CAPE, CIN

introduction Introduction
Il existe divers indices permettant de prévoir le degré d'instabilité des masses d'air à partir des radiosondages (voir les indices de Showalter, Galway, et Telfer dans l'ouvrage Météorologie Générale de J. P. Triplet et G. Roche, Météo France). Les plus couramment utilisés sont la CAPE (Convective Available Potential Energie) et la CIN (Convective Inhibition).

La CAPE représente l'énergie potentielle convective dont dispose une particule d’air lors de son ascension, à partir du niveau de convection libre. Elle est due à la flottabilité positive (T > Te), entretenue par la libération de chaleur latente, qui accélère la particule vers le haut. Elle est d’autant plus grande que l’écart de température entre la particule ascendante et l’air ambiant est grand.

On peut la déterminer sur l’émagramme en utilisant l'équivalence surface/énergie par unité de masse (voir figure suivante). C'est l'aire entre la courbe d'état et la trajectoire suivie par le point d'état représentant l'évolution de la particule d'air dès lors que la température de celle-ci est supérieure à celle de l'air environnant. Dans la figure ci-après, elle correspond à l'aire entre la courbe d'état et la courbe pseudo adiabatique au-dessus du niveau de convection libre.

En moyenne la particule arrête son ascension lorsque sa température devient égale à celle de l'air environnant (niveau d'équilibre thermique) mais si les frottements sont faibles, elle peut dépasser ce niveau.

Représentation graphique de la CAPE et de la CIN [15]

Au cours de l’ascendance, l’accélération de la particule sous l’effet de la flottabilité se traduit par une augmentation de l’énergie cinétique aux dépens de l’énergie potentielle. Cette dernière est également dissipée en partie par frottements et par la perturbation de pression générée par la particule elle-même dans son mouvement.

Il apparaît en effet une surpression au-dessus de la particule qui pousse l’air la surplombant, ainsi qu’une dépression dans son sillage, d’où la présence d’un gradient de pression vers le haut et d’une force de pression vers le bas qui s’oppose au mouvement. Mais selon l’hypothèse de la particule d’air, on suppose que la pression de la particule s’adapte à la pression de l’air ambiant donc ce dernier phénomène est négligé. Si l’on suppose en outre pour simplifier qu’il n’y a pas de frottements, toute l’énergie potentielle de la particule (initialement égale à la CAPE) sera progressivement transformée en énergie cinétique jusqu'à épuisement au niveau d'équilibre thermique (au delà duquel la flottabilité s'inverse).

A ce niveau, l'énergie cinétique (donc la vitesse) est maximale et l'énergie potentielle est nulle, c'est l'application du théorème de l'énergie mécanique sans frottement: E = Ec + Ep = cte. On en déduit une estimation grossière de la vitesse d'ascendance maximale w d'une masse unité au niveau d'équilibre thermique (vitesse supposée nulle au niveau de convection libre). Cette vitesse, qui surestime les vitesses verticales réellement atteintes, donne un ordre de grandeur des mouvements verticaux pouvant être générés dans les cellules convectives (en pratique on préfère utiliser la CAPE pour caractériser le potentiel convectif de l'atmosphère):

La CIN représente l'énergie d'inhibition convective, c'est-à-dire l'énergie qu'il faudrait fournir à une particule d'air à la base d'une couche en instabilité sélective pour lui permettre de dépasser son niveau de convection libre.

Lorsque la CIN est grande, la probabilité de déclenchement de la convection est faible. Mais si cette dernière parvient à se déclencher, elle bénéficie d'une plus grande quantité de vapeur d'eau ce qui conduit à un événement orageux plus violent que lorsque de nombreux nuages convectifs se déclenchent en se partageant la vapeur d'eau présente dans les basses couches. Sur l’émagramme, elle correspond à l'aire entre la courbe d'état et l'adiabatique issue de la base puis la pseudo adiabatique issue du point de condensation au-dessous du niveau de convection libre (voir figure précédente).

Crédits


[15] Sylvain Coquillat, adapté de Frank Roux