Pour pouvoir faire des prévisions, déterminer les différents climats, faire des cartes d’observations,
les services météo ont besoin d’un certain nombre de relevés qui vont de la simple température aux images satellites. Nous allons voir un par un les principaux instruments de mesures météorologiques en les
séparant en deux grandes familles, les instruments eux-mêmes et les porteurs d’instruments.
Le thermomètre
Il mesure la température du sol, de l’air et des eaux. C’est le plus connu de tous et presque tout le monde
en possède un. La température est une observation importante car toute variation de temps à un rapport
avec la température. Deux grandes familles de thermomètre pour notre époque :
le thermomètre à liquide (mercure ou alcool) : se base sur la dilatation d’un fluide en fonction de la température à une pression constante qui règne dans le verre du thermomètre.
le thermomètre à bilame : recourt aux différences de dilatation thermique des métaux dont sont constituées deux lames soudées ensemble.
le thermomètre mini-maxi : consiste à garder la température mini et maxi relevées par ce dernier
grâce à un index placé sur les deux extrémités du « bâton » du fluide.
les sondes thermomètre : employées de nos jours de manière systématique dans les stations météorologiques . Ces thermomètres sondes utilisent les propriétés de certains métaux ou de certains dispositifs électroniques dont la résistance électrique varie avec la température.
Le baromètre
Il mesure la pression atmosphérique, c'est-à-dire le poids qu'exerce l’air sur la surface de la terre.
Il est vraiment indispensable car on sait qu’une baisse de pression annonce, dans la plupart des cas,
l’arrivée d’une perturbation.
Baromètre à mercure : un tube vertical en verre prolonge un volume de mercure au repos
et en contact avec l'air libre ; ce tube, dont le haut est clos et laisse un espace vide,
est partiellement empli de mercure. La pression de l'air au niveau horizontal associé à la surface libre est partout la même, et cette pression est la pression atmosphérique : de ce fait, le poids de la colonne de mercure contenue dans le tube à partir de ce niveau est le même que le poids de la colonne d'air qui surmonterait à travers toute l'atmosphère une portion de la surface libre de section égale à celle du tube,
et mesurer la pression atmosphérique équivaut à mesurer ce poids, c'est-à-dire, en fait,
à mesurer la hauteur de la colonne de mercure depuis le niveau de la surface libre.
Cette hauteur est indépendante de la section du tube, car le poids de la colonne égale d'une part
le produit de la pression par l'aire de la section, et d'autre part le produit de la hauteur par l'aire
de la section et par une constante spécifique du liquide (sa masse volumique , multipliée par l' accélération
de la pesanteur ) ; ainsi, la pression atmosphérique normale, fixée à 1 013,25 hectopascals,
équivaut à une hauteur de mercure de 760 mm.
Baromètre anéroïde : les capsules anéroïdes (ou capsules de Vidie) fonctionnent de nos jours suivant
le même principe : ce sont de petites capsules étanches en forme de disque à parois minces,
dans lesquelles le vide a été fait afin de mesurer la pression atmosphérique ;
cette mesure s'effectue là aussi par l'intermédiaire d'un ressort de retenue qui s'allonge ou se contracte en fonction des déformations élastiques imposées à la capsule par les variations de la pression.
Les baromètres anéroïdes courants recourent à un système mécanique d'amplification des mouvements
de déformation d'une capsule,
ou bien de plusieurs capsules empilées : commodes et robustes, de tels appareils conviennent
non seulement à l'enregistrement en continu des variations de la pression ils jouent alors un rôle de baromètres enregistreurs ou barographes
mais aussi à une présence familière à l'intérieur des maisons.
Le luxmètre
Il mesure l’intensité des rayons du Soleil, laquelle influe sur la température de l’air et du type de climat.
L’hygromètre
Il mesure l’humidité relative de l’air, c'est-à-dire le pourcentage de vapeur d’eau présent dans l’air.
Il permet de savoir le confort ou l’inconfort dans certains environnements et indique des modifications
au niveau des nuages, du brouillard ou de la pluie.
