météorologie
météorologie ( Grec ancien μετεωρολογία météorologie « L’étude des choses surnaturelles ou des corps célestes » [1] ) est l’étude des processus physiques et chimiques dans l’atmosphère et comprend également ses domaines d’application les plus connus – la Prévisions météorologiques et le Climatologie . [2] [3]
À propos de la physique atmosphérique, le Recherche sur le climat et en améliorant les méthodes de prévision météorologique, la météorologie étudie également les processus chimiques (par exemple Formation d'ozone , Gaz à effet de serre ) dans l' atmosphère et observe l'atmosphère Phénomènes célestes . Elle sera parmi les sciences de la terre compté et se trouve dans les universités (voir Les études météorologiques ) sont souvent réalisées par les instituts de géophysique ou le respectif factorielle pour la physique.
Histoire de la météorologie
Origines
Observation météorologique était déjà pour nous Nomades ancêtres vivants d'intérêt. L'observation et l'enregistrement de la météo locale étaient – et sont toujours – une base importante pour les agriculteurs pour prendre des décisions fondamentales : quand semer mec, quand récoltes-tu ?
· Plus vous semez tôt, plus la saison de croissance possible jusqu'à la récolte sera longue ; Cependant, si le semis est effectué plus tôt, il existe un risque de pertes dues aux effets climatiques sur les jeunes graines.
· Plus vous récoltez tard, plus le rendement est élevé. Il peut toutefois être préférable de récolter un peu plus tôt, par exemple B. pour les mettre à l'abri d'une tempête imminente ou d'une période de mauvais temps
L’observation et la recherche météorologiques peuvent également servir à des fins militaires. Par exemple, batailles navales Une prévision précise de la direction et de la force du vent est utile, voire cruciale.
Le Découverte de l'Amérique fut le début de la « conquête des océans du monde ». L’augmentation du trafic maritime intercontinental a apporté de nombreuses nouvelles connaissances sur les phénomènes météorologiques. Sur les navires, la météo était observée en détail et en registre enregistré.
Les premières approches théoriques fournies Albert le Grand : Dans son traité De natura locorum il a décrit la dépendance des propriétés d'un lieu à sa situation géographique. De telles approches ont continué à avoir un impact, visible par exemple dans une brève présentation de la climatologie théorique par l'astronome viennois Georg Tannstetter (1514). [4]
Une première révolution dans la météorologie a commencé entre 1880 et 1900, lorsque les services météorologiques des différents États ont pu échanger leurs données météorologiques via la télégraphie avec et sans fil, permettant ainsi une comparaison rapide des données. Cela a permis de produire pour la première fois des cartes météorologiques synoptiques.
20e siècle [
Après l’invention de l’avion (le premier Montgolfière (volé en 1783) des ballons ont été utilisés pour mieux explorer le temps dans la basse atmosphère (voir aussi ballon météo ; Article principal : Chronologie de l'aviation ).
Depuis l’invention du vol motorisé en 1909, l’importance de Recherche météorologique à. Les avions sont devenus des objets de recherche importants avec lesquels la météo (par exemple les « nuages vus d'en haut ») pouvait être observée ou photographiée sur de grandes surfaces et les données météorologiques pouvaient être mesurées.
De nombreux avions ont été utilisés pendant la Première Guerre mondiale ; initialement à Lumières ; plus tard également pour avoir largué des bombes. La technologie des aéronefs (par exemple, l'altitude de vol maximale, la portée, la vitesse) s'est développée très rapidement (voir par exemple Force aérienne (Empire allemand) , Armée de l'air française , (Royal Air Force ).
Pendant la Seconde Guerre mondiale, le système s'est développé dans les années 1930 radar utilisé; elle a permis l'acquisition de nouveaux types de données d'observation météorologique (voir Radar météorologique ).
Au cours de la Seconde Guerre mondiale, toutes les nations belligérantes ont massivement augmenté leurs forces aériennes (elles se sont avérées décisive pour la guerre ); le premier avion à réaction ont été construits; de grandes quantités de données météorologiques ont été collectées. Ils ont développé et construit Des avions de chasse qui ont des performances particulièrement élevées Hauteurs de plafond de service pourrait atteindre. par exemple B. a atteint l'avion allemand Ta 152 ou le soviétique Yak-9PD environ 14 km d'altitude ; Peu de temps auparavant, une hauteur maximale d'environ 4 km pouvait être atteinte.
