L ’émagramme 761
plan
1:
Présentation de l ’émagramme
2: La Prévision des
ascendances
3:
Représentation de l ’humidité de l ’air et prévision
de la condensation de la vapeur
d ’eau
4: Mesure
de l ’humidité et détermination du point
de
rosée et du point de condensation
(base
des cumulus)
5: La
masse d ’air en un « clin d ’œil »
6:
L’émagramme 761 de Météo-France et quelques exemples typiques de
sondages
basses couches
Présentation de l ’émagramme
L’émagramme est un graphique permettant de représenter
l’état de l’atmosphère
•
en un lieu donné, à différents
niveaux et d’en prédire l’évolution probable
au cours de la
journée.
En fait, sur les émagrammes classiques,les altitudes sont
cotées en niveaux de pression.
En effet, l'état d'un gaz, tel que l'air, peut être défini par deux
des trois variables:
pression P température T, masse volumique ra,
sachant que ces trois variables sont reliées par l‘équation d'Etat:
P= ra RaT où Ra
est la constante spécifique de l’air sec.
Mais les niveaux
de pression ne sont pas régulièrement espacés
Aussi, pour la suite de cet exposé, nous travaillerons
tout d’abord avec
une échelle altimétrique
On appelle « Point d'état"
un point mis en place sur le diagramme et qui correspond
à la mesure de la température
à un niveau de pression ou à une altitude donnés
La ligne brisée qui relie l'ensemble des points d'état
est la "courbe d'état »
Elle constitue la première image de la masse d'air.
Compte tenu de la décroissance de la température, la
courbe d'état est penchée à gauche et sort rapidement de la feuille.
Pour que la courbe d'état soit sensiblement verticale,
l'homme intelligent a inventé l'émagramme oblique
L'axe des températures est incliné à 45°.
Le graphique est complété par un réseau de courbes vertes
en trait continu
Elle permettent de déterminer la variation de température d'une particule non saturée
subissant une détente ou une compression adiabatique
Ces courbes sont appelées « adiabatiques
sèches ».
Notons que, sur ce
graphique et sur les graphiques suivants,
les adiabatiques ne
sont représentées que de façon qualitative.
Les résultats
numériques obtenus par la suite pourront donc différer
de ceux que l’on
pourrait obtenir avec un émagramme opérationnel
ou par simple calcul.
Ceci ne
gêne en rien pour la compréhension de l’émagramme
Exemple :
Soit une particule d’air sec
(0 m
, 23°)
Quelle sera sa température si elle s’élève de façon
adiabatique jusqu’à 2500 m
?
Réponse :
-5 °
Par le calcul
on
obtient : -2°.
Autre exemple
Soit une particule (3000 m , -10°)
Quelle sera sa température si elle descend à 500m ?
Réponse :
17 °
Par le calcul,
on obtient 15 °
Le graphique reçoit aussi un réseau de courbes vertes en
traits tiretés
Ces courbes représentent des pseudo-adiabatiques.
Elles permettent de déterminer l'évolution de la
température d'une particule
saturée,subissant une détente ou une compression pseudo-
adiabatique.
Comme pour les
adiabatiques,
les
pseudoadiabatiques représentées sur ce graphique, le sont de manière approchée.
Les résultats obtenus
pourront être légèrement différents de ceux que fournirait un
émagramme
opérationnel
Exemple :
Soit une particule saturée (1000 m , 10°),
Quelle sera sa température si elle s’élève à 3000 m ?
Réponse :
- 1 °
L'émagramme rassemble :
les adiabatiques et les pseudoadiabatiques
Elles permettent de déterminer la température d'une
particule avant et après sa
saturation
Exemple :
Soit une particule
( 0 m ,
18°)
Quelle sera sa température à 3500 m si elle se sature
à 2000
m ?
Réponse :
- 15 °
Le rayonnement solaire ne change pas sensiblement le
profil des températures de l'air.
Par contre, les particules atmosphériques reçoivent de la
chaleur du sol.
En s'échauffant, certaines d ’entre elles deviennent
moins denses que l'air ambiant et s'élèvent…
jusqu'à ce que leur température devienne égale à celle de
l'air qui les entoure.
Sur l ’émagramme,
le point représentatif de la particule d ’air non
saturé suivra une adiabatique « sèche »…
jusqu'au croisement avec la la courbe d'état.
