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Principales caractéristiques de la teneur en vapeur d'eau au-dessus de la couche limite planétaire
Atmospheric Research, 21 (1987) 171-179 Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam - - Printed in The Netherlands
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Short C o m m u n i c a t i o n
P r i n c i p a l e s Caractdristiques de la Teneur en Vapeur d'Eau au-dessus de la Couche Limite Plandtaire M. VERGEZ Observatoires du Pic-du-Midi et de Toulouse, Bagn~res-de-Bigorre (France)
(ReCu le 14 avril, 1986; accept~ aprbs r~vision le 30 septembre, 1986)
ABSTRACT Vergez, M., 1987. Principalescaract~ristiquesde la teneur en vapeur d'eau au-dessus de la couche limite plan~taire. (Main characteristicsof the atmospheric water vapour content above the boundary layer.) Atmos. Res.,21: 171-179. Quantitative studies of atmospheric water vapor based on measurements of solar irradiance attenuation at 1,140/~m, have been made with an infraredhygrometer in order to investigatethe evolution of convective and preconvective phenomena observed at 2861 m (Pic-du-Midi). The diurnal variationsof the totalwater vapor content associated with the convective process have been studied and compared with resultsobtained at low levels.
RESUME Une ~tude quantitative de la vapeur d'eau atmosph~rique, bas~e sur la mesure de l'attdnuation du rayonnement solaire ~ 1,140/~m,a $t~ menSe ~ l'aide d'un hygrombtre spectral infrarouge, pour suivre l'~volution des ph~nom~nes convectifs et pr~convectifs observes en montagne (Pic-duMidi, 2861 m). Les variations diurnes de la quantit~ globale de vapeur d'eau atmosph~rique, assocites ~ la convection et aux changements de masses d'air, ont ~t~ mesurdes et compar~es ~ celles que l'on obtient ~ basse altitude.
INTRODUCTION
L a m e s u r e de l ' a b s o r p t i o n du r a y o n n e m e n t solaire p a r la v a p e u r d'eau, h 1,140/lm, est utilisde c o m m e m o y e n d ' i n v e s t i g a t i o n p o u r l'dtude des phdnom~nes atmosphdriques dans lesquels la v a p e u r d'eau p e u t ~tre consid~r~e c o m m e traceur. Les m e s u r e s au P i c - d u - M i d i , situ~ au-dessus du n i v e a u m o y e n de la couche limite planStaire (2861 m d ' a l t i t u d e ) d e v r a i e n t p e r m e t t r e a priori de s ' a f f r a n c h i r de celle-ci d a n s la m a j e u r e p a r t i e des cas. Les m o u v e m e n t s convectifs qui se d d v e l o p p e n t avec l ' e n s o l e i l l e m e n t e n t r a i n e n t vers les couches sup~rieures, la v a p e u r d ' e a u p r o d u i t e et c o n c e n t r d e sur-
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© 1987 Elsevier Science Publishers B.V.
