent en tombant et se transforment en pluie.

Ainsi, le processus des précipitations est essentiellement déclenché par l’existence de vitesses verticales qui peuvent être, soit de l’ordre de 10 m/s et concerner des zones limitées correspondant à des nuages à grand développement vertical, soit de l’ordre de quelques centimètres par seconde; il s’agit dans ce dernier cas de grandes perturbations qui intéressent des surfaces de plusieurs centaines de milliers de kilomètres carrés et se déplacent en étroite relation avec le mouvement horizontal de l’air. Ce mouvement peut être relié au champ de pression par un système d’équations aux dérivées partielles. Il est toutefois possible d’en donner une approximation simple, valable en dehors des régions équatoriales, en se plaçant en régime d’équilibre; dans ce cas, le vent horizontal, appelé vent géostrophique, est parallèle aux lignes isobares; il est d’autant plus fort que la variation horizontale de pression est grande.

Mais les grands mouvements horizontaux trouvent essentiellement leur source dans la répartition différenciée de l’énergie thermique à la surface du globe.

En effet, si notre planète est en équilibre radiatif global, c’est-à-dire qu’elle réémet vers l’espace une quantité de rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde équivalente au rayonnement solaire reçu, cet équilibre n’est cependant réalisé ni localement ni instantanément ^{[cf. BILAN RADIATIF DE LA TERRE]}.

Ainsi, les régions équatoriales reçoivent par rayonnement plus de chaleur qu’elles n’en émettent, tandis que le phénomène inverse se produit dans les régions polaires. Il en résulte un déséquilibre géographique permanent qui affecte considérablement le fonctionnement de l’atmosphère et amène des transferts horizontaux de chaleur de l’équateur vers les pôles par l’intermédiaire des masses d’air chaud. Ces mouvements sont compensés par le déplacement en sens inverse de masses d’air froid des pôles vers les tropiques ^{[cf. MASSES D'AIR]}. Les chaleurs de vaporisation et de condensation de l’eau entraînent également des transferts méridiens.

Mais ce transfert de chaleur n’est pas le seul phénomène susceptible d’expliquer le mouvement de l’atmosphère. Si celle-ci était initialement en repos relatif par rapport au globe terrestre, les masses d’air situées près de l’équateur tourneraient plus vite que celles situées au voisinage des pôles. Dans leurs déplacements méridiens causés par les phénomènes thermiques, les masses d’air équatoriales, se dirigeant vers les pôles, auraient tendance, par suite de leur inertie, à tourner plus rapidement que la Terre elle-même. Leur mouvement apparaîtrait donc comme un vent d’ouest. En revanche, les masses d’air d’origine polaire, déplacées vers l’équateur, auraient tendance à tourner moins vite que la Terre et leur mouvement apparaîtrait comme un vent d’est. Mais ces considérations se compliquent encore en raison du frottement exercé par la Terre sur l’atmosphère, phénomène dont les effets sont encore mal connus.

Les mouvements ainsi expliqués et effectivement constatés dans l’atmosphère amènent au voisinage l’une de l’autre des masses d’air aux caractéristiques thermodynamiques différentes, qui ne se mélangent que lentement et dont la surface de séparation, appelée surface frontale, est susceptible de persister plusieurs jours [cf. FRONT (météorologie)]. Les déplacements par rapport au sol de la surface frontale engendrent des advections (déplacements de masses d’air) chaudes ou froides. Les vitesses horizontales dans l’air froid et dans l’air chaud, généralement différentes, entraînent le glissement d’une masse d’air sur l’autre. Les mouvements verticaux dus au soulèvement de l’air chaud par l’air froid provoquent la formation de condensations et souvent de précipitations. Ainsi les fronts sont aisément détectés par leurs manifestations atmosphériques qui intéressent de vastes zones géographiques, et c’est en prévoyant leurs déplacements que le prévisionniste essaye de préciser l’évolution du temps.

3. La prévision météorologique

La prévision météorologique est la recherche de l’état de l’atmosphère, à un instant futur, c’est-à-dire la détermination aussi approchée que possible des mouvements (des perturbations, fronts...) ou des paramètres (températures, humidité, pluie, visibilité, etc.) à une échelle et à une échéance aussi adaptées que possible aux besoins de l’usager.

