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Thermodynamique avancée Cours 11 La stabilité verticale Stabilité latente ou convective.

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1 Thermodynamique avancée Cours 11 La stabilité verticale Stabilité latente ou convective

2 EMCours Table de matières Mouvements verticaux adiabatiques Mouvements verticaux adiabatiques Niveaux importants Niveaux importants Niveau de condensation par soulèvement adiabatique – NCA. Niveau de condensation par soulèvement adiabatique – NCA. Niveau de convection libre – NCL Niveau de convection libre – NCL Niveau déquilibre – EL Niveau déquilibre – EL Convection peu profonde versus convection profonde Convection peu profonde versus convection profonde Instabilité latente Instabilité latente Énergie convective disponible – CAPE Énergie convective disponible – CAPE Énergie dinhibition – CIN Énergie dinhibition – CIN Utilisation dun diagramme aérologique pour identifiez et quantifier : Utilisation dun diagramme aérologique pour identifiez et quantifier : Le niveau de condensation par convection – NCC Le niveau de condensation par convection – NCC La température de convection – TC La température de convection – TC Le niveau de condensation par mélange – MCL Le niveau de condensation par mélange – MCL Le CAPE et le CIN Le CAPE et le CIN

3 EMCours Instabilité latente Si le déplacement de la particule est assez grand, une particule initialement en équilibre statique stable peut devenir instable.

4 EMCours Instabilité latente: niveau de convection libre p0p0p0p0 T(p) T(p) p NE Niveau déquilibre(NE) p NCL Niveau de convection libre (NCL) p NCA Niveau de condensation par ascension (NCA) A+A+A+A+ A-A-A-A- Niveau de référence TDTDTDTD TDTDTDTD

5 EMCours Type dinstabilité latente p NE p NCA p0p0 p NCL T(p) T(p) Niveau d équilibre Niveau de convection libre Niveau de condensation par ascension A+A+A+A+ A-A-A-A- Latente réelle Pseudo latente Stable

6 EMCours Exemple p(mb)T( C)r (g kg-1) ,011, ,0 9, ,0 5, ,5 2, ,5 1, ,0 1,0 Tracez le sondage suivant dans un diagramme aérologique 1.Trouver le niveau de condensation par soulèvement adiabatique et le niveau de convection libre dune particule dair de la surface. 2.Quel type de stabilité statique a la couche atmosphérique la plus proche de la surface? 3.Quel type de stabilité latente a la particule?

7 EMCours Force agissant sur la particule déplacée de son niveau initial

8 EMCours Travail par unité de masse de la force de poussée B = force de flottabilité

9 EMCours Travail et énergie dans un SkewT La surface A Le travail réalisé pendant le cycle : lnp 1 lnp 2 T1T1 T2T2 A (1) (2) (3) (4) Procédés isobariques : Procédés isothermes : Travail net pendant le cycle :

10 EMCours Travail et énergie dans un SkewT Travail net pendant le cycle Chaleur échangée pendant le même cycle : Le travail mécanique associé à un processus cyclique (nimporte quel) est exactement proportionnel à la surface sous-tendue par le processus tracé graphiquement dans un diagramme aérologique SkewT.

11 EMCours Équivalence énergie surface dans le diagramme aérologique. Dessinez un cycle dans le diagramme. Premier principe : u = q + w Premier principe : u = 0 q =- w

12 EMCours Détermination du facteur de proportionnalité entre la surface du SkewT et lénergie correspondante. Considéré le cycle de Carnot formé par deux adiabatiques sèches de températures potentielles 1 = 293 K et 2 = 353 K et deux isothermes de températures T 1 = -30°C et T 2 = -10°C. 1) Dessiner ce cycle dans le SkewT (le cycle est décrit dans le sens antihoraire). 2) Calculer laire de la surface (approximativement rectangulaire), A, en cm 2. A = 3) Calculer le travail exécuté pendant le cycle, w. 4) En déduire le facteur déchelle énergétique, w / A. SkewT – 89 J kg -1 cm -2 T – 38 J kg -1 cm -2

13 EMCours CIN et CAPE p NE p NCA p0p0 p NCL T(p) T(p) Niveau d équilibre Niveau de convection libre Niveau de condensation par ascension A+A+A+A+ A-A-A-A- A + = CAPE A - = CIN Convective inhibition [J kg -1 ] Convective available potential energy [J kg -1 ]

14 EMCours CIN et CAPE La CIN représente la barrière dénergie à dépasser pour que la convection libre devienne possible. La CAPE représente lénergie maximale qui peut être convertie en énergie cinétique une fois que la barrière énergétique représentée par la CIN a été dépassée.

