Thermique et instabilité

Le vol thermique exploite des bulles d’air plus chaudes que leur environnement. Quatre critères du catalogue décrivent cette convection : l’humidité de l’air de surface (dew_spread), la hauteur où une bulle condense (cloud_base_agl), la hauteur où elle cesse de monter (thermal_ceiling_agl), et l’énergie qu’elle libérerait si rien ne l’arrêtait (cape). Les trois premiers mesurent la ressource ; le dernier mesure le danger.

Le principe : une bulle et son environnement

Une bulle d’air qui monte sans échanger de chaleur se détend et se refroidit de 9,8 °C par kilomètre tant qu’elle ne condense pas : c’est le gradient adiabatique sec, Γd = g / cp S49 S51. L’air qui l’entoure (la « courbe d’état » du sondage) se refroidit à son propre rythme, en général moins vite. Tant que la bulle reste plus chaude que l’environnement, elle est plus légère et continue de monter ; quand elle devient plus froide, elle s’arrête. Dans une couche bien mélangée par la convection, la température suit exactement l’adiabatique sèche S51.

Trois hauteurs se lisent sur ce profil :

• la base (niveau de condensation) : la bulle a refroidi jusqu’à son point de rosée, la vapeur condense, un cumulus naît ;
• le plafond (sommet de la couche convective) : la bulle n’est plus plus chaude que l’environnement ;
• le niveau d’équilibre : si la condensation libère assez de chaleur pour que la bulle reste plus chaude bien au-dessus du plafond sec, elle continue : c’est la convection profonde, et l’énergie disponible est le CAPE.

Écart de rosée

Définition

dew_spread = temperature_2m − dew_point_2m, en °C, instantané, à 2 m S4. Le point de rosée est la température à laquelle l’air deviendrait saturé ; l’écart mesure donc la sécheresse de l’air de surface. Open-Meteo le dérive de la température et de l’humidité relative natives du modèle S4.

Ce que l’écart détermine rigoureusement : la hauteur de la base

Quand la bulle monte, sa température baisse de 9,8 °C/km et son point de rosée baisse aussi, mais beaucoup moins vite, d’environ 1,8 °C/km (la détente réduit un peu la pression de vapeur) S44 S45. Les deux courbes se rapprochent de 9,8 − 1,8 = 8 °C par kilomètre et se rejoignent à la hauteur :

z_base = D / (Γd − Γdew) = D / (8 °C/km) = 125 m par °C × D

C’est la formule d’Espy (1836), redérivée par Stull ; elle est précise à environ 1 % en conditions ordinaires S43 S44 S45. Un écart de 8 °C à 14 h donne une base vers 1 000 m au-dessus du terrain S56.

Ce que l’écart ne détermine pas : la force des thermiques

La vitesse verticale d’un thermique est fixée par le flux de chaleur au sol et la profondeur de la couche convective, pas par l’humidité. La théorie de la couche limite convective, reprise par le RASP, donne l’échelle de vitesse :

w* = ((g / T₀) × Qs × D_BL)^(1/3)

où Qs est le flux de chaleur sensible au sol et D_BL la profondeur de la couche S46. L’écart de rosée n’y figure pas. Il y est lié deux fois, mais indirectement :

• un air sec signifie souvent un sol sec, donc un rapport de Bowen élevé, donc plus de chaleur sensible Qs et moins d’évaporation ;
• un air sec donne une base haute, donc une couche plus profonde D_BL, et w* croît comme la racine cubique de cette profondeur : doubler la hauteur n’augmente la vitesse que de 26 %.

Un lien en racine cubique est faible. Un écart de 10 °C par ciel voilé (chauffage faible) donne des thermiques mous ; un écart de 4 °C par ciel clair en juin donne des thermiques forts avec une base basse. Le glossaire du compilateur (QUALITATIVE_SCALES, « thermique doux 3–6 °C, franc 6–10 °C, musclé 10 °C et plus ») traduit un vocabulaire de pilotes dans la case dew_spread : c’est une convention de langage utile pour lire un texte libre, pas une loi physique. Un indicateur de force fondé sur w* est proposé dans Limites et propositions.

Ce que l’écart indique bien : l’étalement

Un petit écart signifie un air proche de la saturation. Les critères classiques de formation d’une couche de stratocumulus par étalement des cumulus sont : une inversion marquée, un écart température / point de rosée de 2 °C ou moins sous l’inversion, et une épaisseur de nuage d’au moins 600 m (2 000 ft) ; les cumulus restent épars quand l’écart dépasse 5 °C sous une inversion faible S47 S48. L’alerte du profil treuil sous 3 °C (« air humide, thermiques faibles ») lit ce risque. Détail dans Nuages et pluie.

