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SCA2626 – Météorologie générale
TP#8
Local PK-1350
Thermodynamique de l’atmosphère. Introduction aux diagrammes aérologiques
Matériel nécessaire : plusieurs diagrammes SkewT / log p (document skewt.pdf) ; crayons de
couleur ; notes de cours et ce document. Consultez le document TableDeConstantesPhy.pdf et les
notes de cours au besoin pour résoudre les exercices.
Première Partie : Thermodynamique de l’atmosphère
Exercice 8.1 : Trouver la masse molaire moyenne, Mm, de l’air saturé de vapeur d’eau à 0˚C. La
pression totale est égale à 1 atm. La pression de vapeur d’équilibre à 0˚C est égale à 6,1070 hPa.
Exercice 8.2 : Une parcelle d’air à 25˚C contient 10 grammes de vapeur d’eau par kilogramme d’air
humide. La pression totale est égale à 105 Pa.
a) Quelle est l’humidité spécifique de l’air ? Rep : 10 g kg-1
b) Quelle est l’humidité relative de l’air ? Rep : 50,4 %
c) Quelle est sa température du point de rosée ? Rep : ~ 14˚C
d) Quel est son rapport de mélange ? Rep : 10,1 g kg-1
e) Si la température diminue de 5˚C, quelle sera sa nouvelle humidité relative ? Rep : 68,4 %
Exercice 8.3 : De l’air humide, qui se trouve dans un état initial caractérisé par sa température
T1 = 18°C, sa pression p1 = 100 kPa et son humidité relative HR = 80 %, est refroidi à pression
constante et sans échange de matière avec le milieu extérieur jusqu’à la température de 4°C.
a) A partir de quelle température un brouillard commence-t-il à se former ?
b) Comment nomme-t-on la température trouvée en a) ?
c) Quelle est la production d’eau liquide par kg d’air sec ?
Exercice 8.4
Une masse d'air sec s'élève dans l'atmosphère du niveau de pression 95 kPa jusqu’au niveau de
50 kPa. En supposant que l'air ascendant ne subit pas de mélange avec l'air environnant et n'échange
pas de la chaleur avec l'environnement, sachant qu'au départ sa température est de 10 °C, calculez:
a. Le volume spécifique (volume par unité de masse) initial de cette masse d'air.
b. Sa température et son volume spécifique finaux.
c. Sa température potentielle
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Deuxième partie : Stabilité atmosphérique
Sondages et radiosondages (diagrammes aérologiques)
Niveaux obligatoires (hPa):
1000
925
850
700
500
400
300
250
150
100
70
50
10
Niveaux significatifs : les niveaux auxquels les capteurs détectent des variations significatives de
température ou humidité.
Les météorologues utilisent les diagrammes aérologiques pour examiner graphiquement l’interaction
entre les parcelles d’air et leur environnement. Une des caractéristiques importantes des
diagrammes aérologiques est l’équivalence surface-énergie (chaque cm2 du diagramme correspond à
une quantité d’énergie par unité de masse J/kg).
Notions importantes :
• La température du point de rosée, Td : la température à laquelle on doit refroidir l’élément
d’air, à pression constante et sans ajout d’humidité, pour que la vapeur d’eau qu’il contient
soit en équilibre avec sa phase liquide. On dit que l’air atteint la saturation, c’est-à-dire que
l’humidité relative RH = 100%. La température du point de rosée est une mesure de
l’humidité de l’air et est fournie, en général, dans les données du sondage.
• La tropopause : est la couche atmosphérique entre la troposphère et la stratosphère. Elle est
quasi isotherme. Elle peut alors être identifiée dans le sondage, entre 8 et 15 km (~200 hPa),
par une diminution marquée du taux de refroidissement (un taux de refroidissement < 2
°C/km).
• Niveau de condensation par soulèvement adiabatique, NCA : est la pression à laquelle un
élément d’air en déplacement adiabatique atteint la saturation (T = Td). Au-dessous de ce
niveau de pression (à des pressions plus élevées), l’élément d’air dans son déplacement
ascendant refroidit au taux de l’adiabatique sec, sa température potentielle, θ, étant
constante. Au-dessus du niveau NCA (à des pressions inférieures), l’élément d’air se refroidit
plus lentement, au taux de refroidissement de l’adiabatique saturée.
• La règle de NORMAN : on trouve le NCA d’un élément d’air en cherchant l’intersection entre
l’adiabatique sec qui représente la température potentielle de l’élément d’air et la ligne de
rapport de mélange qui passe par la température du point de rosée de l’élément de l’air.
• Niveau de convection libre, NCL : est le niveau de pression auquel l’élément d’air en
ascension adiabatique devient pour la première fois à la même température que
l’environnement conditionnellement instable.
• Niveau d’équilibre, EL : est le niveau de pression, au-dessus du niveau de convection libre,
auquel l’élément d’air en ascension adiabatique devient à la même température que
l’environnement conditionnellement instable.
