Pratique 1
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Pratique 1
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 E. M. 1 23/03/2015 SCA2626 – Météorologie générale 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 E. M. 2 23/03/2015 SCA2626 – Météorologie générale • 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. 3 23/03/2015 SCA2626 – Météorologie générale 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. 4 23/03/2015