Réglage par profil

Les seuils bloquants du crosseur et du cross engagé sont des seuils de hauteur de base déguisés : 5 °C ⇒ 625 m, 8 °C ⇒ 1 000 m. Ils doublent les critères cloud_base_agl avec une donnée plus robuste (la température de surface est mieux prévue que le profil complet).

Limites

• Mesuré à 2 m sur la maille : la température de la maille est corrigée de l’altitude du site (0,7 °C/100 m), le point de rosée l’est aussi, mais la rugosité et l’exposition de la pente ne le sont pas.
• Instantané : l’écart grandit au cours de la matinée à mesure que le sol chauffe ; la valeur de 10 h ne dit rien de celle de 14 h.
• Ne mesure ni la force ni le déclenchement des thermiques.

Ce que Sciron calcule

dewSpreadC(temperature2m, dewPoint2m) dans src/lib/forecast/criteria.ts ; évalué par evaluateRule, cas dew_spread.

Base nuageuse au-dessus du site

Définition

cloud_base_agl : hauteur de la base des cumulus au-dessus de l’altitude du site, en mètres. Calculée, pas lue : z_base = altitude de la maille + 125 × D, puis moins l’altitude du site.

Mécanisme

La base fixe la hauteur de travail du pilote : il ne peut pas monter plus haut sans entrer dans le nuage, ce que les règles de l’air interdisent et que la perte de visibilité rend dangereux. Elle fixe donc le rayon d’action entre deux thermiques.

Dérivation des seuils

Avec une finesse f ≈ 8 (Le parapente comme système de mesure), une hauteur H donne un rayon R = f × H :

Une seconde contrainte vient des règles de l’air : au-dessus de 300 m sol (ou 900 m mer), un vol à vue doit rester à 300 m sous les nuages et à 1 500 m latéralement S42 ; sous ce niveau, en espace G, « hors des nuages et en vue du sol ». Une base à 300 m au-dessus du site ne laisse donc aucune hauteur de travail légale au-dessus de la crête, ce qui justifie que ce soit le minimum du profil le plus bas.

Réglage par profil

Quand la base n’est pas calculable (température ou point de rosée absent, altitude du site et de la maille inconnues), le critère est ignoré et ne rend pas l’heure incertaine.

Limites

• Altitude de départ. Le calcul part de la température de la maille, corrigée de l’altitude par Open-Meteo ; chaque degré d’erreur sur cette température déplace la base de 125 m.
• Base minimale. Le RASP note que le niveau de condensation calculé depuis l’humidité de surface est « probablement une base minimale » : l’air qui condense réellement a été mélangé avec de l’air plus sec pendant la montée et condense plus haut S46. Le critère est donc conservateur.
• Ciel bleu. Si la base calculée est au-dessus du plafond thermique, il n’y a pas de cumulus ; la valeur reste un indicateur de sécheresse mais ne décrit aucun nuage.

Ce que Sciron calcule

cloudBaseAltitudeM(groundAltitudeM, temperatureC, dewPointC) avec CLOUD_BASE_M_PER_C = 125 dans src/lib/forecast/sounding.ts ; buildDayHourDecisions (src/lib/forecast/dossier.ts) soustrait l’altitude du site, ou celle de la maille à défaut.

Plafond thermique au-dessus du site

Définition

thermal_ceiling_agl : hauteur au-dessus du site à laquelle une bulle partie du sol cesse d’être plus chaude que l’environnement, en mètres. Calculée depuis le profil vertical du sondage.

Mécanisme

C’est le sommet de la couche convective : au-dessus, l’air est stable et les thermiques s’arrêtent. En l’absence de cumulus (journée « bleue »), c’est la hauteur maximale du vol. Avec des cumulus, la base est plus basse que le plafond et c’est elle qui limite.

Dérivation

Sciron suit l’adiabatique sèche depuis la surface :

T_bulle(z) = T₀ − 9,8 °C/km × (z − z₀)

et cherche la première hauteur où T_bulle(z) = T_env(z), la température de la courbe d’état interpolée entre les niveaux de pression. C’est le point où l’indice thermique TI = T_env − T_bulle s’annule, que le service météo américain appelle top of the lift S50. Le signe de T_bulle − T_env à chaque hauteur est la flottabilité affichée dans la matrice de vol (thermalBuoyancyAtAltitude).