Il convient cependant de noter que l’échéance pour laquelle il est possible d’élaborer une prévision météorologique est a priori limitée ^{[cf. PRÉVISION MÉTÉOROLOGIQUE]}. Au-delà des deux ou trois semaines que l’on considère comme la limite théorique à laquelle peut parvenir la prévision déterministe, fondée sur les modèles numériques, il n’est plus possible de prévoir dans le détail et pour un jour fixé les positions ou intensités de dépressions ou perturbations responsables de l’évolution du temps.

Les recherches actuelles s’orientent vers la possibilité de déterminer à l’avance certaines anomalies climatologiques persistantes, cela dans le cadre des investigations sur les processus physiques du climat et de son évolution.

Les méthodes de prévision

Méthodes empiriques

Pour des raisons pratiques liées aux limites du réseau météorologique, aux faibles moyens de calcul disponibles et à l’inertie des grands phénomènes atmosphériques, les météorologistes ont eu recours pendant de nombreuses années à des méthodes empiriques.

La prévision météorologique consistant essentiellement à prévoir à courte échéance (un ou deux jours) des phénomènes repérables à l’échelle synoptique, tels que fronts et dépressions, ou des phénomènes locaux (brouillards, vents forts...) liés à ces fronts ou perturbations, ces méthodes subjectives s’appuyaient sur des règles simples fondées sur l’extrapolation des phénomènes d’échelle synoptique et donnaient des résultats relativement satisfaisants jusqu’à 24 voire 48 heures d’échéance. Elles faisaient parfois référence à des situations analogues rencontrées dans le passé et à l’observation de phénomènes locaux liés à ces situations, mais aussi à la nature du sol ou à l’orographie; par là même, elles donnaient un rôle primordial à l’expérience et au savoir-faire du prévisionniste.

Méthodes numériques

Ces méthodes subjectives ont été totalement remplacées dans les services météorologiques modernes par des méthodes numériques de prévision objective qui se sont développées au fur et à mesure de l’arrivée des grands ordinateurs scientifiques. Elles consistent à appliquer les équations de la mécanique et de la thermodynamique à l’atmosphère considérée comme un fluide régi par ces mêmes lois de la mécanique et de la thermodynamique et auquel on applique cependant un certain nombre d’hypothèses simplificatrices. Cela revient à remplacer l’atmosphère réelle par une atmosphère fictive, un modèle, qui ne suit pas exactement la même évolution que l’atmosphère réelle.

Divers types de modèles d’atmosphère sont utilisés actuellement. Bornons-nous à signaler quelques-uns de ceux qui ont été ou sont encore les plus employés dans les services météorologiques dotés d’équipement de calcul suffisamment puissants.

On a évoqué précédemment la tentative de L. F. Richardson pour résoudre les équations de prévision. Grâce aux hypothèses simplificatrices introduites ultérieurement, en particulier par Carl-Gustaf Rossby peu après la Seconde Guerre mondiale, les bases jetées par Richardson permirent d’obtenir les premiers résultats concrets de prévision numérique à partir du modèle barotrope , ainsi nommé pour exprimer que pression et température sont reliées dans l’espace par une relation unique.

Fondé sur la conservation du tourbillon absolu de vent dans une atmosphère très simplifiée, réduite à deux dimensions (le vent ne varie pas avec l’altitude) et s’appliquant généralement à un hémisphère, ce modèle donne des résultats satisfaisants pour des échéances de l’ordre de 24 à 48 heures: la prévision est généralement faite pour le niveau 500 hectopascals (environ 5 500 m), qui constitue la «couche moyenne» de l’atmosphère. Mais les insuffisances d’un tel modèle, qui ne peut faire état des mouvements verticaux de l’atmosphère, ont amené les météorologistes à utiliser des schémas de calcul dans lesquels la prise en considération des profils verticaux de vent et de température permet d’accéder au champ des vitesses verticales, dont on sait qu’elles sont étroitement liées à la formation des nuages et des précipitations. Ce sont les modèles baroclines .

Alors que le modèle barotrope permet la prévision de l’altitude de la surface isobare 500 hectopascals à partir d’elle-même, les modèles baroclines, ou «à plusieurs niveaux», partent de la connaissance de la topographie de plusieurs surfaces isobares et calculent l’état futur de ces mêmes surfaces. Les calculs sont plus complexes mais les résultats sont meilleurs que ceux du modèle barotrope.

On peut traiter ces modèles baroclines de diverses manières. La plus fréquente consiste à utiliser un système d’équations primitives comportant six équations d’évolution pour prévoir six paramètres: les trois composantes du vent, la température, la pression et une variable définissant le taux d’humidité.