Le Wehrmacht entretenu de 1941 à 1945 Stations météorologiques dans l'Arctique .
Après la guerre, le Guerre froide ; De nombreux pays ont fait de grands efforts pour étudier la météo (par exemple le projet américain « Thunderstorm »). En outre, ils ont développé et construit Avion de reconnaissance capable de voler si haut qu'il ne pouvait pas être atteint par les missiles terrestres ennemis à cette époque. L'avion espion Lockheed SR-71 a un plafond de service de 24 385 mètres.
La recherche météorologique à haute altitude a été principalement utilisée pour Les voyages dans l'espace , en particulier vol spatial habité (voir aussi La course à l'espace pendant la guerre froide ) et le développement de Missiles intercontinentaux . En 1957, l’Union soviétique a lancé la premier missile intercontinental fonctionnel ; Quelques semaines plus tard, elle a apporté Spoutnik 1 et Spoutnik 2 deux satellites dans l’espace, déclenchant le « choc Spoutnik » en Occident.
Une étape importante pour la recherche météorologique a été l’utilisation de Satellites météorologiques . Le premier a été lancé en 1960 ; De 1960 à 1966, les États-Unis ont lancé un total de 10 Les satellites TIROS . De 1968 à 1978, ils en ont pris huit (dont un faux départ) Les satellites NIMBUS . Ils avaient également des caméras infrarouges à bord. Cela nous permet de filmer les phénomènes météorologiques (par exemple les nuages) – même la nuit – et de quantifier la quantité de chaleur que les parties chauffées de la surface de la Terre (les masses terrestres, et dans une moindre mesure les surfaces d'eau) rayonnent dans l'espace la nuit (voir Terre#Bilan énergétique global ).Météorologie par satellite est considérée comme une branche indépendante de la météorologie.
Parmi les chercheurs météorologiques les plus connus, on peut citer : B.
· Karl Ludwig Gronau (1742–1826)
· Guillaume Jacob van Bebber (1841–1909)
· Ludwig Friedrich Kämtz (1801–1867)
· Karl Schneider-Carius (1896-1959)
21e siècle
Un bond en avant dans les prévisions météorologiques est rendu possible par les progrès rapides dans Traitement électronique des données (« EDP ») et la croissance rapide Puissance de calcul . Des quantités de données toujours plus importantes provenant d’un nombre toujours plus grand de stations de mesure sont traitées. Les algorithmes sophistiqués utilisés pour les évaluer nécessitent une puissance de calcul énorme. Cela rend les prévisions plus précises et également plus détaillées dans leur résolution locale. [5] [6] [7]
Général
Bien que l’accent principal de la météorologie soit mis sur les processus dynamiques à grande échelle au sein du climat actuel, l'atmosphère terrestre Cependant, les modèles développés dans le cadre d’une meilleure compréhension de la dynamique météorologique sont également applicables à d’autres Systèmes transférable.
Par conséquent, limité Climats intérieurs ou Climats urbains , atmosphères extraterrestres ou des atmosphères du passé ère géologique ( La paléoclimatologie ) est l'un des objets d'étude en météorologie. Cependant, ces derniers ne jouent généralement qu’un rôle majeur dans la recherche, où ils servent parfois de « terrain de jeu » pour améliorer les modèles qui décrivent également l’atmosphère terrestre actuelle. Par conséquent, des tentatives sont faites pour créer une base de données sécurisée grâce à des observations précises de l'atmosphère terrestre et, en même temps, pour utiliser ces données pour créer une compréhension toujours meilleure des conditions météorologiques. Processus à utiliser. [9]
De nombreuses méthodes, approches et idées de la météorologie dynamique proviennent du La dynamique des fluides trouve d'autres applications dans Océanographie , géophysique et Ingénierie ainsi que dans presque toutes les sciences de l’environnement .