Les hygromètres traditionnels ou hygromètres à cheveux, utilisent les propriétés des cheveux qui s'allongent quand l’humidité s'accroît. Les hygromètres professionnels sont électroniques et leur fonctionnement
se fonde sur le principe de la variation de capacité d'un condensateur avec l'humidité.
L’anémomètre
Il mesure la vitesse du vent et il est souvent associé à une girouette qui elle donne la direction du vent.
Ce sont deux informations très importantes aux prévisions météorologiques. Certains, semblables à des éoliennes, transforment le mouvement de l'air en une rotation d'un appareil mobile autour d'un axe : plus la vitesse de l'air est élevée, plus cette rotation sera rapide. L'axe de rotation est horizontal dans les anémomètres à hélices. On emploie aussi couramment des anémomètres à coupelles, dont le moulinet forme un axe vertical autour duquel tournent trois coupelles identiques.
Le manche à air
Indique la direction du vent et nous donne une idée de la vitesse. Il permet de savoir en un coup d’œil
d’où vient le vent et par exemple de laisser deviner l’évolution du temps.
Le pluviomètre ou nivomètre
Il mesure la quantité de précipitations tombées. Même si les relevés ne sont pas toujours précis
pour cause de vent qui entraîne une répartition inégale des précipitations sur une zone restreinte.
Les mesures effectuées par pluviomètre ou nivomètre permettent d’anticiper les inondations
(comme pour le cas de l’épisode orageux méditerranéen sur l’Hérault et le Gard où l’on a pu estimer
le niveau du fleuve local très redouté, le Vidourle) et les avalanches.
Les porteurs d’instruments
Le ballon sonde
Le radiosondage, cheville ouvrière de l'aérologie, est une technique d'observation en altitude
des propriétés de l'atmosphère, grâce à un ballon ascendant dont on suit la trajectoire afin de déterminer la vitesse et la direction du vent et que l'on munit d'une radiosonde effectuant et transmettant la mesure de grandeurs météorologiques telles que la pression atmosphérique, la température et l'humidité relative ;
cette technique, exigeant généralement des lancers de ballon à des heures internationalement fixées
au moins 00 h UTC et 12 h UTC — permet de couvrir l'ensemble du milieu atmosphérique relevant de la météorologie (jusqu'à 25 km d'altitude environ). Les ballons ascendants, ou ballons sondes, sont de nos jours gonflés à l’hélium et non plus comme autrefois à l'hydrogène, qui est bon marché mais inflammable.
La bouée météo océanographique
Cette bouée maritime transmet des données concernant les mers ainsi que des mesures de température
(de l’eau et air), d’hygrométrie, direction et vitesse du vent et pression de l’air.
Les informations concernant la surface des océans et l’air voisin sont essentielles lorsqu’il s’agit
de prévoir la formation et la trajectoire d’ouragan, cyclone et typhons. Elles servent également à des simulations destinées à prévoir les phénomènes El Niño et La Niña et leur intensité.
L’avion météorologique
Il permet de connaître les conditions météorologiques du ciel sur différentes altitudes. Il est aussi utile pour observer les phénomènes violents style ouragan ou supercellule. Il est armé de dizaines d’instruments différents qui relèvent des observations de bases aux plus inimaginables.
Le radar Doppler
L'effet « Doppler Fizeau » ou simplement « effet Doppler », découvert par le physicien autrichien Christian Doppler (1803-1853) et le physicien français Hippolyte Fizeau (1819-1896) indépendamment l'un de l'autre,
est des plus faciles à observer : quand fonctionne une sirène sur un véhicule qui croise une personne immobile, celle-ci entend un son plus aigu avant que le véhicule ne soit passé devant elle, plus grave après qu'il ne soit passé. Cet effet n'est pas spécifique des ondes acoustiques, mais se manifeste avec toutes les catégories d'ondes lorsqu'une source émettrice et un récepteur sont en mouvement relatif l'un par rapport à l'autre : alors, la fréquence de l'onde augmente ou diminue selon que la source se rapproche ou s'éloigne du récepteur, conformément à une loi très précise qui permet de calculer la vitesse de déplacement de la source d'après les mesures de fréquence effectuées par le récepteur.