Ces équations sont typiquement: les équations du mouvement de la mécanique des fluides (équations de Navier-Stokes) pour le champ de vent, l’équation de la thermodynamique (premier principe) pour le champ de température, l’équation de continuité pour le champ de pression et pour la quantité de vapeur d’eau. Ces équations aux dérivées partielles nécessitent une arithmétisation pour être résolues à l’aide de puissants calculateurs scientifiques.

On conçoit qu’un modèle atmosphérique doit prendre en compte des phénomènes d’échelles différentes, depuis les grands mouvements ondulatoires à l’échelle planétaire jusqu’à l’échelle de la microturbulence. Dans ces conditions, un modèle comporte nécessairement, comme il a été dit, des hypothèses simplificatrices, comme l’hypothèse de l’hydrostatique dans les modèles de l’échelle synoptique. Pour fixer les idées, les modèles opérationnels à l’échelle du globe ou d’un hémisphère, discrétisent l’atmosphère en un certain nombre de couches suivant la verticale (de 10 à 15) et en un certain nombre de points de calcul suivant l’horizontale (intervalles entre les points de l’ordre de 100 km).

À ce stade, il est indispensable de prendre en compte de façon indirecte les processus physiques qui se produisent au sein de l’atmosphère à une échelle inférieure à celle du modèle, à savoir les échanges radiatifs, l’influence des nuages, les précipitations, les interactions avec la surface terrestre, etc.

Il faut souligner que le perfectionnement de ces modèles, favorisé par l’accroissement considérable des capacités de calcul et par l’apport des données satellitaires, a permis d’augmenter sensiblement les performances des prévisions météorologiques au cours de la décennie de 1970; depuis lors, les prévisions locales de température et de précipitations en France ont pu être améliorées et portées progressivement jusqu’à 5 à 6 jours d’échéance.

Qualité et échéance des prévisions

L’expérience a donc montré que les modèles évoqués ci-dessus ont amené une amélioration sensible de la qualité des prévisions par rapport aux méthodes subjectives antérieures.

Depuis les années soixante-dix, les grands centres nationaux de prévision informatisés mettent en œuvre opérationnellement des modèles de prévision jusqu’à des échéances allant de 4 à 6 jours. Depuis 1980, en particulier, le modèle du Centre européen de prévision météorologique à moyen terme, situé à Reading près de Londres, fait chaque jour une prévision à 10 jours d’échéance sur l’ensemble du globe.

Tous les contrôles qui sont faits, soit statistiquement soit par jugement subjectif, montrent que ces prévisions sont très fiables pour la courte échéance (de 2 à 3 jours) et très utiles pour donner une tendance d’évolution à moyenne échéance, jusqu’à 5 ou 6 jours. En fait, on admet qu’avec les modèles déterministes, compte tenu des progrès réalisables, l’échéance de 10 à 15 jours sera effectivement atteinte.

Bien entendu, il faut avoir présent à l’esprit que l’échelle des phénomènes prévisibles n’est pas la même à 12 heures d’échéance et à 10 jours. Si, dans le premier cas, on peut prévoir avec une assez bonne précision l’arrivée d’une zone pluvieuse sur une région, dans le second cas, on ne pourra qu’indiquer un type de temps, par exemple sec ou humide, avec une certaine probabilité de précipitations.

Aujourd’hui, donc, la prévision du temps est une opération mixte qui fait intervenir, d’une part, une chaîne de traitement automatique, de la prise en compte des observations jusqu’à la présentation, sous forme de tableaux chiffrés ou de cartes, des résultats des modèles, d’autre part, le travail d’interprétation et d’adaptation de prévisionnistes expérimentés. Prenons l’exemple de l’aéronautique: en atmosphère libre, aux niveaux de vol des avions, les prévisions numériques de températures et vents sont directement utilisables en sortie d’ordinateur. En revanche, la prévision concrète du temps sur le trajet du vol, en termes de nébulosité, météores, turbulence, ainsi que la prévision des conditions d’atterrissage seront effectivement établies par un prévisionniste spécialisé à partir d’une synthèse des informations dont il dispose. (À noter, par ailleurs, que les méthodes statistiques de régression permettent d’établir des relations entre les paramètres prévus par les modèles et les éléments météorologiques à prévoir à l’échelle locale, comme les températures extrêmes ou la probabilité de pluie, neige, brouillard, etc.)