Un sondage « pointé » sur un émagramme devrait permettre
de déterminer l'évolution
diurne de la convection :
•
l'heure de déclenchement des
mouvements convectifs ,
•
l'heure de déclenchement des
mouvements convectifs ,
•
Le plafond des ascendances,
•
la base et le sommet des
cumulus, etc.
Les éléments de départ sont :
•
le sondage de la masse d'air,
•
la prévision des températures au sol.
Températures
prévues au sol:
heures
|
T° C
|
8h
(sondage)
|
12°
|
10h
|
20°
|
12h
|
24°
|
14h
|
26°
|
16h maxi de T°
|
28°
|
Exemples :
T° prévue = 24°.
Plafond à 12 h , en l’absence de condensation ?
On trace une adiabatique passant par la température
prévue.
L'égalité de température entre l'air ambiant et la
particule en ascension est atteinte au
croisement avec la courbe d'état.
Réponse :
Résorption de l'inversion
nocturne
Exemples :
Pour quelle température l'inversion sera-t-elle résorbée
?
A partir du sommet de l'inversion, on trace une
adiabatique.
La température recherchée est repérée au croisement avec
l'altitude du lieu.
Réponse :
21°
Base et
sommet des cumulus
La démarche est identique…
mais il faut connaître l'altitude à laquelle la
saturation sera atteinte.
Cette connaissance nécessite une opération supplémentaire
que l'on étudiera plus tard.
Base et sommet des cumulus à 15 h ?
t°prévue : 23° saturation prévue pour 6°.
De la t° prévue, on trace une adiabatique jusqu'au niveau
de saturation.
On poursuit par une pseudo-adiabatique jusqu'au
croisement avec la courbe d'état.
Base : 1500 m Sommet : 3300 m
Représentation
de l’humidité de l’air et prévision
de la
condensation de la vapeur d ’eau
L'émagramme est complété par des lignes tiretées bistres.
Elles représentent des lignes d'égal rapport de
mélange saturant rs
et sont cotées en g/kg .
Remarque :
rs est souvent noté rw
La particule définie par : sa température t = 12°C et son altitude Z (ou
sa pression p),
serait saturée si son rapport de mélange était
égal à 12 g/kg .
Si son rapport de mélange réel est r = 8g/kg,
on place une croix à l‘intersection de l’horizontale
correspondant à l’altitude z
et de la ligne d’égal rapport de mélange saturant
rs = 8 g/kg .
En effet, la particule définie par : sa température t = 12°C ,
son altitude Z (ou
sa pression p) et son rapport de mélange r = 8g/kg
sera saturée si l’ on abaisse sa température,à pression
constante (même altitude),
jusqu ’à t= 4 °C où r = rs =8 g/kg. Cette température est
appelée :
« température du point rosée
» ou Td .
Ici, Td = 4
°C
Sur l ’émagramme, une particule d ’air sera
ainsi représentée au moyen de ces deux
températures:
1-Le point d'état P défini par :
T = 12
°C et Z (ou p),
2-Td qui correspond à l ’intersection de la ligne
d ’égal rapport saturant rs égal à r =8
g/kg avec la ligne Z (ou P) =
constante.
La température du point de rosée
est la température pour laquelle une particule devient saturée,
lors d ’un refroidissement à pression constante.
Si, par un apport d'humidité, le rapport de mélange
passait de 8 à 12g/kg, la particule atteindrait aussi la saturation.
12g/kg est le rapport de mélange saturant rs.
Si la particule est soulevée, elle arrivera à saturation
pour une température et une
pression correspondant
à la valeur saturante de 8 g/kg.
Le point de condensation correspond à l’intersection de
la ligne de rapport de mélange
Saturant r=8 g/kg)
et de l’adiabatique sèche passant par P.
Tc est la température du point de Condensation.
Le point de condensation est celui pour lequel
une particule devient saturée,
après avoir subi une détente adiabatique.
Si l'on connaît le rapport de mélange moyen
« rm » de la tranche d ’air convective,
il est facile de déterminer la base des cumulus et leur sommet.
Base et
sommet des cumulus
On suppose que le rapport de mélange moyen rm entre 0 et 3000 m est de 6g/kg.
