GO 6145 : Sminaire de Climatologie Dpartement de gographie Universit de Montral Cours 05 Cycle hydro

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GÉO 6145 Séminaire de ClimatologieDépartement
de géographieUniversité de MontréalCours
05Cycle hydrologique / bilan deau et humidité
atmosphérique/évaporationet évapotranspirationP
rofesseur Bhawan Singh, Ph.D.
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Répartition de leau planétaire
Département de géographie
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Répartition de leau planétaire
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Le bilan hydrique bilan deau

• Principe de la conservation de la masse (eau)
• Bilan deau
• Changement de forme (eau)
• solide (neige, glace)
• liquide (pluie, eau océanique)
• gaz (vapeur deau)

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Changement de phase de leau
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Changement de phase de leau
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Leau à lintérieur du système terre-atmosphère

• Transportée dun endroit à lautre
• verticalement courants convectifs
• horizontalement masses dair, vents
• Changement de phase
• transport/redistribution de lénergie

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Changement de phase de leau
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Le cycle hydrologique

• Évaporation/évapotranspiration de leau de
  surface (océans, sols, végétation)
• Transport de la vapeur deau par courants
  convectifs, masses dair
• Condensation région loin doù elle était
  évaporée
• Formation de nuages et de précipitations
• Ruissellement de leau retour de leau à locéan

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Cycle hydrologique
Département de géographie
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Cycle hydrologique
Département de géographie
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Bilan hydrique / bilan deau

• P E Rs ?st
• P précipitation (pluie, neige, rosée) (mm)
• E évaporation et évapotranspiration (mm)
• Rs ruissellement (surface rivières, fleuves,
  souterrain) (mm)
• ?st changement de volume deau (sols, lacs,
  océans) (mm)

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Cycle hydrologique
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Cycle hydrologique
Département de géographie
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Bilan hydrique
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En climatologie

• Précipitation
• Évaporation / évapotranspiration
• Ruissellement hydrologie
• morphologie, sols, végétation des bassins
• caractéristiques de la précipitation
• Humidité du sol pédologie
• type de sols, végétation
• caractéristiques de la précipitation

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Expression et mesure de lhumidité

• La vapeur deau est une composante normale mais
  variable
• de latmosphère. Dû au fait que la vapeur deau
  est un gaz,
• elle est capable dexercer un certain montant de
  pression
• atmosphérique et donc sa pression contribue à la
  pression
• totale de latmosphère. Donc elle exerce une
  pression
• partielle et on nomme cette pression partielle la
  pression de
• vapeur deau et on lui donne le signe e.
• Ptotal Pair sec Pair humide

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Expression et mesure de lhumidité

• La pression maintenant exercée par la vapeur
  deau (au point
• de saturation) est nommée la pression de vapeur
  saturante
• avec sigle es. Alors on trouvera que la valeur
  de es (la
• pression de vapeur saturante) qui exprime
  essentiellement la
• capacité maximale de lair à accommoder (tenir)
  la vapeur
• deau dépendra de la température de lair
  ambiant. La relation
• entre la température et la pression de vapeur
  saturante est
• presque exponentielle.

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Lhumidité atmosphérique

• Pression de la vapeur saturante (es Pa, mb)
• capacité maximale de vapeur deau
• varie selon la température de lair
• plus la température est élevée, plus élevée est
  la capacité de lair à contenir la vapeur deau

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Pression de vapeur
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Pression de vapeur-température
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Pression de vapeur-température
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Humidité relative (HR )

• HR e (Ta) x 100
• es (Ta)
• HR humidité relative ()
• e pression de vapeur deau non-saturante
  (actuelle) (Pa, mb) à une température
  donnée
• es pression de vapeur deau saturante
  (capacité maximale) (Pa, mb) à une température
  donnée
• Relative à la température
• Indice de niveau de saturation de lair
• Pas une bonne mesure de lhumidité absolue de
  lair

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Humidité relative
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Humidité relative exemple de calcul

• Ta 5?C Humidité spécifique au point de
  saturation 5 g kg-1 Humidité spécifique
  actuelle 4 g kg-1
• HR 4 x 100 80
• 5

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Humidité relative exemple de calcul