La météorologie est – en dehors de la Observation météorologique (Météorologie) – un jeune Science . Il a une approche extraordinairement interdisciplinaire, ce qui signifie qu’il combine de nombreuses sciences différentes. Les disciplines scientifiques utilisées ou abordées par la météorologie comprennent :
· physique ( Dynamique des fluides , Thermodynamique , Électromagnétisme , Optique )
· mathématiques ( Numériques , équations aux dérivées partielles , Analyse fonctionnelle , Algèbre linéaire )
· L'informatique (langages de programmation, Algorithmique , traitement des grands Volumes de données , processus juste-à-temps, visualisation)
· Chimie ( Chimie de l'ozone , Chimie de l'azote , Chimie du carbone )
· sciences de la terre ( Climatologie , Paléoclimatologie , Glaciologie )
· biologie ( Impact climatique , influence de la végétation sur le temps/climat)
La météorologie peut être divisée en différentes branches, dont certaines se chevauchent considérablement.
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Sous-zones |
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selon la procédure |
selon les conditions spatiales |
selon les techniques appliquées |
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météorologie générale |
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météorologie expérimentale |
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Micrométéorologie |
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Météorologie maritime |
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Météorologie alpine |
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Météorologie glaciaire |
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Cette compilation n'est pas complète. En particulier, la météorologie traite non seulement de la troposphère , la couche la plus basse de l'atmosphère, mais aussi de stratosphère et dans une certaine mesure même avec Mésosphère et Thermosphère .
Sources de données et qualité des données
La tâche la plus importante et en même temps le plus grand problème de la météorologie en tant que empirique La science consiste à recueillir, traiter et, en particulier, évaluer et comparer des données. Contrairement à d’autres sciences naturelles, en météorologie, des conditions de laboratoire contrôlables ne peuvent être créées que pour une petite minorité de questions. La collecte de données météorologiques est donc généralement liée aux conditions cadres fournies par la nature, qui reproductibilité des résultats de mesure et en particulier du réductionnisme sur des questions fermées auxquelles on peut répondre par la mesure.
Le plus important Tailles de base sont:
· humidité ( point de rosée )
· Direction du vent ou direction principale du vent
· Vitesse du vent (phénoménologique) ou Vitesse du vent ( vecteur , horizontal et vertical)
· Albédo
Bon nombre de ces mesures sont Jardins climatiques soulevé.
Ces tailles sont fournies dans différents formats standards pour l'échange de données. Dans l’aviation, par exemple, le Bulletin météorologique de routine pour l'aviation Le code (METAR) est utilisé pour la transmission de données météorologiques à partir de stations terrestres de la SYNOP Code FM12/13, les données obtenues en mer sont cryptées avec le code du navire. À Classification Différents outils peuvent être utilisés pour déterminer les caractéristiques d’un paramètre. Par exemple, pour le vent, le échelle de Beaufort ou le Tableau de marquage visuel servir de station météorologique. Selon le statut d'une station météorologique dans le réseau de mesure (station climatique, station de mesure des précipitations ou station synoptique), les données météorologiques sont collectées toutes les heures ou 2 à 3 fois par jour (à 7, 12, 19 ou 7 et 19) et sont échangées au niveau international et traitées au niveau national. Les données sont fournies par une variété de données météorologiques. appareils de mesure La liste suivante ne répertorie que les exemples les plus importants de cette variété :
· ou thermographe (Température ou enregistreur de température)
· hygromètre ou Hygrographe (Enregistreur d'humidité ou d'humidité de l'air)
· Thermohygrographe (Enregistreur de température/humidité)
· baromètre ou barographe (manomètre ou enregistreur de pression d'air)
· Pluviomètre ou pluviomètre/ombromètre (type de précipitations/quantité de précipitations)
· anémomètre (vitesse du vent) ou manche à air (vitesse/direction du vent)
· girouette (direction du vent)
· SODAR (vitesse/direction du vent)
· Aérographe (peu courant en Europe) ou le Anémographe ou enregistreur de direction et de vitesse du vent
· Radar de précipitations ( Radar Doppler)
· Lysimètre (Rapport infiltration-évaporation → Évapotranspiration )
· Radiomètre Net / Radiomètre Netto ( Appareil de mesure du bilan radiatif )
· Pyranomètre (Capteur de rayonnement global)
· albédomètre (Rayonnementmètre réflexe)
De nombreux problèmes découlent de la diversité des instruments de mesure, du type de grandeurs mesurées et des finalités de leur utilisation.
