Énergie potentielle de convection disponible - Définition

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- Introduction - Description - Utilisation - Méthode pratique

Introduction

L'énergie potentielle de convection disponible (EPCD) (en anglais Convective Available Potential Energy ou CAPE) est la quantité d'énergie (en Joule/kg) qu'a une parcelle d'air plus chaude que son environnement ce qui se traduit par une poussée ascensionnelle due à la force d'Archimède. Cela se produit dès qu'on dépasse le niveau de convection libre de la masse d'air.

Description

Une parcelle d'air chauffée à une température supérieure à l'air ambiant est moins dense que ce dernier et subira une accélération verticale. Sa propre température varie selon la loi des gaz parfaits ( $p V = n R T$ ) tout au long de son ascension. La parcelle continuera sa montée jusqu'à ce qu'elle atteigne une altitude où sa température égale celle de l'air ambiant. Il y aura ensuite décélération si elle devient plus froide car elle devient alors plus dense que l'environnement. On calcule l'énergie accumulée par la parcelle entre le début de la montée et le point où la parcelle redevient de même température que l'environnement par l'intégrale de l'aire entre les deux courbes de température virtuelle (incluant l'effet de l'humidité):

\text{EPCD} = \int\limits_\text{NCL} ^\text{NE} g \left(\frac{\rm Tv_{par} - Tv_{env}}{\rm Tv_{env}}\right) \,\mathrm dz \qquad \qquad \begin{cases} \scriptstyle g\ =\ \mathrm{Acc\acute eleration\ de\ la\ pesanteur}\ \approx\ 9,8\rm m/s^2 \\ \mathrm {\scriptstyle {Tv_{env}\ =\ Temp\acute{e}rature\ virtuelle\ de\ l'environnement}} \\ \mathrm{ \scriptstyle{Tv_{par}\ =\ Temp\acute{e}rature\ virtuelle\ de\ la\ parcelle}} \\ \mathrm{ \scriptstyle{NCL\ =\ Niveau\ de\ convection\ libre}} \\ \mathrm{ \scriptstyle{NE\ =\ Niveau\ d'\acute{e}quilibre}} \end{cases}

Puisque cette énergie potentielle se transforme en mouvement, on peut donc calculer la vitesse maximale du courant ascendant créé en égalant l'EPCD à l'équation de l'énergie cinétique par unité de masse. Ceci n'est valide que dans la cas sans friction et sans mélange avec l'air ambiant :

Donc :

Utilisation

L'EPCD est un des paramètres utilisé pour estimer le potentiel de violence d'un orage. En effet, plus le courant ascendant est fort, plus il pourra supporter de gros grêlons, ou une masse importante de précipitations. En plus, si le courant en ascension est doté d'une certaine rotation, il y a une bonne possibilité de développement de tornades. Cependant, l'EPCD n'est pas le seul facteur car le cisaillement du vent avec l'altitude est également crucial.

Voici des valeurs typiques de l'EPCD :

0 à 1000 J/kg : marginalement instable donnant des averses ou des orages ordinaires ;
1000 à 2500 J/kg : modérément instable donnant des orages qui peuvent être violents ;
2500 à 3500 J/kg : très instable donnant des orages violents ;
3500 J/kg ou plus : extrêmement instable et très favorable à des orages violents généralisés.

Méthode pratique

La zone en jaune sous le niveau 313 sur ce téphigramme représente l'EPCD

On peut facilement suivre le changement de température de la particule avec l'altitude grâce aux différents diagrammes thermodynamiques. Cependant, seuls le téphigramme et le Skew-T permettent de calculer directement l'énergie potentielle de convection disponible (EPCD) par l'aire entre la température de la particule et celle de l'environnement.

Dans la figure à droite, la ligne orange représente la température d'une parcelle d'air et celle en noire la température de l'environnement. En bas du niveau 313 (31 300 pieds), la parcelle est plus chaude et son EPCD est la zone jaune entre les deux lignes. Au-dessus du niveau 313, la parcelle en ascension devient plus froide que l'environnement et la zone jaune qu'on y retrouve est négative et représente la zone de décélération de la parcelle. Quand cette dernière zone est égale à celle de l'EPCD, la parcelle a atteint une vitesse nulle et sa hauteur maximale.