in

Météorologie : le fonctionnement d’un front atmosphérique, bien plus subtil qu’on ne le croit !

Enroulement dépressionnaire dans le nord-ouest du Pacifique le 28 mars 2019. On devine bien l'emplacement de la dépression et du front froid. Crédits : Wikimedia Commons.

Dans cet article, nous explicitons la façon dont fonctionne un front atmosphérique de grande échelle – échelle dite synoptique. Loin des idées reçues et autres lieux communs, nous introduisons une description en phase avec les connaissances modernes sur le sujet. Pour plus de détails, le lecteur pourra se reporter aux références données en bas de page. 

Les dépressions et les fronts sont des systèmes météorologiques qui participent à redistribuer la chaleur, l’eau et le mouvement à grande échelle. Ce faisant, ils assurent – entre autres – la pérennité des ressources hydriques dans les zones où ils circulent. En effet, chacun sait qu’une dépression ou un front s’accompagne usuellement de mauvais temps. Dit autrement, de précipitations et de vent, le tout sous un ciel souvent gris et bas. Parfois, cela prend même la forme d’une puissante tempête !

Comment ne fonctionne pas un front 

Prenons l’exemple d’une situation relativement fréquente. Imaginons qu’une période de beau temps assortie de températures très douces pour la saison règne depuis plusieurs jours sur le territoire. Toutefois, un front froid actif pointe le bout de son nez par l’ouest du pays. D’ici 24 heures, l’écharpe pluvieuse et venteuse aura traversé la majorité des régions d’ouest en est. Elle concrétise un changement de temps signant temporairement la fin des beaux jours.

L’explication que l’on a coutume d’entendre aux bulletins TV – à l’image de celle propagée par nombre d’ouvrages de vulgarisation – part du principe qu’un front atmosphérique est une zone d’affrontement entre l’air chaud et l’air froid. La dénomination historique de front continue probablement d’alimenter cette image d’Épinal. Avec l’exemple donné ci-dessus, on pourrait ainsi dire que « l’air froid plus lourd gagne le combat et pousse le front vers l’est à mesure qu’il soulève l’air chaud sur son passage ». Soulèvement dont on sait qu’il est responsable de la formation de nuages et de précipitations.

satellite front atmosphérique
Une dépression atlantique et son front froid. Un ciel de traîne se déploie à l’arrière du front atmosphérique, reconnaissable par les multiples petits points blancs que sont les cumulus et cumulonimbus. Crédits : Wikimedia Commons.

Toutefois, en réalité les choses se passent de manière bien différente. Et pour cause, à cette échelle, la contrainte liée à la rotation de la Terre n’autorise pas un fonctionnement de type « courant de gravité ». En fait, on observe seulement une telle mécanique au niveau de phénomènes de petites dimensions comme les cellules orageuses. Mais en ce qui concerne les fronts synoptiques, se référer à un air polaire plus lourd doté d’une plus grande inertie que l’air chaud est hors sujet. En pratique, cela peut s’apprécier par la valeur d’un paramètre nommé rayon de déformation barocline.

Pour résumer, la déviation de Coriolis contraint le fluide à circuler parallèlement au front. Aussi, on comprend pourquoi l’air froid n’est pas en mesure de forcer le soulèvement de l’air chaud à l’avant comme cela peut s’observer près d’un orage. Alors comment oeuvre réellement la machinerie frontale ?

Comment fonctionne réalistement un front

L’esquisse d’une limite frontale apparaît lorsque la circulation synoptique renforce le contraste – ou gradient – thermique dans une zone donnée. Ce processus se produit par déformation du champ de température. Un peu comme lorsque l’on tire un matériau élastique par les bords : la section transverse se contracte. Si des marques repères sont placées au préalable, on constate effectivement leur rapprochement.

Or, le fait de resserrer le gradient thermique met en route une circulation verticale analogue à un petit moteur autour de la jeune limite frontale. Pourquoi ? Car la pression diminue moins rapidement avec l’altitude dans l’air chaud que dans l’air froid. Accentuer le contraste thermique accentue donc également la différence de pression en altitude. Par conséquent, l’air accélère du sommet de la colonne chaude vers le sommet de la colonne froide, ce qui redistribue la masse atmosphérique (voir les figures ci-dessous).

front 2
Haut : (a) Répartition de la pression en fonction de l’altitude (axe vertical) et de la latitude (axe horizontal) dans un cas équilibré. Les lignes fines quasi-horizontales représentent deux isobares. (b) Évolution lorsque le gradient thermique se renforce. Le gradient de pression se renforce également et une circulation verticale s’enclenche (flèches en pointillés). Les flèches en noir foncé indiquent les forces de pression (PGF) et de Coriolis. Bas : cette figure représente la circulation frontale résultante. On parle aussi parfois de moteur frontal car du travail est obtenu à partir de deux sources thermiques. Dans cet exemple idéalisé, il s’agit d’un front froid progressant vers la gauche. Warm = air chaud. Cold = air froid. Crédits : Peter S. Ray / Howard B. Bluestein.

Résultat : en surface, la pression baisse côté chaud du front et augmente côté froid. Cette nouvelle répartition de pression dirige l’air de basse couche depuis le secteur froid vers le secteur chaud. C’est-à-dire, tout l’inverse de ce qu’il se passe en haute atmosphère. Par conservation de la masse, les mouvements horizontaux s’accompagnent d’un courant ascendant dans l’air chaud (bande pluvieuse!) et descendant dans l’air froid (accalmie!). Cette mécanique très subtile est résumée par les figures précédentes sous forme de schémas généreusement simplifiés.