Cette loi est applicable au cas des ondes lumineuses et, plus généralement, du rayonnement électromagnétique : ainsi, un radar fixé au sol et émettant des ondes électromagnétiques vers
des cibles en mouvement dans l'atmosphère recevra en retour une partie des ondes réfléchies par celles-ci,
et en comparant la fréquence de l'onde émise à celles des ondes reçues en retour (ou "rétro diffusées"),
il en déduira les caractéristiques non seulement de la position des cibles, mais aussi de leur mouvement.
De ce fait, des radars météorologiques Doppler (c'est-à-dire des radars météorologiques recourant à l'effet Doppler) sont assez communément employés pour mesurer le vent dans les systèmes évolutifs de précipitations qui accompagnent les perturbations tempérées ou les cyclones tropicaux. Il existe une autre possibilité d'emploi d'un radar Doppler en météorologie, consistant à mesurer à la verticale de l'instrument la vitesse et la direction du vent à diverses altitudes ou, autrement dit, le profil vertical du vent.
Le satellite
Parmi les satellites artificiels de la Terre, il en est dont la mission principale est d'effectuer des observations météorologiques depuis l'espace et de transmettre à terre les données ainsi obtenues; ces satellites météorologiques peuvent en outre remplir les fonctions de satellite de collecte de données météorologiques dans le cadre du Système mondial de télécommunications.
Il existe deux catégories bien distinctes de satellites en météorologie : les satellites météorologiques stationnaires et les satellites météorologiques à défilement, souvent nommés improprement satellites météorologiques défilant. La position d'un satellite géostationnaire paraît fixe aux yeux d'un observateur terrestre, car ces satellites tournent dans le même sens et avec la même vitesse de rotation que la Terre
(leur période de révolution sidérale est identique à sa période de rotation, soit 23 h 56 min) ; les satellites géostationnaires décrivent une orbite circulaire dans le plan équatorial vers 35 800 km d'altitude et peuvent ainsi fournir de façon continue des informations couvrant une très vaste zone circulaire,
centrée sur un point fixe de l'équateur et s'étendant sur environ 42 % de la surface de la Terre.
La position d'un satellite à défilement, au contraire, paraît variable aux yeux d'un observateur terrestre,
car ces satellites tournent sur une orbite quasi circulaire dont l'altitude, fixe, peut être choisie entre 600 et 1 500 km (on parle dans ce cas d'orbite basse, par comparaison avec l'altitude de l'orbite unique des satellites géostationnaires) et dont le plan passe pratiquement par les pôles Nord et Sud ; le mouvement relatif de rotation de la Terre sous l'orbite d'un tel satellite et le déplacement de celui-ci le long de cette même orbite permettent alors aux capteurs du satellite de recueillir des données à l'intérieur de larges bandes (jusqu'à 3 000 km de distance zonale) qui vont d'un pôle à l'autre et se chevauchent d'un passage au passage suivant,
ce qui assure une fourniture biquotidienne d'informations relatives à l'ensemble du globe.
L’abri météorologique
Au cours des observations météorologiques sont systématiquement effectuées près du sol les mesures de grandeurs telles que la température ou l'humidité de l'air; les instruments qui réalisent ces mesures sont alors placés à l'intérieur d'abris météorologiques.
Pareils instruments, si l'on n'y prenait garde, pourraient en effet donner des résultats différents suivant l'environnement où ils se trouvent : par exemple, un thermomètre non protégé du soleil évaluera non pas la température, mais un « mélange » de cette température et du rayonnement solaire.
Les abris météorologiques évitent ce genre d'inconvénient en assurant une bonne ventilation et une protection contre les divers types de rayonnement et les intempéries : de cette manière, les mesures obtenues par les instruments qu'ils contiennent gardent la même signification physique en tout lieu et à tout moment,
pourvu que la construction et l'installation de ces abris répondent à certaines normes, telles que la détermination de la hauteur au-dessus du sol à laquelle sont mesurées les grandeurs météorologiques.