Enfin, dans le domaine de la longue échéance (supérieure à 10 jours), on ne peut espérer appréhender que les grandes lignes de l’évolution du temps, mais il faut reconnaître qu’il n’y a pas encore de méthode fiable de prévision. La recherche d’analogies entre situations du passé et situations présentes, l’extrapolation de cartes moyennes spatiales et temporelles font partie des méthodes empiriques qui ont été pratiquées pendant longtemps, mais avec des résultats généralement décevants. Aussi préfère-t-on dorénavant s’orienter, comme on l’a déjà dit, vers les méthodes numériques à l’aide de modèles de simulation de la circulation générale. On peut penser que, dans un avenir plus ou moins proche, ces méthodes permettront d’extraire des signaux utiles pour les prévisions à long terme.

4. Météorologie appliquée, gestion et développement socio-économique

Parmi les ressources naturelles d’un pays, le climat constitue un patrimoine dont la connaissance est primordiale tant par son côté positif, c’est-à-dire comme source de richesses renouvelables (eau, production agricole, énergies solaire ou éolienne, etc.), que par les contraintes qu’il impose (variabilité, phénomènes dangereux, transport de polluants, etc.).

Le suivi quotidien des paramètres atmosphériques et les apports de la prévision météorologique s’ajoutent aux données climatologiques pour faire de la donnée météorologique un facteur important de décision, de gestion et de développement de plus en plus reconnu dans l’éventail des activités socio-économiques contemporaines.

Le rôle économique de la météorologie et de la prévision du temps est apparu dès la fin du XIX^e siècle dans les domaines de la marine et de l’agriculture; c’est ainsi que la section de météorologie de l’Observatoire de Paris fournissait quotidiennement, en 1876, des renseignements destinés à l’agriculture à plus de 1 600 abonnés payants.

Mais l’aviation, et plus spécialement le transport aérien commercial, a procuré à la météorologie, depuis la Première Guerre mondiale, un domaine d’application en expansion rapide. Cela a conduit, d’une part, à multiplier centres de prévision et stations d’observation, d’autre part, à développer des instruments spécifiques, notamment pour la mesure de la visibilité et de l’altitude des nuages, en vue de mieux connaître et de mieux prévoir les perturbations à grande échelle ainsi que les phénomènes dangereux pour l’aviation.

La connaissance des vents aux diverses altitudes de vol a permis également de calculer les routes à temps minimal destinées à améliorer la rentabilité des long-courriers.

Dans les années soixante, de nouveaux domaines d’application sont apparus (lutte contre les incendies de forêts, construction et urbanisme, transports terrestres fluviaux, pêche hauturière, tourisme, activités sportives), d’autres se sont élargis (aviation supersonique, exploitation de plates-formes de forage en mer, lutte contre les gelées printanières) et sont devenus plus exigeants en raison des progrès réalisés en matière de prévision à courte et moyenne échéance.

De façon générale, on peut affirmer que de plus en plus d’activités économiques ou sociales utilisent de façon courante les informations météorologiques, tant pour des motifs de sécurité que pour des considérations de rentabilité ou de confort. Cela est confirmé par la croissance régulière du nombre d’appels enregistrés par les répondeurs téléphoniques. Il faut ajouter que le développement de la télématique, conjugué à la meilleure qualité des prévisions et aux nouvelles possibilités de signalisation des phénomènes à très courte échéance, grâce aux radars et aux satellites, est un facteur supplémentaire favorable à une utilisation élargie de l’information météorologique.

Vue sous l’angle statistique, la connaissance de cette information est une base de départ et souvent de décision dans un grand nombre d’études ou d’opérations, par exemple: détermination des ressources en eau d’une région; choix d’un site pour la construction d’ouvrages hydrauliques, d’aérodromes, etc.; études concernant la pollution en vue d’une implantation rationnelle de zones à urbaniser ou de complexes industriels: orientation de la production agricole (choix de nouvelles espèces, développement de l’irrigation); fixation de normes dans l’industrie du bâtiment, etc. (cf. EAU, HYGIÈNE, POLLUTION, SANTÉ, URBANISME).

En matière de prévision, il est important que l’usager puisse disposer d’une information adaptée à ses besoins, mais il faut aussi qu’il connaisse les limites de la technique dont il est bénéficiaire. Ces limites varient en fonction des échelles de temps et d’espace auxquelles il se place, d’où la nécessité d’une coopération étroite entre les météorologistes et les groupements d’usagers, qu’il est parfois nécessaire de créer, pour améliorer l’efficacité de l’assistance fournie.