Les seuils des profils suivent la même logique de rayon d’action que la base : 400 m (alerte local), 600 m (crosseur, treuil), 1 000 m (alerte crosseur), 1 500 m (cross engagé).

Réglage par profil

Un plafond « non trouvé » (l’adiabatique ne croise pas la courbe d’état dans la plage de niveaux) est ignoré.

Limites

• Surestimation. Le sommet de la couche mélangée est la hauteur jusqu’où l’air est brassé, pas la hauteur jusqu’où un planeur monte. Le RASP lui préfère H_crit, la hauteur où la vitesse moyenne des ascendances passe sous 225 ft/min (1,14 m/s, la chute d’un planeur), et avertit que le sommet « peut être trompeur » quand le mélange vient du cisaillement plutôt que du chauffage S46 S52.
• Sensibilité. « Un petit changement de la température de surface peut produire un grand changement du sommet de la couche limite » S52 : un degré d’erreur sur la température de 2 m peut déplacer le plafond de plusieurs centaines de mètres quand la courbe d’état est proche de l’adiabatique.
• Relief. Sur un relief que la maille ne résout pas, les thermiques montent plus haut que le sommet calculé ; des pilotes rapportent que le sommet de couche limite y correspond mieux que H_crit S46.
• Résolution verticale. Les niveaux de pression sont espacés de 50 hPa (environ 500 m) ; l’interpolation linéaire entre deux niveaux lisse les inversions fines, qui sont pourtant ce qui arrête les thermiques. Le critère inversion lit ces mêmes niveaux : une inversion plus fine que l’intervalle est manquée ou lissée.

Ce que Sciron calcule

thermalTopAltitudeM(levels) avec DRY_ADIABAT_C_PER_M = 0,0098 dans src/lib/forecast/sounding.ts ; thermalBuoyancyAtAltitude pour la matrice ; soustraction de l’altitude du site dans buildDayHourDecisions.

inversion (findInversion dans src/lib/forecast/aloft-criteria.ts) est le premier intervalle du sondage au-dessus du sol où la température augmente avec la hauteur. Le détail donne le saut et la hauteur, y compris quand l’heure passe (« inversion de 3 °C vers 1 400 m »). Alerte si la base est à moins de 500 m au-dessus du site, pour thermique local, crosseur et cross engagé. Les autres profils ignorent ce critère.

CAPE

Définition

cape : Convective Available Potential Energy, énergie potentielle disponible pour la convection, en joules par kilogramme d’air, instantanée, calculée par le modèle pour une bulle partie de la surface S4. Le glossaire de l’AMS la définit comme l’énergie de flottabilité d’une bulle non diluée entre son niveau de convection libre et son niveau d’équilibre S21. En mots : on fait monter une bulle en tenant compte de la chaleur libérée par la condensation ; on additionne, sur toute la hauteur où elle reste plus chaude que l’environnement, l’accélération que cet excès de température lui donne. Forme condensée :

CAPE = ∫ g × (Tv,bulle − Tv,env) / Tv,env dz, du niveau de convection libre au niveau d’équilibre.

Mécanisme : de l’énergie à la vitesse

Si toute cette énergie devient de la vitesse, la bulle atteint au sommet :

w_max = √(2 × CAPE)

C’est le maximum thermodynamique S21 S22. Les courants réels valent environ la moitié, à cause du mélange avec l’air sec environnant, du poids de l’eau condensée et des forces de pression S22 S23.

La conclusion est brutale : un parapente descend à 1 m/s et avance à 10–14 m/s. Toute convection profonde réalisée est non volable, quel que soit le CAPE. Dès 300 J/kg, un cumulus congestus qui se développe aspire à des vitesses qui dépassent ce que l’aile peut compenser. Le CAPE ne mesure donc pas la gravité d’un orage pour un parapente, qui est maximale dès le premier ; il mesure la quantité d’énergie disponible si le déclenchement a lieu, c’est-à-dire la probabilité et la rapidité de ce développement.