172 tout au niveau du sol. La consdquence directement observable de ce phdnom~ne est une attdnuation, par diffusion et absorption, du rayonnement infrarouge h travers ces couches. Ce processus est utilisd par l'hygrom~tre infrarouge qui mesure alors la vapeur d'eau comme un fhcteur de ddtection du transport et des dchanges rdalisds. En effet, lorsque l'enveloppe supdrieure des mouvements convectifs coupe l'axe optique de l'hygrom~tre, on observe une diminution du rayonnement infrarouge transmis et un changement de pente appara~t sur la courbe de Bouguer reprdsentative du logarithme de l'dnergie du rayonnement solaire en fonction de la masse d'air traversde, donc en fonction du temps, pour la longueur d'onde considdrde. Les cas les plus typiques qui ont dtd relevds correspondent h des situations anticycloniques; de plus, dans les conditions rencontrdes, les variations de la quantitd de vapeur d'eau dues h l'advection ont pu ~tre considdrdes comme aldatoires. La mise en dvidence des diff~rentes phases prdsentdes par l'dvolution de l'attdnuation du rayonnement infrarouge par la vapeur d'eau constitue une approche intdressante dans l'dtude de ces phdnom~nes complexes. INSTRUMENTATIONET METHODE L'hygrom~tre spectral infrarouge permet de ddterminer, depuis de sol, la quantitd totale de vapeur d'eau contenue dans l'atmosph~re en utilisant le soleil comme source. La mdthode consiste h mesurer et h enregistrer les variations de l'absorption provoqude par la vapeur d'eau atmosphdrique dans une dtroite bande infrarouge du rayonnement solaire, en fonction du temps. La bande choisie est centrde sur la longueur d'onde de 1,140 ttm, alors que la bande de rdfdrence se situe dans la fen~tre de transparence atmosphdrique voisine, h 1,218 pm. Les caractdristiques completes de l'hygrom~tre infrarouge que nous avons mis au point ont dtd ddtailldes dans des travaux antdrieurs (Vergez et Pages, 1980) ainsi que les approximations inhdrentes h la mdthode (Vergez, 1982). Rappelons seulement que le rapport des signaux mesurds, correspondant aux deux bandes de longueur d'onde, est reprdsentatif de la quantitd de vapeur d'eau prdsente dans l'atmosph~re, h la verticale du lieu, au moment de la mesure. L'absorption apparente due aux adrosols et h la diffusion motdculaire est supposde identique pour les deux longueurs d'onde sdlectionndes, la diffusion moldculaire dtant par ailleurs ndgligeable. La validit~ de la mdthode d'dvaluation de la quantitd de vapeur d'eau a dtd vdrifide expdrimentalement par comparaison des rdsultats avec ceux que donnent les modules thdoriques classiques (Vergez et Pages, 1980 ). Une mdthode de simulation d'absorption rdalisde h l'aide de filtres de transmission connue pour la longueur d'onde utilisde a permis de relier la valeur absolue de la transmission de la vapeur d'eau atmosphdrique au signal mesurd (Vergez, 1981 ). Si l'on suppose la structure atmosphdrique stratifi~e et invariante, la loi reliant le logarithme de l'dnergie re~;ue par une surface normale au rayonne-
173 ment solaire, h la masse d'air travers~e, est repr~sent~e par une "droite de Bouguer". Toute variation de la quantit~ totale de vapeur d'eau dans la couche se traduit par un changement de pente sur la representation de Bouguer correspondante. Cette modification du trac~ avait initialement ~t~ remarqu~e lors de mesures du trouble atmosph~rique par pyrh~liom~trie ( Pages et al., 1977). I1 convient toutefois de noter qu'une variation h taux constant se traduit ~galement par une allure lin~aire; il s'agit alors de fausses droites de Bouguer dont la pente n'est ~videmment pas representative de la teneur en vapeur d'eau. Notre hygrom~tre spectral infrarouge, instrument sp~cifique pour ce type de recherches, permet d'~tudier de mani~re continue les fluctuations temporelles de la teneur globale en vapeur d'eau atmosph~rique; les r~sultats permettent d'analyser le d~veloppement des ph~nom~nes convectifs et de mieux comprendre l'~volution de l'atmosph~re, notamment en haute montagne off l'influence des h~t~rog~n~it~s propres h la couche limite est r~duite. VARIATIONDIURNE DE LA TENEUR DE L'ATMOSPHEREEN VAPEURD'EAU -RESULTATSET DISCUSSION