analyse d`une situation convective

ANALYSE D'UNE SITUATION
CONVECTIVE
Marcel Gonin
Sheila Coca Sola
Thiago L. M. Correa

1 Définition
En général le terme de convection désigne les mouvements produits dans un fluide qui entraînent des
déplacements des parcelles du fluide et de ses caractéristiques.
En météorologie, on distingue un transport horizontal et un transport vertical d'air. Le premier peut
être décrit avec les champs de vent et de pression atmosphérique; le transport vertical est cependant
lié à aux phénomènes d'instabilité et de variation de température. Pour cette raison et comme on
expliquera plus tard, la convection atmosphérique est associée à des mouvements principalement
verticaux de l'air, c'est à dire, à la flottabilité des particules. En faite, l'origine des mouvements de
convection est un profil vertical de température générateur d'instabilité. Il s'agit alors d'une réponse à
un déséquilibre énergétique vertical.
Les processus engendrés par cette instabilité convective recevront le nom de convectifs.
La convection constitue un des trois mécanismes (avec la conduction et le rayonnement) pour
produire un échange de chaleur entre systèmes. Il y a deux modes d'échange de chaleur par
convection: dans le premier le mouvement du fluide met en contacte deux systèmes qui ne l'étaient
pas avant, dans le deuxième le mouvement des parcelles du fluide apporte de la chaleur à un
système qui était éloigné.
Pour qu'un forçage se produise dans un profil instable et que l'orage puisse donc se former il est
nécessaire que la convection soit humide. Cet aspect sera traité dans la rubrique de « Génération de
la stabilité ».
Les processus de convection qui sont à l'origine des orages, s'étendent sur toute la hauteur de la
troposphère et reçoivent le nom de convections profondes.
2 Formation du phénomène convectif
Les facteurs qui peuvent déclencher un phénomène convectif sont variés mais ils doivent
être capables de provoquer un réchauffement relatif du bas d'une couche atmosphérique par rapport
à son sommet.
Dans le cas le plus simple, on parle de convection libre ou naturelle: une masse d'air froide qui passe
par dessus d'un plan d'eau relativement chaude peut déclencher une convection. Ce réchauffement
différentiel dû au rayonnement solaire peut générer des courants ascendantes puisque la masse d'air
juste au-dessus du plan d'eau devient plus légère et se soulève.
Une convection forcée est générée par un champ de vent qui produit un déplacement relatif de
parcelles d'air. Le transfert est plus rapide que dans le cas de convection libre.

3 Mouvement de convection
Le mouvement de convection ascendant se produit par une différence de température entre la masse
d'air soulevée et son environnement en altitude. La masse d'air, quand elle se soulève dans la
troposphère se refroidit mais toujours moins que son environnement si on est dans le cas d'instabilité.
Puisqu'elle est plus légère que son environnement, elle montera grâce à la poussée d'Archimède. La
différence de hauteur se traduit par une énergie potentielle qu'on appelle CAPE (Énergie Potentielle
Convective Disponible) et qui serait détaillée plus tard.
Par conservation de masse, lorsque la parcelle d'air est en train de se soulever, il doit y avoir un
mouvement de masse d'air froide et plus dense qui va descendre, et qui va occuper le volume laissé
par la parcelle soulevée.
Puisque la masse d'air descendante est plus dense et à égalité de volume, sa masse sera plus
grande. Par conséquence, le centre de gravité du système se déplace vers le bas ce qui se traduit par
une conversion de l'énergie potentielle gravitationnelle (donnée par la EPCD) en énergie cinétique.
4 Génération de l'instabilité.
Dans la basse atmosphère, c'est à dire, jusqu'à la tropopause, le profil de température décroît assez
régulièrement avec l'altitude. Le gradient thermique de température est de 6,5º par 1000 mètres
d'altitude et on peut dire qu'il n'y a presque pas d'inversion de température. Les couches
atmosphériques en contact direct avec la surface terrestre reçoivent un réchauffement additionnel de
celle-ci tandis que les couches plus hautes ne sont réchauffées que par le rayonnement qui les
traversent.
Dans ce cadre, les couches plus basses de l'atmosphère, plus chaudes que les couches plus hautes,
peuvent arriver à s'élever si la différence de température est suffisante, en provoquant une instabilité
convective.
Le moteur des ascendances convectives est la flottabilité créée comme conséquence de la gravité et
de la poussée d'Archimède. En effet, la composante verticale de la force de pression (poussée
d'Archimède) tend à soulever la parcelle d'air chaud avec une intensité égale au poids de l'air déplacé
. De l'autre côté le poids propre de la parcelle,va tender à la faire descendre vers le bas ; la résultante
de ces deux forces qui est appliquée dans le centre de gravité de la parcelle affectée s'appelle
flottabilité de la parcelle. Le sens de cette force verticale décide s'il y a de l'instabilité ou de la stabilité
par rapport à la couche environnante. Si la flottabilité est dirigée vers le bas il y aura stabilité et la
parcelle aura tendance à revenir à sa position antérieure, si elle est dirigée vers le haut, il se produit
une instabilité convective, car la parcelle poursuit son mouvement vers le haut en s'éloignant de sa
position de départ.

Caractérisation de l'instabilité dans un émagramme
Si une particule d'air (en jaune) ou parcelle est élevée par un convection sa température va s'élever
en suivant le gradient adiabatique sec jusqu'à son point de condensation. Ce point de condensation
va marquer l'altitude de la base du nuage. Une fois que la particule est arrivée à son point de
condensation, sa température va suivre le gradient pseudo-adiabatique humide puisque maintenant
elle est saturée. Ce processus est représenté par la courbe noire.
À partir de cette courbe et en la comparant avec le gradient de température observé par le
radiosondage, on est capable de caractériser l'instabilité de la parcelle d'air qu'on étudie:
Si la courbe est à droite du gradient thermique observé, l'instabilité peut se déclencher et on
parle alors d'instabilité convective absolue. Le gradient thermique de l'environnement autour
de la particule est plus grand que celui de l'adiabatique sec.
L'instabilité absolue est une condition relativement rare de l'atmosphère. Quand elle se produit, elle
est confinée à une fine couche près de la surface sous des conditions de grand réchauffement
superficiel.
Si la courbe est dans les basses couches à gauche et puis à droite, on a une situation
d'instabilité convective conditionnelle. Le gradient thermique de l'environnement se trouve
FIgure 1