Il faut mentionner à part la surveillance spéciale dont font l’objet les cyclones tropicaux, à l’aide de moyens tels que satellites, radars qui permettent de les détecter très rapidement et de mieux estimer leur évolution. Sous réserve de disposer de moyens rapides de diffusion des renseignements aux populations concernées et de dispositifs efficaces de sauvegarde, cette surveillance apporte un remède partiel aux conséquences de ces fléaux atmosphériques.

5. L’action de l’homme sur le temps

Un autre caractère de l’aspect utilitaire de la météorologie réside dans l’action que l’homme peut avoir sur son environnement atmosphérique. Lorsqu’on essaye d’évaluer les possibilités d’intervention sur le temps, il est intéressant de considérer les quantités d’énergie mises en jeu dans l’atmosphère et de les comparer à celles dont l’homme peut disposer. Ainsi l’énergie d’origine solaire reçue par la portion d’atmosphère qui recouvre quelques kilomètres carrés de sol, au cours d’une journée moyenne d’été sous les latitudes tempérées, équivaut à l’énergie produite en vingt-quatre heures par une centrale électrique de grande puissance (600 MW). De même, un cumulus moyennement développé contient sous forme de gouttelettes plusieurs milliers de tonnes d’eau liquide élevées à plusieurs kilomètres de hauteur et dont l’évaporation a exigé près de 10 000 milliards de joules. Enfin, une dépression océanique représente, du point de vue énergétique, plusieurs millions de mégatonnes de T.N.T., que l’on peut comparer aux quelques mégatonnes développées par une bombe thermonucléaire.

Ces quelques chiffres permettent de situer le problème et de comprendre pourquoi les résultats obtenus jusqu’ici dans le domaine de la modification du temps sont demeurés modestes, limités dans l’espace. Aussi les expérimentateurs ont-ils essayé d’intervenir sur certains phénomènes en équilibre métastable, par exemple en provoquant la libération d’une part de l’énergie disponible, amorçant de la sorte un processus susceptible de se propager de lui-même.

C’est ainsi que, pour déclencher la pluie, les expériences menées depuis 1946 ont consisté à introduire dans le nuage soit des noyaux de condensation hygroscopiques (sel marin ou chlorure de calcium anhydre) ou de l’eau pulvérisée lorsque la température est positive, soit des noyaux de congélation (neige carbonique, iodure d’argent) lorsque la température est négative. Dans le premier cas, on favorise à la fois la condensation et la coalescence des gouttelettes; dans le second, on fait cesser la surfusion et l’on provoque la croissance de cristaux de glace, qui se transforment par fusion en gouttes d’eau.

À la suite des travaux les plus récents, réalisés sous l’égide de l’Organisation météorologique mondiale, on ne peut, en dehors du cas particulier des nuages orographiques, avancer de résultat positif concernant les possibilités opérationnelles de ces méthodes; c’est pourquoi il a été recommandé que les recherches visant à améliorer nos connaissances relatives à la microphysique des nuages et aux mécanismes de formation des précipitations soient poursuivies et amplifiées.

Les conditions de dissipation des brouillards, ou dénébulation, ont fait de leur côté l’objet de recherches et d’expérimentations nombreuses qui ont abouti à des résultats assez satisfaisants sur le plan local, tout au moins en ce qui concerne les brouillards à température négative formés de gouttelettes en surfusion. Dans de tels cas, l’introduction de noyaux de congélation ou le refroidissement brutal provoqué en quelques points du nuage amorcent la formation de cristaux de glace qui se déposent sur le sol. Des essais de dissipation de brouillards «chauds» ont également été entrepris sur des pistes d’aéroport par apport massif de chaleur et création de turbulence.

Dans le domaine agricole, l’intervention sur les facteurs climatiques s’est jusqu’ici cantonnée à des actions qui tendent essentiellement à modifier artificiellement l’environnement immédiat des plantes. On peut citer en particulier, outre la culture sous serres, les brise-vent tendant à réduire l’évapotranspiration des plantes, l’irrigation, la lutte contre le gel qui peut revêtir diverses formes (nuages artificiels de gouttelettes d’eau, humidification du sol, emploi de brûleurs).

Un des objectifs visés a été également la réduction des risques de grêle, fléau qui cause chaque année des dégâts importants aux récoltes. Malgré des essais nombreux tentés dans divers pays, il n’est pas possible d’affirmer que les résultats obtenus soient suffisamment probants pour que l’on puisse en tirer des conclusions définitives; sur ce sujet, de nombreuses recherches sont encore nécessaires, en particulier pour mieux connaître les mécanismes de formation de la grêle.