Plusieurs campagnes de t~l~mesures de la vapeur d'eau atmosph~rique depuis le sol, menses au Pic-du-Midi, de 1983 h 1985, ont ~t~ n~cessaires pour obtenir un nombre suffisant d'enregistrements complets s'~tendant du lever au coucher du soleil, pour diff~rentes ~poques de l'ann~e. En effet, l'une des consequences des ph~nom~nes convectifs ~tudi~s est le d~veloppement frequent de formations nuageuses qui viennent perturber sinon interrompre les enregistrements du rayonnement infrarouge solaire en cours de journ~e. Le traitement des donn~es fournies par l'hygrom~tre spectral a permis d'~valuer, pour toutes les journdes exemptes de n~bulosit~, la teneur de l'atmosph~re en vapeur d'eau repr~sent~e par la quantit~ d'eau pr~cipitable ~quivalente h la verticale du site en d~but de journ~e, puis de suivre son ~volution en fonction du temps jusqu'au coucher du soleil. On peut en d~duire le gain total journalier de l'atmosph~re en vapeur d'eau, ainsi que le gain moyen ~valu~ par unit~ de temps (Vergez, 1983). La Fig. 1 montre la variation typique de l'att~nuation du rayonnement infrarouge par la vapeur d'eau observ~e en montagne au cours d'une journ~e forte convection (13 septembre 1983). Apr~s une variation r~guli~re, on remarque, h 8h50 T.U., une nette augmentation de l'att~nuation du rayonnement infrarouge. Vers 10h T.U., le ph~nom~ne pr~sente une seconde phase d'opacification qui signe une nouvelle augmentation de la quantit~ de vapeur d'eau pr~sente. Le phgnombne initial se trouve ainsi renforc~. La tenuer globale en vapeur d'eau va passer par un maximum avant de diminuer. On constate en effet que, dans l'apr~s-midi, l'att~nuation du rayonnement infrarouge d~croit en inscrivant un changement de pente sur la courbe de Bouguer. C'est ce que l'on voit sur la Fig. 1, h 14h T.U. I1 est int~ressant de noter que cette dgcrois-
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Fig. 1. Variation typique de l'att~nuation du rayonnement infrarouge, observSeen montagne au cours d'une journ~e caract~risSe par une forte convection ( V, et V2sont les signaux mesurgs et z la distance z~nithale). Fig. 1. Atmosphericattenuation of the infrared radiation observedover mountains during a strongly convective day ( V, and V2are the values measured and z is the zenith angle). sance s'effectue en deux phases, la figure accusant un second changement de pente h 15h10 T.U. On observe ainsi une dvolution de l'att~nuation du rayonnement infrarouge comparable h celle, bien connue, du front convectif. D'une mani~re g~ndrale, on remarque que si les deux ~tapes du renforcement de l'opacit~ sont faciles h ddceler dans la phase des masses d'air d~croissantes, il est beaucoup plus ddlicat de s~parer les phases li4es h la s~quence croissante. Souvent, en effet, selon les conditions mdtdorologiques, leurs effets se confondent et l'on observe seulement une diminution plus ou moins rapide de la quantitd de vapeur d'eau atmosphdrique associde h la subsidence. On assiste alors h l'affaissement de la couche convective globale gdndr~e au cours de la journ~e par la convection locale et par t'arrivde de l'air convectif en provenance de la plaine en amont du site. La droite de Bouguer montre alors un seul changement de pente l'apr~s-midi au lieu des deux, bien sdpards, h 14h et 15h10 T.U. pr~sentds par la Fig. 1. I1 est int~ressant de comparer l'dvolution des phdnom~nes d'attdnuation du rayonnement infrarouge observde en altitude avec celle que l'on obtient h bas niveau dans la m~me rdgion. De nombreux enregistrements ont ~td effectu~s h
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Fig. 3. Droite de Bouguer significative obtenue en l'absence de convection (Pic-du-Midi). Fig. 3. Bouguer's graph obtained for a non-convective situation at Pic-du-Midi (2861 m).
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Fig. 4. Exemples d'dvolution diurne de la quantit~ de vapeur d'eau atmosph~rique mesur~e en montagne (courbe A: 14-9-1983; B: 28-6-1984; C: 22-8-1984; D: 21-8-1985). Fig. 4. Diurnal variation of the atmospheric water vapour amount measured over mountains (Picdu-Midi; curve A: 14-9-1983; B: 28-6-1984; C: 22-8-1984; D: 21-8-1985).