Pour le Mesurande précipitation Par exemple, divers appareils de mesure permettant de détecter la pluie, la rosée, la neige et la grêle sont largement utilisés et ont fait leurs preuves dans la pratique. Pour des raisons méthodologiques, l'enregistrement des liquides ( pluie , rosée ) et solide ( neige , Les précipitations de grêle et la valeur mesurée sont donc classées en fonction des types de précipitations enregistrées. La précision de mesure des méthodes disponibles dans le commerce pour déterminer les précipitations liquides peut être estimée à environ 30 % ; celle des précipitations solides n’est pas meilleure. D'autres hydrométéores sont détectés en aspirant une quantité d'air ou en les déposant sur des tiges et sont dosés volumétriquement.
La qualité des mesures de précipitations est principalement influencée par les paramètres suivants : vent, température de l'air, hauteur d'installation au-dessus du sol, évaporation et emplacement d'installation. La question de leur comparabilité et des corrections nécessaires fait l’objet de discussions scientifiques ; De nombreuses comparaisons ont déjà été effectuées pour différents pluviomètres (voir OMM ou CIMO ).
La mesure d'autres grandeurs météorologiques est également sujette à des problèmes similaires, quoique moindres : par exemple, pendant longtemps, la composante verticale de la vitesse du vent n'a pas pu être mesurée correctement et même aujourd'hui, la mesure de la composante verticale Dégradés très complexe. Les mesures se limitent donc généralement à des mesures au sol, en utilisant des distances au sol normalisées de deux ou dix mètres, selon la valeur mesurée. Il convient de noter qu’une seule mesure météorologique est presque dénuée de sens et que la dynamique météorologique à des échelles spatiales plus grandes ne peut être comprise et prédite qu’à travers un grand nombre de mesures. Cependant, ces mesures doivent être comparables, c'est pourquoi standardisation et standardisation L'utilisation d'instruments et de méthodes de mesure en météorologie est très importante, mais ne peut être mise en œuvre que dans une mesure limitée en raison de divers problèmes pratiques. On parle donc aussi de réseaux de mesure et la création de Stations météo . Ceux-ci suivent généralement le Directive VDI 3786 ou autres, en partie dans le monde entier par le Lignes directrices normalisées de l’Organisation météorologique mondiale .
Outre la comparabilité spatiale des données, nécessaire aux prévisions météorologiques, il existe également la comparabilité temporelle, qui joue un rôle crucial, entre autres, pour les prévisions climatiques. Le développement des instruments de mesure et donc de la Précision de mesure au analyse Si certaines données très anciennes ne sont pas prises en compte, ces données n'ont presque aucune valeur scientifique, c'est pourquoi des instruments de mesure obsolètes qui n'ont pas été modifiés depuis des décennies sont encore largement utilisés dans le monde entier. Il s’agit également d’une question de coût, car il n’est pas toujours judicieux d’utiliser les instruments de mesure les plus modernes et donc les plus chers, car ceux-ci ne sont abordables que pour certains pays ou instituts. De plus, chaque changement de l'équipement de mesure s'accompagne d'un changement de Qualité des données liés, ce qui dans le cas de séries de mesures plus longues et très précieuses de plusieurs décennies à quelques siècles peuvent facilement conduire à des hypothèses ou des interprétations erronées peut conduire à des tendances . Par conséquent, afin de garantir la comparabilité, une valeur plus élevée précision renoncé. À un réchauffement climatique de quelques-uns degrés Celsius Ces données très anciennes sont généralement de peu d’utilité, car leur erreur de mesure dépasse généralement l’effet de ces éventuels changements de température. Une grande partie des arguments des soi-disant « climato-sceptiques » repose sur ces données en partie controversées, mais il existe également d’autres archives climatiques naturelles. avec des données beaucoup plus précises sur de très longues périodes de temps. La discussion sur l’importance des relevés de température a conduit, entre autres, à... Projet BEST au Université de Berkeley occupé.
