Analisi isentropica

L' analisi isentropica (senza variazione di entropia ) è in meteorologia una tecnica per determinare il viaggio verticale e laterale che segue una particella d'aria in un processo adiabatico nell'atmosfera libera. Si basa sullo studio di mappe meteorologiche o tagli verticali di valori costanti di temperatura potenziale (o potenziale equivalente di temperatura ). La trasformazione dello stato della particella d'aria secondo queste iso-superfici dà un bilancio nullo degli scambi termici con l'ambiente. Queste analisi permettono anche di conoscere la stabilità dell'aria se una particella d'aria le attraversa verticalmente.

Da un punto di vista sinottico , il trasporto del vento delle potenziali isoline di temperatura su una mappa meteorologica consente di identificare meglio i fronti meteorologici , e le relative zone nuvolose, nonché la dinamica delle masse d'aria rispetto all'analisi isobarica. Da un punto di vista mesoscala , permette di determinare gli strati dell'atmosfera dove c'è il potenziale per lo sviluppo di nubi convettive o, al contrario, di nubi stratiformi , come il nimbostrato .

Principio

Il movimento di masse d'aria su larga scala, cosiddette sinottiche, comporta una variazione del volume e della temperatura delle particelle d'aria in movimento in un processo adiabatico dove idealmente non c'è scambio di calore con l'ambiente. Una particella che esegue un tale processo mantiene la sua temperatura potenziale e la sua temperatura potenziale equivalente perché quest'ultima rappresenta la temperatura che una particella d'aria avrebbe, qualunque sia la sua altitudine, riportata ad una pressione standard:

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

O :

$\ scriptstyle T$ è la temperatura del fluido (in Kelvin ) al livello di pressione $\ scriptstyle p$
${\ displaystyle \ scriptstyle R_ {a}}$ la costante dei gas ideali per l'aria (che corrisponde con la costante universale dei gas ideali e la massa molare dell'aria) ${\ displaystyle \ scriptstyle {R} / {M_ {a}}}$ $\ scriptstyle R$ ${\ displaystyle \ scriptstyle M_ {a}}$
${\ displaystyle \ scriptstyle c_ {p}}$ calore specifico a pressione d'aria costante.

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

Le mappe di superficie isoentropiche rappresentano quindi, per una data temperatura equivalente della particella d'aria, il livello di pressione in cui si trova nell'atmosfera. Allo stesso modo, sono anche possibili mappe che mostrano la variazione di per un dato livello di pressione. $\ scriptstyle \ theta$

Il movimento verticale su una superficie isobarica avviene per avvezione di pressione, equivalente alla convezione di temperatura su una superficie isobarica (mappa della pressione). Quindi una avvezione di temperatura a 850 hPa corrisponde ad una zona di sollevamento e quindi ad una variazione di altezza della superficie isoentropica.

uso

Scala sinottica

Generalmente nella troposfera , la temperatura diminuisce con l'altitudine. Trasformandosi in temperatura potenziale, significa che quest'ultima diminuisce con l'altitudine. Inoltre, le masse d'aria sono più calde vicino all'equatore e la loro temperatura diminuisce a un livello di pressione equivalente mentre si muovono verso i poli. Ciò significa che la pendenza delle superfici isoentropiche (uguali ) aumenta man mano che si muovono verso masse d'aria più fredde. In prima approssimazione, un flusso di aria calda lungo una superficie isoentropica subirà quindi una risalita, mentre un flusso di aria fredda subirà una discesa. Le zone di variazione del livello di pressione corrispondono quindi ai fronti meteorologici . $\ scriptstyle \ theta$

Allo stesso modo, l'analisi isoentropica permette di seguire il movimento dell'umidità in tre dimensioni, a differenza dell'analisi isobarica che permette di vedere solo le sue variazioni a pressione costante. Su una mappa bidimensionale, un'area di ascendenza isoentropica e il movimento verticale dell'umidità ( rapporto di miscelazione delle linee ) corrisponde ad un'area sulla mappa in cui i venti isoentropici (paralleli alle linee correnti ) attraversano le linee e di rapporto di miscelazione il cui valore diminuisce . Ciò mostra che una particella d'aria che segue la superficie isoentropica salirà gradualmente fino all'altitudine indicata dal livello di pressione e che l'umidità a quel livello aumenterà. Ciò è quindi associato alla formazione di precipitazioni lungo un fronte caldo. $\ scriptstyle \ theta$

Al contrario, un cedimento corrisponde ad un'area in cui i venti attraversano valori crescenti di e rapporto di miscelazione. Ciò indica che l'aria proveniente da una quota elevata (pressione inferiore) scende verso una quota inferiore e che porta aria più secca, quindi dietro un fronte freddo . Naturalmente, i processi diabatici , in cui il calore latente viene scambiato tra la massa d'aria e l'ambiente, come il raffreddamento notturno o il riscaldamento diurno vicino alla superficie terrestre, altereranno i dati isoentropici. $\ scriptstyle \ theta$

L'immagine all'inizio dell'articolo mostra l'analisi isentropica durante una situazione di bufera di neve in Colorado24 ottobre 1997. Su di essa è sovrapposta la foto delle nuvole scattata dal satellite meteorologico . La posizione della testa della nuvola corrisponde bene con un'avvezione di isotropi da sud a nord, mentre lo schiarimento del cielo, nel quadrante sud-ovest, è ben correlato con un'avvezione di alti isotropi a sud.