cet effet. A titre d'exemple, la Fig. 2 illustre les r~sultats obtenus en r~gime convectif, en plaine, le 2 septembre 1980. Une brusque augmentation de la quantit~ de vapeur d'eau est visible ~ 9h10 T.U. Le ph~nom~ne inverse, diminution significative de la quantit~ de vapeur d'eau, se situe vers 14h30 T.U. Les droites de Bouguer relatives aux situations convectives de plaine n'accusent que deux changements de pente, l'un le matin, l'autre l'apr~s-midi h la fin du processus. Ainsi, l'allure des courbes de Bouguer obtenues ~ bas niveau et en montagne pr~sentent des similitudes mais on constate que les variations de l'opacification se trouvent renforc~es par une seconde phase en altitude. Afin de bien pr~ciser l'int6r~t de la representation de Bouguer, dans la mise en ~vidence des ph~nom~nes convectifs, la Fig. 3 montre une droite de Bouguer significative obtenue au Pic-du-Midi pendant la journ~e du 28 juin 1984 off aucune convection ne s'est d~velopp~e. On note en particulier la lin6arit~ du trac~ ( figur~ en trait plein ) relatif h la matinee et l'absence de tout changement de pente. La Fig. 4 montre quelques aspects typiques de l'~votution diurne de la quantit6 de vapeur d'eau atmosph~rique observes en montagne. Les courbes A, B, C et D ont ~t~ obtenues respectivement le 14 septembre 1983, le 28 juin 1984 par situation anticyc|onique, le 22 aofit 1984 p a r situation d~pressionnaire et le 21 aofit 1985.
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Fig. 5. Variation diurne de la quantitd de vapeur d'eau atmosphdrique obtenue, en situations convectives, en plaine (moyennes mensuelles calculdes sur 3 annSes). Fig. 5. Variation of atmospheric water vapour content observed during convective days over a plain (monthly averages for three years).
Les quantit~s de vapeur d'eau gdndralement mesurdes au Pic-du-Midi, sont comprises entre 0.05 et 1,30 g/cm 2 ( ou cm d'eau prdcipitable ) alors qu'en plaine, elles peuvent atteindre 3,35 g/cm 2 (Vergez, 1983). On a trouvd que le gain journalier en vapeur d'eau, en rdgime fortement convectif, est de l'ordre de 1,20 g/cm 2 en plaine alors qu'il ne d~passe pas 0.50 g/cm 2 au Pic-du-Midi. Etant donn~e la prdcision des mesures (Vergez, 1983 ), les valeurs mentionndes sont d4termindes h 5% prbs. La Fig. 5 montre les variations mensuelles de la teneur globale en vapeur d'eau de l'atmosphdre mesurdes en situations convectives en plaine, au cours des campagnes de 1979 ~ 1981, les valeurs dtant moyenndes sur les trois anndes. A titre d'exemple, la Fig. 6 permet de comparer, dans la m~me r~gion des Pyrenees occidentales fran~aises, les variations de la teneur en vapeur d'eau atmosphdrique observdes au Pic-du-Midi les 13 et 14 septembre 1983 (courbes bet c) ~ la variation moyenne obtenue en plaine de 1979 1981 en septembre (courbe a) dans des situations m~tdorologiques similaires. On remarque qu'h la m~me saison l'opacit~ se r~sorbe plus t6t en altitude qu'h bas niveau.
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Fig. 6. Comparaison de la variation des teneurs globales en vapeur d'eau atmosph~rique mesur~e en situations convectives, en plaine (courbe a) et en montagne (courbes b et c). Fig. 6. Variations of the global atmospheric water vapour content measured for convective situations over a plain (curve a) and over mountains (b, c).
CONCLUSION Les variations diurnes de la teneur globale de l'atmosph~re en vapeur d'eau, induites par les ~changes et transferts d'~nergie, notamment radiative, sont dtroitement li~es ~ l'~votution des phdnom~nes convectifs et pr~convectifs. La
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vapeur d'eau atmosphdrique trouve en effet son origine dans l'dvaporation et rdvapotranspiration. Or la convection joue un r61e certain sur ces processus par une augmentation du gradient de vapeur d'eau au voisinage immddiat du sol,par mdlange de la couche infdrieureet par une turbulence accrue. L'hygrom~tre infrarouge, instrument spdcifique pour les mesures instantandes, depuis le sol,des quantitds globales de vapeur d'eau atmosphdrique, permet donc de cerner les caractdristiques du phdnombne convectif (ddclenchement, durde, intensitd, arr~t) et de mettre en dvidence la phase prdconvective. Les rdsultats de ces mesures, effectudes h basse altitude et en montagne renseignent sur la couche limite, sur les phdnombnes radiatifs et convectifs et sur l'influence de l'dcoulement environnant. La ddmarche expdrimentale prdcddente nous a procurd les donndes ndcessaires au ddveloppement ultdrieur d'une moddlisation destinde h ddcrire, de manibre aussi prdcise que possible, les processus physiques qui interviennent dans le ddroulement des mdcanismes convectifs.