En raison de facteurs spécifiques au site, au personnel et aux techniques de mesure, il est donc nécessaire d'examiner de manière critique les données de mesure et de les classer correctement. En météorologie, l'accent est mis sur l'analyse des données spatiales Au premier plan, dans la climatologie par ailleurs étroitement liée, l'analyse des données temporelles ( analyse des séries chronologiques ) joue cependant le rôle principal.
Mesure du rayonnement
L'extraction de quantités physiques à partir de mesures effectuées dans divers domaines de la spectre électromagnétique est un défi qui ne peut être relevé qu'avec un grand effort technique et l'utilisation de modèles réussit.
Mesure par satellite [
Un outil important pour les météorologues, en particulier La météorologie par satellite , aujourd'hui issue de la Les satellites , en particulier les Météo- et Satellites environnementaux . Une distinction est faite entre satellites géostationnaires , qui sont ancrés stationnaires au-dessus de la Terre à une altitude de 36 000 km, et les satellites qui sont basés sur un LION orbitent autour de la Terre à une vitesse de 400 à 800 km. Grâce à la collecte à grande échelle de données de mesure, les satellites peuvent être utilisés pour capturer et finalement comprendre les relations mondiales.
Ce n’est que grâce aux satellites qu’il est aujourd’hui possible d’obtenir des informations sur l’atmosphère sous forme d’observations à l’échelle mondiale et avec une résolution quotidienne. En particulier, l’état et la composition de la haute atmosphère (stratosphère, mésosphère, thermosphère) ne peuvent être étudiés efficacement qu’à l’aide de satellites.
Une haute résolution spatiale et temporelle des données satellitaires est souhaitable car elle permet une surveillance efficace des composants atmosphériques et de leurs changements. Par exemple, les données satellitaires fournissent des services précieux dans le suivi du développement des trous d’ozone, car les mesures satellitaires peuvent être utilisées pour estimer directement la teneur en ozone par altitude et par jour avec une grande précision. De nombreuses autres atmosphères Gaz traces sont surveillés de cette manière (par exemple méthane , dioxyde de carbone , vapeur d'eau ), mais aussi Pression et température dans l' atmosphère peut être déterminé de manière très précise et spatialement précise. Le développement continu des instruments et la tendance vers des satellites de petite taille et hautement spécialisés permettent également de suivre les perturbations anthropiques de la composition atmosphérique. Grâce aux mesures in situ (par exemple par ballon) et aux calculs de modèles, une image de plus en plus complète de l'état de l'atmosphère terrestre apparaît progressivement.
Les données satellitaires troposphériques sont utilisées pour obtenir des informations sur Régions pour obtenir des données qui ne sont accessibles à aucune autre méthode de mesure. Les estimations de précipitations ou les déterminations de la vitesse du vent sur la océans . Il n’existe pas de réseau de mesure dense et, pendant longtemps, ils ont dû s’appuyer sur des systèmes à grande échelle. Les extrapolations de données en dépendent, ce qui signifie encore aujourd'hui que dans des conditions météorologiques fortement maritimes, par exemple sur la côte ouest Amérique du Nord , beaucoup plus bas Qualités prédictives peuvent être atteints que dans des conditions météorologiques continentales. Tous les systèmes non basés sur satellite Collecte de données sur l'océan viennent de navire ou Mesures des bouées ou à partir de stations de mesure sur des sites isolés Îles . La connaissance des conditions météorologiques sur les océans peut donc conduire à une amélioration des prévisions globales des événements de précipitations à côtes . Ceci est particulièrement vrai pour mousson pays touchés, tels que L'Inde , une information vitale.
Les données satellitaires sont utilisées, par exemple via ce qu'on appelle l'assimilation de données, comme base dans climatologie utilisés pour améliorer ou soutenir leurs modèles et pour garantir une compréhension complète et cohérente Collecte de données pour permettre.