• Ta 20?C Humidité spécifique au point de
  saturation 14 g kg-1, Humidité spécifique
  actuelle 8 g kg-1
• HR 8 x 100 57
• 14
• Dans ce cas HR 57 (vs 80) mais humidité
  spécifique le double 8 (vs 4) g kg-1

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Humidité relative-température
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Humidité absolue (HAg m-3)

• HA masse de la vapeur deau (g)
• volume unitaire dair m3
• Une mesure du taux / densité de la vapeur deau
  (g m-3)

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Humidité spécifique (HS g kg-1)

• HS masse de vapeur deau (g)
• masse unitaire dair humide (kg)
• Masse de la vapeur deau (g) faible par rapport à
  la masse unitaire dair humide (kg)

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Rapport de mélange (RM g kg-1)

• RM masse de vapeur deau (g)
• masse unitaire dair sec (kg)
• Masse de la vapeur deau (g) par rapport à la
  masse unitaire dair sec (kg)
• Typiquement (0.1 g kg-1 (endroits désertiques,
  peu humides)
• 30 g kg-1 endroits tropicaux humides

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Déficit de saturation Ds (Pa, mb)

• Ds es (Ta) e (Ta) (Pa, mb)
• Mesure de la quantité additionnelle potentielle
  de la vapeur deau que lair pourrait contenir
  avant de devenir saturé

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Température de point de Rosée (TR ?C)

• Température critique à laquelle lair refroidi,
  tout en gardant la pression de vapeur constante,
  atteint le point de saturation
• e es
• HR 100

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Pression de vapeur saturante
Fig. Variation de la pression de vapeur saturante
selon la température
es
e
T 20 C es pression saturante (27 mb) e
pression non-saturante (10mb) TD température
du point de rosée (3C)
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Constante psychrométrique
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Constante psychrométrique
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Expression et mesure de lhumidité

• Le déficit de saturation (d.s.)
• Cest le montant supplémentaire de la vapeur
  deau que
• lair ambiant pourrait contenir, si elle était
  saturée avec la
• vapeur, pour une température donnée. Autrement
  dit cest
• La différence entre la pression de vapeur
  saturante (es) et la
• pression de la vapeur actuelle (e) à une
  température donnée ds es (Ta) e

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Expression et mesure de lhumidité

• 2) La température (le point) de rosée (Ta)
• Cest la température la plus basse à laquelle
• lair peut être refroidi avant que la
• condensation puisse commencer.

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Expression et mesure de lhumidité

• 3) La température du thermomètre mouillé (Tw)
• Cest la température la plus basse à laquelle
• lair peut être refroidi en raison du processus
• dévaporation.

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La théorie de psychrométrie

• Lune des façons les plus efficaces pour mesurer
  lhumidité
• atmosphérique cest lhygromètre à thermomètre
  sec et à
• thermomètre mouillé. Dans ce psychromètre deux
• thermomètres sont utilisés lun qui est
  ordinairement exposé
• à lair ambiant (le thermomètre sec) et qui
  mesure la
• température de lair et lautre qui est couvert
  dune gaine de
• mousseline mouillée et de cette façon donne une
  température
• plus basse en raison du refroidissement dû à
  lévaporation.

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La théorie de psychrométrie

• Lassomption fondamentale de la théorie de
• psychrométrie, est que si lon encaisse un
• thermomètre dune couverture mouillée, la perte
  de la
• chaleur sensible (QH) équivaut au gain de la
  chaleur
• latente (QE). Lénergie qui est utilisée pour
  évaporer leau autour du thermomètre provoque
  diminution de la température de lair.
• donc ?E -?H
• ou -?H la perte de chaleur sensible
• ?E le gain de chaleur latente

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La théorie de psychrométrie

• En utilisant les rapports de mélange, on
• Peut donc écrire
• -?H -cp (Ta Tw)
• ?E L (Xw Xa)
• ou
• Ta et Tw sont respectivement la température du
  thermomètre
• sec et celle du thermomètre mouillé.
• Cp la chaleur spécifique de lair à pression
  constante
• L la chaleur latente de vaporisation (à Ta)
• Xw et Xa sont respectivement le rapport du
  mélange de la
• surface mouillé et de lair ambiant non saturé