Base et sommet des cumulus pour t=24° à z = 0 ?
base = 2000
m sommet = 3000 m
Et pour 32° ?
base = 2700
m
sommet = tropopause
si aucune inversion ne vient stopper la particule dans
son ascension !
La base du nuage est déterminée par l’intersection de la
ligne de rapport de mélange =6 g/kg
avec l ’adiabatique sèche issue du point:
t=24 °C et Z = 0 m .
Le sommet du nuage est déterminé par l ’intersection
de la pseudoadiabatique issue du point de condensation, avec la courbe du
sondage.
L'émagramme
à l'heure de l'apéro
Combien faut-il de bouteilles de pastis pour traiter
l'eau contenue dans ce cumulus ?
dilution : 1 volume de pastis pour 5 volumes d’eau.
À la base, r = 6 g/kg,
au sommet, r =
4g/kg.
2 g/kg de vapeur sont transformés en eau liquide et en
glaçons.
(t=-5° au sommet)
Volume du Cu : Environ 100 000 000 m3
Eau condensée :75 000 l
Réponse :
Environ 15 000 bouteilles !
Pour mesurer l'humidité de
l'air, on peut utiliser un « psychromètre ».
C’est un appareil composé d’un thermomètre « sec » ,dont
on relève la température T,
et d’un thermomètre « mouillé »,dont on relève la
température Tm.
Grâce au sondage, les éléments connus pour chaque
altitude (ou niveau de pression) vont être :
La température T
et le point de rosée, Td (donné
par un hygromètre)
ou la température du thermomètre mouillé Tm (donnée
par un psychromètre)
Avec l'émagramme il sera alors possible de déterminer
(sans calcul) :
Le point de condensation
Tc
Détermination du point de condensation à partir de la mesure
de T et Td
On porte T et Td.
On trace l’ adiabatique passant par T
et la ligne d’égal rapport de mélange saturant passant
par Td.
Tc se situe à l’intersection des deux courbes.
En revenant au niveau de départ selon la peudoadiabatique
passant par Tc, on trouve Tm .
Détermination du rapport de mélange à partir de la mesure de
T et Tm
On porte T et Tm.
On trace l’ adiabatique passant par T
et la pseudoadiabatique passant par Tm.
Tc se situe à
l’intersection des deux courbes.
"r"(rapport de mélange) est donné par la
ligne d’égal rapport de mélange saturant passant
par Tc.En suivant « rs », on obtient Td.
Détermination
du rapport de mélange moyen à partir de T et Tm
On détermine Td pour quelques points de mesure (dans les basses couches).
Il est ainsi possible de déterminer"r" moyen,
… plus rigoureux pour la prévision des cumulus !
La masse d ’air en un « clin
d ’œil »
Instabilité
d’une particule d’air non saturé
Soit une particule
d’air « sec » (17,5°à 500m),
soulevée adiabatiquement jusqu’à 2000 m .
Elle aura, à ce niveau,
une température de 0°C .
L’air environnant à ce
niveau est à la température de -3°C .
Abandonnée à ce niveau,
la particule, plus chaude,
donc plus légère
que l’air environnant, ne
reviendra pas
vers son niveau de départ,
mais, au contraire, elle continuera à s’élever.
Instabilité
d’une particule d’air non saturé
Donc, pour de l’air sec,
lorsque, dans une couche
atmosphérique donnée,
la courbe d'état est
« à gauche » de l'adiabatique
sèche
issue de la base de la
couche cette couche est dite
«INSTABLE ».
Exemple:
Les tranches comprises
entre 500m et 2000m,
et celles situées au
dessus de 3000 m .
Instabilité
d’une particule d’air saturé
Si la particule d’air (17,5°à 500) est saturée
et qu’elle soulevée pseudoadiabatiquement
jusqu’à
2000m,elle aura, à ce
niveau, une température de 11°C .
L’air environnant à ce
niveau est à la température de -3°C
.
Abandonnée à ce niveau, la
particule, beaucoup plus
chaude, donc beaucoup plus
légère que l’air environnant,
ne reviendra pas vers son
niveau de départ mais au
contraire, continuera à
s’élever.
Instabilité
absolue
La tranche atmosphérique
de 500 à 2000 m
est instable
que l’air soit sec ou
saturé.Cette tranche est dite
« absolument instable
».