15 EMCours Travail par unité de masse de la force de poussée = CAPE : Calcul de la vitesse maximale dune particule dair en ascension adiabatique

16 EMCours CIN et CAPE : Détermination du potentiel de convection profonde. Pour quil puisse avoir formation dorage, il doit exister de lénergie potentielle disponible. Pour quil puisse avoir formation dorage, il doit exister de lénergie potentielle disponible. Plus grande est la CAPE, le plus violent est lorage (sil se développe). Plus grande est la CAPE, le plus violent est lorage (sil se développe). Cependant, pour quil est un orage il faut que la barrière CIN soit dépassée. Cependant, pour quil est un orage il faut que la barrière CIN soit dépassée. En générale lénergie qui le permet est dorigine mécanique, comme un soulèvement dû à la convergence dynamique ou orographique. En générale lénergie qui le permet est dorigine mécanique, comme un soulèvement dû à la convergence dynamique ou orographique. Elle peut être aussi de lénergie transmise par la surface qui se réchauffe pendant le jour. Elle peut être aussi de lénergie transmise par la surface qui se réchauffe pendant le jour.

17 EMCours CINE et CAPE Dans un diagramme aérologique, les CIN et CAPE sont exactement proportionnelles aux surfaces limitées par les profils de température de lenvironnement et de la parcelle.

18 EMCours CINE et CAPE : Détermination du potentiel de convection profonde. ATTENTION : La présence de CAPE ne garanti pas léclatement des orages… Énergie potentiellement disponible Faible : CAPE < 1000 J kg -1 Modéré : 1000 < CAPE < 2500 J kg-1 Forte : 2500 < CAPE < 4000 J kg -1 Extrême : CAPE > 4000 J kg -1

19 EMCours CINE et CAPE : Détermination du potentiel de convection profonde. Inhibition Faible : -CIN < 25 Jkg =1 Modérée : 25 < -CIN < 50 J kg-1 Forte : -CIN> 50 J kg -1 Pour que lorage se développe il doit exister un mécanisme qui aide la particule à surmonter lénergie dinhibition.

20 EMCours Exemple p(mb)T( C)r (g kg-1) ,011, ,0 9, ,0 5, ,5 2, ,5 1, ,0 1,0 Retournons au diagramme aérologique 4.Quelle est la vitesse maximal de la particule ainsi soulevée (faisant maintenant partie dun cumulus) au niveau de pression de 600 hPa? Supposez que la vitesse de la particule est négligeable au niveau de convection libre et utilisez léquivalence surface-énergie du diagramme aérologique.

21 EMCours Couches dinstabilité latente Quand, dans latmosphère, des parcelles de niveaux différents ont de linstabilité latente, ensembles elles constituent des couches dinstabilité latente. p(mb)T( C)r (g kg-1) ,011, ,0 9, ,0 5, ,5 2, ,5 1, ,0 1,0 5.Trouvez la (les) couches dinstabilité latente

22 EMCours Couches dinstabilité latente: procédure didentification 2. Trouver la plus petite valeur de w qui est tangente à la courbe de température sèche, et ce, pour toutes les couches où s. 3. Pour chaque tranche, descendre le long du w trouver et noter les endroits où T w est à droite de la ligne w. 1. Trouver la courbe T w (p) Les zones où T w est à droite de w constituent les couches dinstabilité latente.