Travailler avec des données satellitaires nécessite une connaissance approfondie des Informatique et la technologie et les techniques associées (par exemple, la programmation efficace). De grandes quantités de données (aujourd’hui de l’ordre de plusieurs téraoctets) doivent être reçues, transmises, stockées, traitées et archivées.
Modèles et simulations [
Notamment en climatologie ( modèle climatique ), mais aussi en météorologie ( prévision numérique du temps ) et en télédétection jouer Modèles un rôle exceptionnel. Ils acquièrent leur importance grâce à divers facteurs :
· Avec le développement croissant de Technologie de mesure et la demande croissante de prévisions météorologiques, la quantité de données augmente également augmenté énormément. Cela signifie qu'un écrit Évaluation les données sur Cartes météorologiques ne suffit plus. Les modèles simplifiés et les simulations informatiques sont donc plus rapides, plus rentables et permettent une évaluation complète des données.
· Les périodes au cours desquelles de nombreux effets, par exemple Les fluctuations du niveau de la mer se produisent sur une période de temps énorme et ne peuvent être simulées qu’avec des modèles. Elles ne sont pas directement observables et, de plus, il n’existe pas de séries de mesures continues et qualitativement suffisantes pour de telles périodes. Les météorologues n’ont donc généralement pas Laboratoire dans lequel ils peuvent effectuer des mesures et donc s'appuyer sur des modèles théoriques. Il faut ensuite les comparer aux effets réellement observés. Les exceptions incluent la chambre climatique AIDA du Centre de recherche de Karlsruhe et la chambre climatique à Centre de recherche de Juliers .
Le conception des modèles est tout aussi difficile que la conception de leur contenu. Uniquement des modèles qui reflètent la nature décrire de la manière la plus adéquate possible, peut être utilisé de manière significative dans la recherche et la pratique. Étant donné que de tels modèles peuvent facilement occuper des centres de données entiers en raison de la complexité du système modélisé, une solution efficace Algorithmique , c'est-à-dire simplifier la nature statistique L'hypothèse, point important dans le développement des modèles. C'est la seule façon de maintenir le temps de calcul et donc les coûts à un niveau gérable.
Dans les années 1920, le mathématicien Lewis Fry Richardson Des méthodes ont été développées pour aider l’énorme complexité des modèles météorologiques mathématiques pourraient être abordés. Ceux-ci constituent encore souvent la base des données météorologiques. Simulations ( modèle de simulation ) sur Supercalculateurs . Ce n’est donc pas sans raison que ceux-ci sont souvent utilisés pour simuler la dynamique météorologique ou climatique, même s’ils atteignent vite leurs limites, malgré leur taille parfois gigantesque.
Il existe différents types de modèles atmosphériques distinguer approximativement : Modèles de transfert radiatif (par exemple KOPRA), Modèles de transport chimique (par exemple ECHAM ) et modèles dynamiques. Cependant, la tendance est aux modèles intégrés ou « modèles mondiaux » qui représentent l’ensemble de la nature (SIBERIA 2).
Lors de l’amélioration de la qualité des modèles, comme c’est le cas partout dans la modélisation physique, des méthodes statistiques et des observations expérimentales, de nouvelles idées, etc. sont intégrées au processus. Un exemple bien connu est le développement qui a conduit à la constatation que le changement des quantités de gaz traces dans l'atmosphère (par exemple Dioxyde de carbone ou L'ozone ) conduit à un développement de chaleur « malsain » de la biosphère peut conduire à (par exemple, effet de serre , refroidissement de la stratosphère ). La découverte de la trou dans la couche d'ozone et accroître l’attention des scientifiques sur les questions connexes Chimie atmosphérique tombe dans cette catégorie.
Le modèle météorologique le plus simple et en même temps le premier test pour tous les modèles de prévision météorologique nouvellement développés est le simple transfert du temps actuel au futur. Le principe simple du temps constant s'applique ici, on suppose donc que le temps du lendemain sera le même que celui du jour actuel. C'est ce qu'on appelle la prédiction de persistance. Étant donné que les conditions météorologiques restent souvent presque les mêmes pendant longtemps, cette hypothèse simple a déjà une probabilité de succès d’environ 60 %.