Scala convettiva

Il concetto di temperatura potenziale consente anche di confrontare pacchi d'aria da diverse altezze nella massa d'aria. Una sezione verticale delle superfici isoentropiche permette di vedere la stratificazione della temperatura e dà una misura dell'instabilità termica dell'aria:

Se diminuisce con l'altitudine, abbiamo una massa d'aria instabile $\ theta$
Se rimane lo stesso con l'altitudine, abbiamo una massa d'aria neutra $\ theta$
Se aumenta con l'altitudine, abbiamo una massa d'aria stabile $\ theta$ .

Una sezione verticale dei dati di temperatura potenziale, osservata o prevista da un modello numerico di previsione meteorologica , equivale quindi ad analizzare una radiosonda su un tefigramma o un emagramma ma su tre dimensioni. La pendenza e la distanza tra gli isotropi indicano quanto sia stabile o instabile l'aria.

Vantaggi e svantaggi

Benefici

Secondo l'assunto di base, il movimento dell'aria alla scala sinottica è secco adiabatico. Ciò implica che siamo nell'atmosfera libera sopra lo strato limite dove l' approssimazione geostrofica è relativamente buona. Questa è una situazione comune alle medie latitudini e funziona bene con lo spostamento dei minimi frontali. L'analisi consente:

stimare direttamente la traiettoria delle particelle d'aria dai dati di pressione e vento incontrati lungo le superfici isoentropiche (cm / s);
descrivere meglio il movimento tridimensionale dell'aria nella troposfera e nelle superfici isobariche, e sia il movimento orizzontale che quest'ultimo, se la velocità verticale delle particelle è trascurabile rispetto a quella orizzontale;
la trasformazione delle coordinate isobariche in isentropi semplifica il calcolo della vorticità nelle equazioni primitive atmosferiche. Diventa il vortice potenziale isoentropico .

Svantaggi

D'altra parte, l'analisi isoentropica ha alcune approssimazioni che presentano degli inconvenienti:

Il flusso sinottico non è del tutto secco e / o adiabatico, soprattutto nello strato limite dove avviene la miscelazione verticale dell'aria e lo scambio termico sensibile con il terreno. Lo stesso si può citare in zone dove è presente condensa significativa (nubi, pioggia e nubi convettive);
Quando la temperatura potenziale diminuisce con l'altitudine, che è comune vicino al suolo durante il riscaldamento diurno, un valore di può corrispondere a due altitudini; $\ scriptstyle \ theta$
Quando è quasi costante con l'altitudine, che è comune nello strato limite dove c'è l'omogeneizzazione per miscelazione dell'aria, può essere difficile determinare a quale valore isobarico si trova la superficie isoentropica. Tuttavia, in questa situazione gli altri parametri (rapporto di miscelazione, vento, ecc.) Sono generalmente uniformi con l'altitudine sulla superficie isoentropica. $\ scriptstyle \ theta$
A differenza delle superfici ad altitudine costante, le superfici isoentropiche tagliano il terreno perché sono calcolate per una pressione standard di 1000 hPa e hanno una pendenza più ripida rispetto alle superfici isobariche;
Le mappe isotropiche sono meno frequenti delle normali mappe meteorologiche perché alcuni dati meteorologici sono difficili da trasformare in queste coordinate;
I valori standard di superfici isentropiche variano con la stagione, la caratteristica theta di masse d'aria invernali (290- 295 K ) è completamente diverso da quelli in estate per esempio ( 300 K o più), mentre la superficie isobarica standard (850, 500, 250 hPa ) può essere utilizzato tutto l'anno.

Note e riferimenti

World Meteorological Organization, " Isentropic Analysis " , Glossary of Meteorology on Eumetcal (accesso 18 giugno 2014 )
Translation Service, " Isentropic Analysis , " on Termium , Public Works and Government Services Canada (accesso 18 giugno 2014 )
World Meteorological Organization, " Surface isentrope " , Glossary of Meteorology on Eumetcal (accesso 18 giugno 2014 )
(in) " Isentropic Analysis " , COMET (visitato il 22 luglio 2014 )
(en) James T. Moore, " Isentropic Analysis " [ppt] , su NOAA (visitato il 12 giugno 2014 )
World Meteorological Organization , " Isentropic Analysis " , su Eumetcal (accesso 11 aprile 2014 )