23 EMCours Couches dinstabilité latente TDTDTDTDT

24 EMCours Couches dinstabilité latente : T w (p) TDTDTDTDT TwTwTwTw 1. Trouver la courbe T w (p)

25 EMCours Couches dinstabilité latente TDTDTDTD Couche dinstabilité latente p ~ 1000 hPa – 840 hPa p ~ 1000 hPa – 840 hPa T 2. Trouver la plus petite valeur de w qui est tangente à la courbe de température sèche, et ce, pour toutes les couches où s (instabilité conditionnelle). w 3. Descendre le long du w trouvé en 2. et noter les endroits où T w est à droite de la ligne w. Les zones où T w est à droite de w constituent les couches dinstabilité latente

26 EMCours Trajectoires des particules dair soulevées mécaniquement

27 EMCours Formation des nuages par soulèvement orographique

28 EMCours Ondes dans une atmosphère stable

29 EMCours Nuages orographiques, Franklin Mountains, El Paso, Texas. Le vent souffle vers la camera. Nuages orographiques, Franklin Mountains, El Paso, Texas. Le vent souffle vers la camera.

30 EMCours Formation des nuages: atmosphère stable

31 EMCours

32 EMCours

33 EMCours Formation des nuages: atmosphère instable

34 EMCours

35 EMCours Exemple de diminution de CIN par réchauffement de la couche limite Matin Midi Le réchauffement de la surface réduit, et parfois élimine, la CIN et augmente la CAPE.

36 EMCours Réchauffement diurne : Détermination du potentiel de convection profonde. Modification du profil de température provoqué par le réchauffement de la surface

37 EMCours Niveau de condensation convectif (NCC) Un profil stable initial peut être déstabilisé, par exemple, par réchauffement radiatif de la surface t0t0 t3t3 rmrm m : r m = r s t2t2 rmrm m : r m < r s t1:t1: rmrm m r m < r s

38 EMCours Niveau de condensation convectif (NCC) t3t3 rmrm m : r m = r s p NCC Couche de mélange t4t4 rmrm m NE

39 EMCours Température de convection et niveau de condensation par convection (NCC) «Étant donné des conditions dhumidité connues dans la basse atmosphère, quelle est la température qui permettra à une particule dair soulevée de la surface de demeurer plus chaude que lenvironnement et dêtre par conséquent en convection?» Temps associé : averse et/ou orages

40 EMCours Niveau de condensation convectif (NCC) TDTDTDTDT TCTCTCTCNCC 1) Suivre la ligne de rapport de mélange moyen de la couche limite** jusquà ce qu elle coupe la courbe de température de lenvironnement. Le point d intersection est une estimation du niveau de condensation par convection (NCC) 2) suivre en suite ladiabatique sèche qui passe par le NCC jusquau niveau dorigine (surface). On obtient T C, la température de convection. Couche limite ~ 100 hPa **Couche limite : couche atmosphérique en contact avec la surface dune épaisseur typique de 1000 m ~ 100 hPa.

41 EMCours Niveau de condensation convectif (NCC) TDTDTDTD T TCTCTCTC NCC T max > T C ? : si oui, il y aura de la convection

42 EMCours Niveau de condensation convectif (NCC) Parfois, pour déterminer T C et NCC on devrait considérer une valeur moyenne dans la couche de mélange. Pour ce faire on utilise la méthode des aires égales déjà utilisée. Lorsque la température atteint la valeur T C, lair a tendance à être en instabilité absolue, principalement près du sol où, par réchauffement diabatique, la courbe de lenvironnement devient superadiabatique, et il y aura formation dun nuage avec base au niveau de condensation par convection.