REFERENCES Ohtaki, E., 1985. On the similarity in atmospheric fluctuations of carbon dioxide, water vapor and temperature over vegetated fields. Boundary-Layer Meteorol., 32: 25-37. Ohtaki, E. et Matsui, T., 1982. Infrared device for simultaneous measurement of fluctuations of atmospheric carbon dioxide and water vapor. Boundary-Layer Meteorol., 24: 109-119. Pages, J.P., l~sch J. et Sa'issac, J., 1977. Influence des perturbations thermiques de l'atmosph~re sur la qualit~ des images solaires. Solar Phys., 51: 481-488. Raupach, M.R., 1978. Infrared fluctuation hygrometry in the atmospheric surface layer. Q. J. R. Meteorol. Soc., 104: 309-322. Vergez, M., 1981. Etude de la rSponse d'un hygrom~tre spectral infrarouge par simulation d'absorption. J. Rech. Atmos., 15: 89-95. Vergez, M., 1982. Etude quantitative de la vapeur d'eau atmosph~rique par hygrom~trie infrarouge Application. J. Rech. Atmos., 16: 321-326. Vergez, M., 1983. Hygrom~trie infrarougeappliqude~ l'~tudedes ph~nom~nes convectifs.J. Rech. Atmos., 17: 313-322. Vergez, M. et Pages, J.P., 1980. Etude des fluctuationsde la quantitd de vapeur d'eau atrnosph~rique par hygrom~trie spectraleinfrarouge.J, Rech. Atmos., 14: 149-164.
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(ReCu le 14 avril, 1986; accept~ aprbs r~vision le 30 septembre, 1986)
ABSTRACT Vergez, M., 1987. Principalescaract~ristiquesde la teneur en vapeur d'eau au-dessus de la couche limite plan~taire. (Main characteristicsof the atmospheric water vapour content above the boundary layer.) Atmos. Res.,21: 171-179. Quantitative studies of atmospheric water vapor based on measurements of solar irradiance attenuation at 1,140/~m, have been made with an infraredhygrometer in order to investigatethe evolution of convective and preconvective phenomena observed at 2861 m (Pic-du-Midi). The diurnal variationsof the totalwater vapor content associated with the convective process have been studied and compared with resultsobtained at low levels.
RESUME Une ~tude quantitative de la vapeur d'eau atmosph~rique, bas~e sur la mesure de l'attdnuation du rayonnement solaire ~ 1,140/~m,a $t~ menSe ~ l'aide d'un hygrombtre spectral infrarouge, pour suivre l'~volution des ph~nom~nes convectifs et pr~convectifs observes en montagne (Pic-duMidi, 2861 m). Les variations diurnes de la quantit~ globale de vapeur d'eau atmosph~rique, assocites ~ la convection et aux changements de masses d'air, ont ~t~ mesurdes et compar~es ~ celles que l'on obtient ~ basse altitude.