Une dynamique (très) complexe et peu intuitive

Encore une fois, on voit que le soulèvement de l’air chaud n’est pas forcé par l’air froid. Par ailleurs, l’apparition de la circulation verticale devient vite le mécanisme dominant d’intensification de la zone frontale – frontogenèse par convergence. Une réaction en chaîne se met en place : plus le front se renforce, plus la circulation verticale s’active, ce qui renforce le front… Et ce, jusqu’à ce qu’un pseudo-équilibre soit atteint entre les diverses forces en présence (pression, Coriolis, frottement, etc.). La figure plus bas illustre la dynamique d’auto-amplification qui vient d’être décrite.

Arrivé à ce stade, revenons à la remarque que nous avions formulée en première section. La rotation terrestre contraint l’air à circuler parallèlement au front atmosphérique, expliquait-on. Or, nous venons de décrire un mécanisme qui mène à l’apparition d’une composante perpendiculaire au front. Comment rendre compte de cette réalité apparemment paradoxale ?

front circulation
Rétroaction de la circulation secondaire sur l’intensité du front atmosphérique. De gauche à droite, on voit comment la mise en route du moteur frontal (flèches noires) accentue les contrastes tout en inclinant la structure vers l’arrière. Une boucle amplificatrice qui explique la rapidité de croissance des fronts synoptiques. Les lignes en pointillés marquent les lignes d’égale température potentielle en fonction de l’altitude (axe vertical) et de la latitude (axe horizontal). Crédits : Peter S. Ray / Howard B. Bluestein.

Le lecteur attentif l’aura compris, cela n’est possible qu’en jouant sur une autre contrainte : celle liée à la force de rappel qui se manifeste lorsque l’on touche au gradient de température – qui est aussi un gradient de pression en altitude.

Comme la force de Coriolis dépend du mouvement, elle agit avec un certain retard sur les parcelles d’air. Cela implique que si le gradient de pression évolue, il n’est plus en équilibre avec la déviation de Coriolis tant que des accélérations ne se sont pas développées. Ces accélérations sont les mouvements que nous avons explicité dans la section 2, dirigés des hautes vers les basses pressions – i.e. dans la direction transverse au front. Les météorologues nomment cette partie du vent réel non équilibrée la composante agéostrophique, en opposition à la composante équilibrée dite géostrophique.

En résumé, en changeant continuellement la pression, l’atmosphère tire constamment partie d’une petite composante non équilibrée du mouvement pour réaliser le mélange des masses d’air. Plus précisément, rejeter l’air chaud en altitude et rabattre l’air froid en surface. C’est là un point tout à fait fondamental qu’il convient de retenir.

circulation agéostrophique
Partie non équilibrée du vent – dite agéostrophique – en surface dans un système dépressionnaire en phase mature. Les isolignes en couleurs représentent une quantité analogue à la température. On distingue clairement le front froid depuis le coin inférieur gauche jusqu’au milieu de la figure. Dans le coin supérieur droit, on devine un front chaud. Le lecteur aguerri saura également localiser le centre dépressionnaire. Crédits : Mankin Mak.

Si la complexité paraît démesurée, elle l’est bel et bien. D’aucuns en regretteraient que la planète soit en rotation. En effet, la dynamique d’un courant de densité est incontestablement plus intuitive ! C’est probablement la raison principale qui explique pourquoi on continue à l’appliquer aux fronts synoptiques alors même qu’elle se révèle profondément inadaptée.

Quid du déplacement du front ? 

Enfin, se pose la question du mouvement du front atmosphérique. Là encore, l’intuition ou le bon sens sont brutalement mis à mal. En tant qu’entité prolongeant une dépression à des échelles plus fines, un front a ceci d’étonnant qu’il assure son propre déplacement. Deux composantes essentielles sont associées à sa translation. Une directement liée à la grande échelle et une composante dite secondaire associée à la circulation frontale proprement dite. Cette dernière est notamment responsable de la différence de vitesse entre un front froid et un front chaud.

Nous ne rentrerons pas plus dans les détails à ce niveau – l’article étant déjà suffisamment long – mais reprendrons volontiers les termes de Peter Zwack : « La structure du front (…) est à la source de son déplacement. C’est parce que le front génère lui-même les causes de son mouvement tout en conservant la même forme que c’est une structure relativement stable qui peut perdurer plusieurs jours ». En définitive, un front synoptique n’est jamais poussé. Au contraire, il se propage à la manière d’une onde de pression. Laquelle s’accompagne d’une signature en température, en vent et – la plupart du temps – en précipitations.

Ces caractéristiques sont globalement celles des organisations circulatoires d’échelle assez large pour être affectées de façon notable par la rotation terrestre. Terminons en mentionnant que la dynamique atmosphérique regorge d’une foulée d’autres complexités ou bizarreries du genre, mais laissons cela pour d’éventuels futurs articles !

Sources : Fronts and Jet Streaks : A Theoretical Perspective, Howard B. Bluestein (1986), Frontal theory, Douglas J. Parker (2000), Large‐Scale Atmospheric Systems, John W. Nielsen‐Gammon (2003), Courant géostrophique et instabilité barocline dans une cuve tournante, Pascale Bouruet-Aubertot & al. (2016), Atmospheric Frontal Dynamics, Mankin Mak (2017).