• Quantité d’eau condensée dans un élément d’air en ascension : on trouve la quantité d’eau
condensée par kilogramme d’air sec dans un élément d’air en ascension adiabatique, en
faisant la différence entre le rapport de mélange initial de l’air et son rapport de mélange au
niveau de calcul.
• Énergie potentielle convective disponible, CAPE : La CAPE représente l'énergie potentielle
convective dont dispose une particule d’air lors de son ascension, à partir du niveau de
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•
convection libre. Elle est due à la flottabilité positive (Tp > Te), entretenue par la libération de
chaleur latente, qui accélère la particule vers le haut. Elle est d’autant plus grande que l’écart
de température entre la particule ascendante et l’air ambiant est grand.
Énergie d’inhibition convective, CIN : La CIN représente l'énergie d'inhibition convective,
c'est-à-dire l'énergie qu'il faudrait fournir à une particule d'air à la base d'une couche en
instabilité conditionnelle pour lui permettre de dépasser son niveau de convection libre.
La stabilité atmosphérique
Il est très important de connaître la stabilité atmosphérique parce que les transports turbulents et la
vitesse verticale des éléments d’air en dépendent. Le mouvement vertical est relié au
développement des nuages et de la précipitation. La stabilité atmosphérique est diagnostiquée dans
un diagramme aérologique en comparant la densité d’un élément d’air en déplacement vertical et la
densité de l’air environnant au même niveau de pression. Si l’élément d’air est moins dense que l’air
environnant, l’atmosphère est instable (température virtuelle de l’élément d’air plus élevée que celle
de l’air environnant). Si l’élément d’air est plus dense que l’air environnant, l’atmosphère est stable
(température virtuelle de l’élément d’air inférieure à celle de l’air environnant).
Exercice 8.5. Reconnaissance des isolignes du Skew-T Log-p (voir notes de cours).
Soit le sondage suivant :
Pression (hPa)
Température
Température du
Rapport de
(°C)
point de rosée (°C)
mélange (g/kg)
1020
990
900
850
800
11
12
10
6
2
Température
potentielle (°C)
9
7
4
2
-5
a) Tracez la courbe de température et la courbe du point de rosée.
b) Faites subir une détente adiabatique à cette particule telle que sa pression finale soit de 1000
mb. Tracez le procédé dans le Skew-T.
c) Quelle est la température finale de cette particule?
d) Quelle est sa température potentielle?
e) Quel est son rapport de mélange initial?
f) Quel est son rapport de mélange après le soulèvement?
g) Déterminez la température potentielle et le rapport de mélange de l’air à chaque niveau de
pression donnée.
Exercice 8.6. Considérez deux particules d’air au niveau de 850 mb.
Particule A: T = 10 °C, r = 1 g/kg;
Particule B: T = 10 °C, r = 9 g/kg
a) Pointez l’état de ces deux particules dans deux Skew-T.
b) Quel est le point de rosée de chacune des particules?
c) Quelle est l’humidité relative de chacune des particules?
d) Faites subir une détente adiabatique à chacune de ces deux parcelles jusqu’à la pression de
750 mb.
e) Quelles sont leurs températures finales?
f) Quelles sont leurs humidités relatives finales?
g) Quelle est la quantité d’eau condensée, par kilogramme d’air sec, pendant l’ascension de la
parcelle B?
E. M.
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h) Si toute l’eau condensée précipite, quelle sera la température de la parcelle B, à son retour à
la pression de 850 hPa?
i) Quel est le niveau de condensation par soulèvement adiabatique (NCA) de la particule A?
j) Interprétez physiquement les processus thermodynamiques responsables des changements
d’état thermodynamique de chacune des deux particules.
Exercice 8.7. Soit le sondage à Greensboro, à 1200 UTC le 5 décembre 2002
GSO : Greensboro, NC
Pression (hPa)
985
925
850
700
500
1200 UTC 5 décembre 2002
Température (˚C)
Point de rosée (˚C)
Hauteur au dessus de
la mer (m)
270
774
1459
3030
5660
-1,1
-2,7
6,2
-0,3
-13,7
-1,1
-2,7
3,1
-0,3
-14,2
1. Quelle est l’élévation de la station météorologique de Greensboro ?
2. Tracez les profils de température et du point de rosée de Greensboro, le 5 décembre à 1200 UTC.
(corrigé)
3. Le 5 décembre, quelles couches et quels niveaux sont saturés ?
4. Analysez la stabilité statique de l’atmosphère.
5. Quelles sont les couches d’inversion (même date)?
Références
Dubarry-Barbe, 1998 : Thermodynamique. Ellipses.
Girard, Éric, 2015 : SCA2626 – notes de cours
Iribarne, J. V. and W. L. Godson, 1973 : Atmospheric Thermodynamics. D. Reidel Publishing Company.
Adrian Gordon, Warwick Grace, Peter Schwerdtfeger and Roland Byron-Scott. Dynamic Meteorology.
A Basic Course. Arnold publisher, 1998.
http://sup.upstlse.fr/uved/Ozone/BasesScientifiques/projet/site/html/ThermodynamiqueAtmosphere.html
https://www.meted.ucar.edu/mesoprim/tephigram/
E. M.
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