D’une manière générale, les travaux de recherche menés dans le domaine de la modification du temps sont de plus en plus orientés vers l’amélioration de modèles mathématiques destinés à simuler des phénomènes naturels afin d’en déduire les modifications susceptibles d’être apportées par les interventions humaines.

C’est en effet de cette manière que l’homme parviendra à estimer les conséquences les plus probables, directes et indirectes, de ses actes afin d’orienter l’énergie dont il dispose de la manière la plus judicieuse et la plus rentable à court et à long terme.

• 1547; gr. meteôrologia

1 ♦ Étude scientifique des phénomènes atmosphériques. ⇒ temps. La météorologie étudie les pressions (anticyclone, cyclone, dépression), les courants (vents), les températures, la présence de l'eau dans l'atmosphère (nuages, précipitations). Détermination, prévision du temps par la météorologie.

2 ♦ Par ext. Service qui s'occupe de météorologie. Travailler à la Météorologie nationale. — Abrév. (1917) MÉTÉO [ meteo ]. Bulletin de la météo. Météo marine.

Synonymes :

n. f. Science ayant pour objet la connaissance des phénomènes atmosphériques et des lois qui les régissent, et l'application de ces lois à la prévision du temps. (Abrév.: météo).

⇒MÉTÉOROLOGIE, subst. fém.

A. — 1. Science ayant pour objet l'étude des phénomènes atmosphériques et la prévision du temps (par acopope, usuel et fam., météo, inv.). Tristes leçons de météo dans le fond d'un hangar glacial (SAINT-EXUP., Terre hommes, 1939, p. 141). L'aéronautique qui, si elle n'a pas été la première utilisatrice de la météorologie (ce furent la marine et l'agriculture) demeure encore, par certains côtés, la principale (Météor. fr., 1963, p. 18):

• 1. Une science nouvelle, sous le nom de météorologie, apprend à connaître, quelquefois à prévoir, les phénomènes de l'atmosphère, dont elle nous fera découvrir un jour les lois encore inconnues.

CONDORCET, Esq. tabl. hist., 1794, p. 178.

2. P. méton. Service chargé d'établir et de communiquer les prévisions météorologiques ; le bulletin de ces prévisions et son contenu. Météorologie Nationale ; bulletin de la météo; la météo n'est pas bonne. Je téléphone à cinq heures du matin à la météo de Sarion et si le temps est tant soit peu bouché j'y vais (MALRAUX, Espoir, 1937, p. 810). Aron qui faisait son service militaire dans la météorologie (BEAUVOIR, Mém. j. fille, 1958, p. 338):

• 2. La météo, reconnaissant que la moyenne d'ensoleillement est nettement déficitaire par rapport à la normale, nous annonce un temps meilleur à partir de jeudi.

L'Est républicain, 26 juill. 1981, p. 2.

B. —P. méton. Temps qu'il fait; ensemble des conditions atmosphériques. Tout m'incite à croire que j'ai franchi le Nil: la météo, mon temps de vol (SAINT-EXUP., Terre hommes, 1939p. 220). On n'avait jamais vu un tel rassemblement populaire pour un concert. Las, seule la météorologie manquait son rendez-vous (Le Matin, 24 juin 1981, p. 31):

• 3. «Une excellente forme physique et une bonne météo, voilà les deux secrets de la réussite», dit-il [un reporter]. La météo n'a jamais été aussi exécrable qu'en Israël, auprès de la Mer Morte, où devait se dérouler une chasse au trésor.

Télé 7 Jours, 26 sept.-2 oct. 1981, n° 1113, p. 122, col. 3.

Prononc. et Orth.: [], [meteo]. Att. ds Ac. dep. 1835: météorologie. Étymol. et Hist. I. 1547 meteorologie (A. MIZAULD, Mirouer du temps, f° 45 v°); 1587 «étude des météores, des phénomènes atmosphériques» (CHOLIÈRES, Contes, t. II, 8^e apres-disnée ds LITTRÉ Suppl.). II. 1917-18 arg. des tranchées subst. fém. météo (d'apr. ESN. Poilu 1919). I empr. au gr. «recherche ou traité sur les corps ou les phénomènes célestes». II abrév. de météorologie. Fréq. abs. littér. Météorologie: 37. Météo:11. Bbg. QUEM. DDL t.23 (s.v. météo).