Donc, dans une tranche
atmosphérique donnée, lorsque la
courbe d’état est « à
gauche » des adiabatiques sèches et
saturées,il y a instabilité absolue.
Stabilité d’une
particule d’air non saturé
Une particule d’air « sec
», à 14 °C ,
soulevée
adiabatiquement à partir du sol, est constamment plus
froide , donc plus dense
que l’air environnant.
Quel que soit le niveau où
elle est abandonnée, elle
reviendra à son niveau de
départ. L’air est dit Stable.
Stabilité
d’une particule d’air non saturé
Pour de l’air sec,
lorsque dans une couche atmosphérique donnée, la
courbe d'état se
situe à droite de l’adiabatique sèche
partant de sa base,l’air
est dit Stable.
Ici: du sol 3000 m
Stabilité
d’une particule saturée
Dans ce cas, lorsqu’une
particule d’air saturé est soulevée
pseudoadiabatiquement
à partir du sol, elle est
constamment plus froide,
donc plus dense que l’air
environnant.Quel que soit
le niveau où elle est
abandonnée, elle reviendra
à son niveau de départ.
L’air est dit Stable.
Stabilité absolue
Lorsque, dans une tranche
atmosphérique donnée,
la courbe d’état est :
« à droite »
des adiabatiques sèches et
saturées, il y a
stabilité
absolue.
Instabilité conditionnelle
Lorsque, dans une couche
donnée, la pente de la courbe
d'état est comprise entre celle de
l'adiabatique et celle de
la pseudo-adiabatique , On
parle d’instabilité
conditionnelle. L'instabilité
n'apparaît en effet que si l'air
se sature au cours de son
soulèvement.
•
Un
sondage peut souvent être analysé rapidement, dans ses grandes lignes,
lorsqu’il est typique d’une situation météo
bien marquée:
•
air trop sec ou trop humide,
•
changement de masse d’air,
· conditions anticycloniques diverses,
· et enfin… le sondage matinal idéal !
Gros écart
entre T et Tm : AIR SEC , Thermiques purs
L'inversion de « subsidence ».
Apparaît
lorsque des hautes pressions sont
présentes en
altitude.
Reconnaissable
à la présence:
* d’air
relativement chaud et sec en altitude.
· d’une inversion bien
marquée avec assèchement simultané (T et Tm s’écartent).
•
Avantage: aucun risque d ’orage!
L'inversion
de changement de masse d’air en altitude
Reconnaissable
à l’augmentation simultanée de l’humidité
dans la couche
d‘inversion (T et Tm proches et parallèles).
Inconvénient:
elle est souvent accompagnée de nuages,
pouvant gêner
ou empêcher la convection.
Atmosphère trop humide sous l’inversion
Si la différence entre T
et Tm est trop faible dans les
couches situées au-dessous
de l’inversion d’altitude, il peut
y avoir des ETALEMENTS en cours d’après-midi
Atmosphère trop sèche sous l’inversion.
Courbes de T et Tm très
écartées l’une de l’autre (air très sec)
convection sans Cumulus
thermiques purs…
Le sondage matinal « idéal » !
Air sec en altitude
1- (pas de nuage
gênant la convection).
2- Inversion de subsidence bien marquée et assez
élevée.
3-Courbe des Tm idéale (formation de Cumulus
possible, avec base élevée et faible nébulosité, sans risque d’étalement).
4-Courbe d’état « lisse », inclinée entre
adiabatique sèche et saturée (convection régulière et peu turbulente).
5-Inversion nocturne peu épaisse (rapidement
résorbée par le réchauffement diurne).
Quelques exemples typiques
de sondages basses couches
de sondages basses couches
Bien noter que les courbes
données sur ces sondages sont :
•
La
courbe d’état (t° C en fonction de la pression),
•
La
courbe des températures du point de rosée (Td en fonction de la
pression).
Sondage basse couche
matinal
Noter l’inversion nocturne au voisinage du sol
et, en altitude,
les fluctuations rapides de l’humidité d’un niveau à un autre.
Sondage à la
fin de la même journée, après brassage par la convection.
Remarquer le profil
quasi-adiabatique de la température et l’homogénéité du rapport de mélange dans
la couche brassée par la convection
(de 600 m jusqu’à la base des
nuages).
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