43 EMCours Niveau de condensation convectif (NCC) TDTDTDTDT T C1 NCC 1 T max > T C2 ? :si oui, il y aura de la convection T C2 NCC 2 = NCC

44 EMCours Prévision dorage Modification du sondage matinal : utilisation de la valeur moyenne du rapport de mélange dans la couche de mélange (100 mb) pour déterminer le niveau de condensation par convection (NCC ou CCL). Si la température maximum prévue est supérieur à la température T CONV on aura des orages. T CONV

45 EMCours CIN et CAPE Le réchauffement de la surface réduit, et parfois élimine, la CIN et augmente la CAPE. Les orages sont alors plus probables et plus puissants en après midi et au début de soirée. CIN

46 EMCours Le 21 juillet 2010

47 EMCours

48 EMCours

49 EMCours Résumé : CAPE et CIN Quand le cisaillement du vent est négligeable, la flottabilité est la force qui détermine la vitesse des courants ascendante et descendants dans le nuage; Quand le cisaillement du vent est négligeable, la flottabilité est la force qui détermine la vitesse des courants ascendante et descendants dans le nuage; Plus la température et lhumidité de la couche de surface sont élevées, plus lénergie convective disponible (CAPE) est importante; Plus la température et lhumidité de la couche de surface sont élevées, plus lénergie convective disponible (CAPE) est importante; La CAPE constitue une bonne évaluation de lénergie disponible; La CAPE constitue une bonne évaluation de lénergie disponible; La CAPE peut être utilisée pour évaluer la vitesse maximale des courants ascendants. En générale une meilleur évaluation de la vitesse dascension est v = 0,5v Max ; La CAPE peut être utilisée pour évaluer la vitesse maximale des courants ascendants. En générale une meilleur évaluation de la vitesse dascension est v = 0,5v Max ; Une inversion dans les basses couches (CIN) peut constituer une inhibition à la convection ou être origine dorages très violents. Une inversion dans les basses couches (CIN) peut constituer une inhibition à la convection ou être origine dorages très violents. Comme la CAPE ne tient pas compte du cisaillement du vent, elle nest pas un critère suffisante pour déterminer le potentiel de temps violent où le cisaillement de vent est un facteur important (super cellule, tornade, etc.) Comme la CAPE ne tient pas compte du cisaillement du vent, elle nest pas un critère suffisante pour déterminer le potentiel de temps violent où le cisaillement de vent est un facteur important (super cellule, tornade, etc.)

50 EMCours Résumé : CAPE et CIN Grêle : la probabilité de grêle augmente avec le CAPE et est très probable quand CAPE > 2500 J kg -1 Courant descendant : une courant ascendant fort produit un courant descendant fort provoqué par lévaporation de la précipitation. Orages : CAPE > 1500 J kg -1 Facteurs qui contribuent à diminuer le CIN : 1)Le réchauffement diurne 2)De la convergence dans les basses couches atmosphériques 3)Advection dair chaud et humide dans les basses couches atmosphériques Pour que lénergie potentielle disponible se transforme en énergie cinétique il est essentielle que les parcelles dair de la surface dépassent le CIN.

51 EMCours À venir … Utilisation du SkewT Révisons

52 EMCours CAPE

53 EMCours

54 Valeurs calculées EMCours SLAT : latitude de la station SLON : longitude de la station SELV : élévation de la station LIFT : Lift index ((T(50kPa – T(particule qui vient du niveau 85kPa) LFTV : Lift index en tenant compte de lhumidité SWET : indice de stabilité KINX : indice de stabilité CTOT : cross totals index VTOT : vertical totals index TOTL : total totals index CAPE : convective available potential energy (J/kg) CAPV : CAPE calculé en utilisant Tv (J/kg) CINS : CIN – convective inhibition (J/kg) CINV : CIN calculée avec la température virtuelle (J/kg)

55 Valeurs calculées EMCours EQLV : niveau déquilibre (hPA) EQTV : niveau déquilibre calculé avec Tv (hPa) LFCT : niveau de convection libre (hPa) LFCV : niveau de convection libre calculé avec la BRCH : bulk Richardson number (indice de stabilité) + CAPE/( U) 2 BRCV : BRCH calculé avec la température virtuelle LCLT : Température (K) au niveau de convection libre (moyenne des 500 m proche de la surface) LCLP : pression (hPa) au niveau de convection libre (moyenne des 500 m proche de la surface) MLTH : température potentielle moyenne dans les 500 m proches du sol MLMR : rapport de mélange moyen dans les 500 m proches du sol (g/kg) THCK : épaisseur de la couche 100 – 50kPa (m) PWAT : quantité maximum deau précipitable (mm)


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