Portée du danger

Un orage n’a pas besoin d’être au-dessus du site. Son courant descendant s’étale au sol et forme un front de rafales, « le bord d’attaque du courant descendant qui s’éloigne de l’orage, ressenti comme un passage à un vent frais et rafaleux, qui précède souvent la pluie de plusieurs minutes » S27 S28. Les limites d’écoulement « peuvent persister plus d’une journée et voyager sur des centaines de kilomètres » S28. Le manuel FFVL : « les vents qu’il génère peuvent se faire sentir à plusieurs dizaines de kilomètres alentour » et « si une dégradation orageuse est annoncée il faut s’abstenir de voler » S29.

Les repères publiés

Le Storm Prediction Center américain décrit l’instabilité par bandes : 0–1 000 J/kg faible, 1 000–2 500 modérée, 2 500–4 000 forte, plus de 4 000 extrême S24 S25. Deux avertissements l’accompagnent :

• « Comme pour les autres indices, il n’existe pas de valeur seuil au-delà de laquelle le temps violent devient imminent » S26.
• L’échelle dépend du lieu et de la saison : « 500 J/kg est très faible en mai dans l’Illinois, mais serait remarquable en janvier » S25.

Ces bandes sont faites pour prévoir des orages violents (grêle, tornades), pas pour un aéronef de 5 kg. Pour le parapente, la bande « faible » du SPC est déjà la bande dangereuse.

Dérivation du réglage

Bloquer à 1 500 J/kg revient à bloquer au milieu du « modéré » du SPC. Alerter à partir de 800 revient à prévenir dans le haut du « faible ». C’est défendable pour un vol où le pilote peut se poser en dix minutes, et c’est une convention : le CAPE n’offre pas de seuil physique.

Le paramètre qui devrait régler ce seuil n’est pas le niveau du pilote mais la durée pendant laquelle il ne peut pas se poser. C’est ce que font les deux profils qui s’écartent du réglage commun :

• Cross engagé : alerte dès 500 J/kg. Le pilote est à 1 500 m au-dessus d’une vallée, à 10 km de son terrain, quand le congestus se construit ; il lui faut vingt minutes pour descendre.
• Biplace : bloquant à 1 000 J/kg, alerte dès 500. La descente rapide est plus difficile avec un passager, et la responsabilité est double.

Réglage par profil

Un CAPE absent est ignoré (le modèle le fournit toujours ; un zéro est une valeur).

Limites

• Condition nécessaire, pas suffisante. Le CAPE dit ce qui se passerait si une bulle atteignait son niveau de convection libre. Pour y arriver, elle doit traverser une couche stable qui la freine : c’est l’inhibition convective (CIN), l’aire négative du sondage S30. Le service météo américain considère le couvercle « cassable » quand la CIN est inférieure à 20 à 30 J/kg S31. Un CAPE de 1 200 J/kg sous une CIN de 150 J/kg ne donnera rien sans forçage (relief, front, convergence) ; le même CAPE avec une CIN de 10 J/kg explose à 14 h. Le modèle Météo-France via Open-Meteo ne fournit pas la CIN S4 ; elle est calculable depuis le profil.
• CAPE de surface. La bulle part du sol de la maille. Une convection qui part d’une couche élevée (orages nocturnes, fronts) n’est pas vue.
• Instantané. Le CAPE grandit au fil de la journée avec le chauffage ; la valeur de 10 h sous-estime celle de 15 h.
• AROME contre ARPEGE. AROME simule explicitement les cumulonimbus ; son CAPE et sa pluie convective sont plus fiables S6. Au-delà de 48 h, ARPEGE paramètre la convection : le CAPE est moins contraint.

Ce que Sciron calcule

Lecture directe de hour.cape dans evaluateRule, cas cape (src/lib/forecast/strategy.ts), avec deux règles par profil : un bloquant à max et une alerte sur la bande min–max.

Fenêtre horaire

Le moteur ne juge que les heures locales de 7 h à 20 h (dayStartHour, dayEndHour dans src/lib/forecast/criteria.ts). La raison est le cycle diurne de la convection : les thermiques naissent quand le sol a chauffé, culminent en milieu d’après-midi et meurent au coucher du soleil S40. En dehors, un vol de pente est possible mais rare, et les brises de nuit (katabatiques, 2 à 6 m/s dans les pentes S39) rendent les décollages de montagne douteux.

La fenêtre fixe est une approximation : en décembre, le soleil se couche avant 17 h ; en juin, les thermiques tiennent jusqu’à 19 h et le soaring jusqu’à 21 h. Les champs sunrise et sunset de l’API, ainsi que sunshine_duration, permettraient une fenêtre par jour (Limites et propositions).