Énergie potentielle de convection disponible

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 (${\displaystyle pV=nRT}$) 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) :

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

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 (E_c). Ceci n'est valide que dans le cas sans friction et sans mélange avec l'air ambiant :

${\displaystyle \mathrm {EPCD} =E_{c}={\frac {w^{2}}{2}}\qquad \qquad {\begin{cases}\scriptstyle w={\text{vitesse ascensionnelle}}\end{cases}}}$

Donc :

${\displaystyle w={\sqrt {2\cdot {\rm {EPCD}}}}}$

En pratique, à cause de l'entraînement atmosphérique, la vitesse maximale des courants ascendants doit être divisée par 2[1] et l'on obtient alors :

${\displaystyle w_{M}={\sqrt {{\rm {EPCD}} \over 2}}}$

Ainsi, avec un EPCD est de 6 000 J/kg (qui est une valeur extrême), la vitesse maximale du courant ascendant serait de 55 m/s qui est une valeur raisonnable eu égard aux circonstances[2]. Comme l'EPCD est plus généralement de l'ordre de 500 à 2 000 J/kg et une valeur moyenne de 1 000 J/kg correspond à 22 m/s ce qui est aussi une valeur raisonnable pour un orage d'intensité moyenne.

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

La méthode de la particule est utilisée pour suivre le changement de température de la particule avec l'altitude grâce aux différents diagrammes thermodynamiques. Elle consiste à suivre l'état de stabilité hydrostatique de l'atmosphère en fonction du déplacement vertical d'une particule d'air, l'air environnant étant supposé rester au repos[3]. Seuls le téphigramme et le Skew-T permettent cependant 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.