INTRODUCTION
L a m e s u r e de l ' a b s o r p t i o n du r a y o n n e m e n t solaire p a r la v a p e u r d'eau, h 1,140/lm, est utilisde c o m m e m o y e n d ' i n v e s t i g a t i o n p o u r l'dtude des phdnom~nes atmosphdriques dans lesquels la v a p e u r d'eau p e u t ~tre consid~r~e c o m m e traceur. Les m e s u r e s au P i c - d u - M i d i , situ~ au-dessus du n i v e a u m o y e n de la couche limite planStaire (2861 m d ' a l t i t u d e ) d e v r a i e n t p e r m e t t r e a priori de s ' a f f r a n c h i r de celle-ci d a n s la m a j e u r e p a r t i e des cas. Les m o u v e m e n t s convectifs qui se d d v e l o p p e n t avec l ' e n s o l e i l l e m e n t e n t r a i n e n t vers les couches sup~rieures, la v a p e u r d ' e a u p r o d u i t e et c o n c e n t r d e sur-
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172 tout au niveau du sol. La consdquence directement observable de ce phdnom~ne est une attdnuation, par diffusion et absorption, du rayonnement infrarouge h travers ces couches. Ce processus est utilisd par l'hygrom~tre infrarouge qui mesure alors la vapeur d'eau comme un fhcteur de ddtection du transport et des dchanges rdalisds. En effet, lorsque l'enveloppe supdrieure des mouvements convectifs coupe l'axe optique de l'hygrom~tre, on observe une diminution du rayonnement infrarouge transmis et un changement de pente appara~t sur la courbe de Bouguer reprdsentative du logarithme de l'dnergie du rayonnement solaire en fonction de la masse d'air traversde, donc en fonction du temps, pour la longueur d'onde considdrde. Les cas les plus typiques qui ont dtd relevds correspondent h des situations anticycloniques; de plus, dans les conditions rencontrdes, les variations de la quantitd de vapeur d'eau dues h l'advection ont pu ~tre considdrdes comme aldatoires. La mise en dvidence des diff~rentes phases prdsentdes par l'dvolution de l'attdnuation du rayonnement infrarouge par la vapeur d'eau constitue une approche intdressante dans l'dtude de ces phdnom~nes complexes. INSTRUMENTATIONET METHODE L'hygrom~tre spectral infrarouge permet de ddterminer, depuis de sol, la quantitd totale de vapeur d'eau contenue dans l'atmosph~re en utilisant le soleil comme source. La mdthode consiste h mesurer et h enregistrer les variations de l'absorption provoqude par la vapeur d'eau atmosphdrique dans une dtroite bande infrarouge du rayonnement solaire, en fonction du temps. La bande choisie est centrde sur la longueur d'onde de 1,140 ttm, alors que la bande de rdfdrence se situe dans la fen~tre de transparence atmosphdrique voisine, h 1,218 pm. Les caractdristiques completes de l'hygrom~tre infrarouge que nous avons mis au point ont dtd ddtailldes dans des travaux antdrieurs (Vergez et Pages, 1980) ainsi que les approximations inhdrentes h la mdthode (Vergez, 1982). Rappelons seulement que le rapport des signaux mesurds, correspondant aux deux bandes de longueur d'onde, est reprdsentatif de la quantitd de vapeur d'eau prdsente dans l'atmosph~re, h la verticale du lieu, au moment de la mesure. L'absorption apparente due aux adrosols et h la diffusion motdculaire est supposde identique pour les deux longueurs d'onde sdlectionndes, la diffusion moldculaire dtant par ailleurs ndgligeable. La validit~ de la mdthode d'dvaluation de la quantitd de vapeur d'eau a dtd vdrifide expdrimentalement par comparaison des rdsultats avec ceux que donnent les modules thdoriques classiques (Vergez et Pages, 1980 ). Une mdthode de simulation d'absorption rdalisde h l'aide de filtres de transmission connue pour la longueur d'onde utilisde a permis de relier la valeur absolue de la transmission de la vapeur d'eau atmosphdrique au signal mesurd (Vergez, 1981 ). Si l'on suppose la structure atmosphdrique stratifi~e et invariante, la loi reliant le logarithme de l'dnergie re~;ue par une surface normale au rayonne-
