Analyse isentropique

Le mouvement des masses d’air à grande échelle, dite synoptique, implique un changement de volume et de température des particules d’air en mouvement selon un processus adiabatique où il n'y a idéalement aucun échange de chaleur avec l’environnement[5]. Une particule effectuant un tel processus conserve sa température potentielle et sa température potentielle équivalente car ces dernières représentent la température qu’aurait une particule d’air, quelle que soit son altitude, ramenée à une pression standard[5] :

${\displaystyle \theta =T\left({\frac {P_{standard}}{p}}\right)^{\frac {R_{a}}{c_{p}}}}$

Où :

• ${\displaystyle \scriptstyle T}$ est la température du fluide (en kelvins) au niveau de pression ${\displaystyle \scriptstyle p}$
• ${\displaystyle \scriptstyle R_{a}}$ la constante des gaz parfaits pour l'air (qui correspond à ${\displaystyle \scriptstyle {R}/{M_{a}}}$ avec ${\displaystyle \scriptstyle R}$ la constante universelle des gaz parfaits et ${\displaystyle \scriptstyle M_{a}}$ la masse molaire de l'air)
• ${\displaystyle \scriptstyle c_{p}}$ la chaleur massique à pression constante de l'air.

Et : ${\displaystyle \textstyle {R_{a}}/{c_{p}}={\frac {2}{7}}=0,286}$

Les cartes de surfaces isentropiques représentent donc, pour une température équivalente donnée de la parcelle d'air, le niveau de pression où elle se trouve dans l’atmosphère. De façon équivalente, des cartes montrant la variation de ${\displaystyle \scriptstyle \theta }$ pour un niveau de pression donnée sont également possible.

Le mouvement vertical sur une surface isentropique se fait par advection de pression, équivalent à l’advection de température sur une surface isobarique (carte de pression). Ainsi une advection de température à 850 hPa correspond à une zone de soulèvement et donc à un changement de hauteur de la surface isentropique.

Avantages

Selon l’hypothèse de base, les mouvements de l’air à l’échelle synoptique est adiabatique sec. Cela implique que l’on se trouve dans l’atmosphère libre au-dessus de la couche limite où l’approximation géostrophique est relativement bonne. Il s’agit là d’une situation commune dans les latitudes moyennes et qui fonctionne bien avec le déplacement des dépressions frontales. L’analyse permet[5] :

• d’estimer directement la trajectoire des particules d’air à partir des données de pression et de vent rencontrées le long des surfaces isentropiques (cm/s) ;
• de mieux décrire le mouvement en trois dimensions de l’air dans la troposphère que les surface isobariques, et aussi bien le mouvement horizontal que ces dernières, si la vitesse verticale des particules est négligeable par rapport à celle horizontale ;
• la transformation de coordonnées isobariques en isentropes simplifie le calcul du tourbillon dans les équations primitives atmosphériques. Il devient le tourbillon potentiel isentrope.

Inconvénients

D’un autre côté, l’analyse isentropique comporte certaines approximations qui comportent des désavantages[5] :

• Le flux synoptique n’est pas entièrement sec et/ou adiabatique, surtout dans la couche limite où il y a mélange vertical de l’air et échange de chaleur sensible avec le sol. La même chose peut être mentionnée dans les zones où il y a condensation(nuages, pluie et de nuages convectifs ) importante ;
• Lorsque la température potentielle diminue avec l’altitude, ce qui est courant près du sol lors de réchauffement diurne, une valeur de ${\displaystyle \scriptstyle \theta }$ peut correspondre à deux altitudes ;
• Lorsque ${\displaystyle \scriptstyle \theta }$ est presque constant avec l’altitude, ce qui est courant dans la couche limite où il y a homogénéisation par brassage de l’air, il peut être difficile de déterminer à quelle valeur isobarique se trouve la surface isentrope. Cependant, dans cette situation les autres paramètres (rapport de mélange, vent, etc.) sont en général uniformes avec l’altitude sur la surface isentrope.
• Contrairement aux surfaces à altitude constante, les surfaces isentropes peuvent couper le sol car elles sont calculées pour une pression standard de 1 000 hPa, et ont une pente plus raide que les surfaces isobariques ;
• Les cartes d’isotropes sont moins fréquentes que les cartes météorologiques habituelles car certaines données météorologique sont difficiles à transformer dans ces coordonnées ;
• Les valeurs standards des surfaces isentropes varient avec la saison, le thêta caractéristique des masses d’air en hiver (290-295 K) étant complètement différents de ceux en été par exemple (300 K et plus), alors que les surface isobariques standards (850, 500, 250 hPa) sont utilisables à l’année.