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La théorie de psychrométrie

• À létat déquilibre -?H ?E et donc
• -cp (Ta Tw) L (Xw Xa)
• De quelle équation lon peut dériver
• X Xw (cp/ L) (Ta Tw)
• Mais rappelez-vous que X E e , ce qui se
  traduit
• P
• à e P .X
• E

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La théorie de psychrométrie

• Alors en faisant la substitution de e pour X en
  équation précédente, nous avons
• e es (cp P/E L) (Ta Tw)
• Mais on peut démontrer que cp P/E L ? , ou ?
• se nomme la constante psychrométrique 0.66 mb
  C-1
• Donc e es - ? (Ta Tw)

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La théorie de psychométrie

• À mesure que le refroidissement dû au processus
• dévaporation se produit autour du thermomètre
• mouillé, la pression de la vapeur deau dans
  lair
• environnant saugmente également.
• Donc le rapport a hausse de la pression de
  vapeur deau
• b différence psychométrique
• a ? 0.66 mb C-1
• b
• et ? es e 0.66 mb C-1
• Ta -Tw

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Calculs empiriques de S, es et e

• es 6.1078 exp (17.269 Ta)
• Ta 237.3
• és 6.1078 exp (17.269 Tw)
• Tw 237.3
• De léquation (26)
• e és - ? (Ta Tw)
• S 25,029 . exp (17.269 Tw)
• (Tw 237.3)2 (Tw 237.3)
• ou Tw ici est la température moyenne aux
  thermomètres mouillés entre deux niveaux

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ANNEXES
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Cycle hydrologique
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Expression et mesure de lhumidité

• 5) Lhumidité relative
• Cest la quantité absolue de vapeur deau dans un
  volume
• dair par rapport à la quantité totale deau que
  pourrait
• contenir ce même volume au point de saturation
  pour une
• température donnée. Alors cest le rapport de la
  pression
• actuelle de la vapeur deau (e) et la pression de
  la vapeur
• saturant (es) à une température (Ta) donnée.
• Donc HR e/es (Ta)
• Normalement lon multiplie ce rapport par 100
  pour
• exprimer HR comme pourcentage.
• Donc HR e/es (Ta) X 100
• Autres notions qui traitent de lhumidité
  atmosphérique

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Expression et mesure de lhumidité

• 3) Lhumidité spécifique (q) (g g-1, kg kg-1)
• Cest la masse de la vapeur deau contenue dans
  la masse
• unitaire dair humide.
• Donc q masse de la vapeur deau (g)
• masse par unité dair humide (g) (air sec et
  vapeur deau)
• On utilise la quantité q peu souvent et dans la
  condition
• atmosphérique elle est indiscernable de la
  quantité quon
• nomme

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Expression et mesure de lhumidité

• La pression de la vapeur deau (e) ou es (mb) tel
  que décrit ci-haut.
• Lhumidité absolue (la densité de la vapeur
  deau)
• x exprimée en Kgm-3, g m-3 ou g cm-3. Cest
  la masse unitaire de la vapeur deau par unité de
  volume de lair humide. Donc cest le rapport
• x masse de la vapeur deau (gm)
• volume dair humide (air sec vapeur) m3)

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Expression et mesure de lhumidité

• Cette variation de la pression saturante (es)
  daprès la
• température (T) se nomme la pente de la courbe de
• saturation avec sigle S. Or le montant ou la
  concentration
• de la vapeur deau dans lair ambiant se réfère
• généralement comme lhumidité. Mais il existe
  plusieurs
• façons dexprimer lhumidité de latmosphère.

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Expression et mesure de lhumidité

• 4) Le rapport de mélange (x) gg-1 . Kg-1
• Cest le rapport de la masse de la vapeur deau
  par unité de
• masse dair sec
• Donc x masse de la vapeur deau (g) e
  
• masse de lair sec (g) P-e
• Si P est la pression totale de latmosphère,
  alors le rapport de la concentration
  moléculaire (vapeur deau/air sec) doit être
  e/P-e (mb)
• Afin dobtenir le rapport de mélange de rapport
  de concentration
• moléculaire (e/P-e) doit être multiplié par le
  rapport des densités de la
• vapeur deau et de lair (É), à la même
  température et la même pression.

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FIN