173 ment solaire, h la masse d'air travers~e, est repr~sent~e par une "droite de Bouguer". Toute variation de la quantit~ totale de vapeur d'eau dans la couche se traduit par un changement de pente sur la representation de Bouguer correspondante. Cette modification du trac~ avait initialement ~t~ remarqu~e lors de mesures du trouble atmosph~rique par pyrh~liom~trie ( Pages et al., 1977). I1 convient toutefois de noter qu'une variation h taux constant se traduit ~galement par une allure lin~aire; il s'agit alors de fausses droites de Bouguer dont la pente n'est ~videmment pas representative de la teneur en vapeur d'eau. Notre hygrom~tre spectral infrarouge, instrument sp~cifique pour ce type de recherches, permet d'~tudier de mani~re continue les fluctuations temporelles de la teneur globale en vapeur d'eau atmosph~rique; les r~sultats permettent d'analyser le d~veloppement des ph~nom~nes convectifs et de mieux comprendre l'~volution de l'atmosph~re, notamment en haute montagne off l'influence des h~t~rog~n~it~s propres h la couche limite est r~duite. VARIATIONDIURNE DE LA TENEUR DE L'ATMOSPHEREEN VAPEURD'EAU -RESULTATSET DISCUSSION Plusieurs campagnes de t~l~mesures de la vapeur d'eau atmosph~rique depuis le sol, menses au Pic-du-Midi, de 1983 h 1985, ont ~t~ n~cessaires pour obtenir un nombre suffisant d'enregistrements complets s'~tendant du lever au coucher du soleil, pour diff~rentes ~poques de l'ann~e. En effet, l'une des consequences des ph~nom~nes convectifs ~tudi~s est le d~veloppement frequent de formations nuageuses qui viennent perturber sinon interrompre les enregistrements du rayonnement infrarouge solaire en cours de journ~e. Le traitement des donn~es fournies par l'hygrom~tre spectral a permis d'~valuer, pour toutes les journdes exemptes de n~bulosit~, la teneur de l'atmosph~re en vapeur d'eau repr~sent~e par la quantit~ d'eau pr~cipitable ~quivalente h la verticale du site en d~but de journ~e, puis de suivre son ~volution en fonction du temps jusqu'au coucher du soleil. On peut en d~duire le gain total journalier de l'atmosph~re en vapeur d'eau, ainsi que le gain moyen ~valu~ par unit~ de temps (Vergez, 1983). La Fig. 1 montre la variation typique de l'att~nuation du rayonnement infrarouge par la vapeur d'eau observ~e en montagne au cours d'une journ~e forte convection (13 septembre 1983). Apr~s une variation r~guli~re, on remarque, h 8h50 T.U., une nette augmentation de l'att~nuation du rayonnement infrarouge. Vers 10h T.U., le ph~nom~ne pr~sente une seconde phase d'opacification qui signe une nouvelle augmentation de la quantit~ de vapeur d'eau pr~sente. Le phgnombne initial se trouve ainsi renforc~. La tenuer globale en vapeur d'eau va passer par un maximum avant de diminuer. On constate en effet que, dans l'apr~s-midi, l'att~nuation du rayonnement infrarouge d~croit en inscrivant un changement de pente sur la courbe de Bouguer. C'est ce que l'on voit sur la Fig. 1, h 14h T.U. I1 est int~ressant de noter que cette dgcrois-
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Fig. 3. Droite de Bouguer significative obtenue en l'absence de convection (Pic-du-Midi). Fig. 3. Bouguer's graph obtained for a non-convective situation at Pic-du-Midi (2861 m).
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Fig. 4. Exemples d'dvolution diurne de la quantit~ de vapeur d'eau atmosph~rique mesur~e en montagne (courbe A: 14-9-1983; B: 28-6-1984; C: 22-8-1984; D: 21-8-1985). Fig. 4. Diurnal variation of the atmospheric water vapour amount measured over mountains (Picdu-Midi; curve A: 14-9-1983; B: 28-6-1984; C: 22-8-1984; D: 21-8-1985).
cet effet. A titre d'exemple, la Fig. 2 illustre les r~sultats obtenus en r~gime convectif, en plaine, le 2 septembre 1980. Une brusque augmentation de la quantit~ de vapeur d'eau est visible ~ 9h10 T.U. Le ph~nom~ne inverse, diminution significative de la quantit~ de vapeur d'eau, se situe vers 14h30 T.U. Les droites de Bouguer relatives aux situations convectives de plaine n'accusent que deux changements de pente, l'un le matin, l'autre l'apr~s-midi h la fin du processus. Ainsi, l'allure des courbes de Bouguer obtenues ~ bas niveau et en montagne pr~sentent des similitudes mais on constate que les variations de l'opacification se trouvent renforc~es par une seconde phase en altitude. Afin de bien pr~ciser l'int6r~t de la representation de Bouguer, dans la mise en ~vidence des ph~nom~nes convectifs, la Fig. 3 montre une droite de Bouguer significative obtenue au Pic-du-Midi pendant la journ~e du 28 juin 1984 off aucune convection ne s'est d~velopp~e. On note en particulier la lin6arit~ du trac~ ( figur~ en trait plein ) relatif h la matinee et l'absence de tout changement de pente. La Fig. 4 montre quelques aspects typiques de l'~votution diurne de la quantit6 de vapeur d'eau atmosph~rique observes en montagne. Les courbes A, B, C et D ont ~t~ obtenues respectivement le 14 septembre 1983, le 28 juin 1984 par situation anticyc|onique, le 22 aofit 1984 p a r situation d~pressionnaire et le 21 aofit 1985.
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Fig. 5. Variation diurne de la quantitd de vapeur d'eau atmosphdrique obtenue, en situations convectives, en plaine (moyennes mensuelles calculdes sur 3 annSes). Fig. 5. Variation of atmospheric water vapour content observed during convective days over a plain (monthly averages for three years).
Les quantit~s de vapeur d'eau gdndralement mesurdes au Pic-du-Midi, sont comprises entre 0.05 et 1,30 g/cm 2 ( ou cm d'eau prdcipitable ) alors qu'en plaine, elles peuvent atteindre 3,35 g/cm 2 (Vergez, 1983). On a trouvd que le gain journalier en vapeur d'eau, en rdgime fortement convectif, est de l'ordre de 1,20 g/cm 2 en plaine alors qu'il ne d~passe pas 0.50 g/cm 2 au Pic-du-Midi. Etant donn~e la prdcision des mesures (Vergez, 1983 ), les valeurs mentionndes sont d4termindes h 5% prbs. La Fig. 5 montre les variations mensuelles de la teneur globale en vapeur d'eau de l'atmosphdre mesurdes en situations convectives en plaine, au cours des campagnes de 1979 ~ 1981, les valeurs dtant moyenndes sur les trois anndes. A titre d'exemple, la Fig. 6 permet de comparer, dans la m~me r~gion des Pyrenees occidentales fran~aises, les variations de la teneur en vapeur d'eau atmosphdrique observdes au Pic-du-Midi les 13 et 14 septembre 1983 (courbes bet c) ~ la variation moyenne obtenue en plaine de 1979 1981 en septembre (courbe a) dans des situations m~tdorologiques similaires. On remarque qu'h la m~me saison l'opacit~ se r~sorbe plus t6t en altitude qu'h bas niveau.
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Fig. 6. Comparaison de la variation des teneurs globales en vapeur d'eau atmosph~rique mesur~e en situations convectives, en plaine (courbe a) et en montagne (courbes b et c). Fig. 6. Variations of the global atmospheric water vapour content measured for convective situations over a plain (curve a) and over mountains (b, c).
CONCLUSION Les variations diurnes de la teneur globale de l'atmosph~re en vapeur d'eau, induites par les ~changes et transferts d'~nergie, notamment radiative, sont dtroitement li~es ~ l'~votution des phdnom~nes convectifs et pr~convectifs. La
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vapeur d'eau atmosphdrique trouve en effet son origine dans l'dvaporation et rdvapotranspiration. Or la convection joue un r61e certain sur ces processus par une augmentation du gradient de vapeur d'eau au voisinage immddiat du sol,par mdlange de la couche infdrieureet par une turbulence accrue. L'hygrom~tre infrarouge, instrument spdcifique pour les mesures instantandes, depuis le sol,des quantitds globales de vapeur d'eau atmosphdrique, permet donc de cerner les caractdristiques du phdnombne convectif (ddclenchement, durde, intensitd, arr~t) et de mettre en dvidence la phase prdconvective. Les rdsultats de ces mesures, effectudes h basse altitude et en montagne renseignent sur la couche limite, sur les phdnombnes radiatifs et convectifs et sur l'influence de l'dcoulement environnant. La ddmarche expdrimentale prdcddente nous a procurd les donndes ndcessaires au ddveloppement ultdrieur d'une moddlisation destinde h ddcrire, de manibre aussi prdcise que possible, les processus physiques qui interviennent dans le ddroulement des mdcanismes convectifs.
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