Psychrométrie météorologique : humidité atmosphérique

Le diagramme h-x a été conçu pour le génie climatique, mais les mêmes principes physiques — dépendance de la pression de vapeur saturante à la température, processus adiabatiques, condensation — valent aussi pour l’air de l’atmosphère. Les nuages ne sont rien d’autre que de l’air dont la température est descendue sous le point de rosée. Le foehn est un phénomène psychrométrique descriptible par le diagramme h-x. Et les données climatiques (fichiers EPW) sont le profil psychrométrique d’un site sur toute l’année — l’entrée des simulations énergétiques de bâtiment.

Niveau de condensation et formation des nuages

L’air qui s’élève au-dessus d’une surface chauffée se refroidit de façon adiabatique. Tant qu’il n’est pas saturé, il se refroidit selon le gradient adiabatique sec, soit environ 9,8 °C/km, et sa teneur en eau $x$ ne change pas. Dès que la température atteint le point de rosée, la condensation commence. Cette altitude s’appelle le niveau de condensation (LCL — Lifted Condensation Level) et correspond à la base des nuages. Au-dessus, l’air se refroidit plus lentement, selon le gradient adiabatique saturé (4–7 °C/km), car la condensation libère de la chaleur latente. L’écart entre les deux gradients est à la base de l’effet de foehn.

Une règle empirique (formule d’Espy) donne la hauteur de la base des nuages à partir des conditions au sol : environ 125 m par degré d’écart entre la température de l’air et le point de rosée,

$$z_{LCL} \approx 125 \cdot (t - t_r) \quad \text{[m]}$$

Dans le diagramme h-x, l’ascension sèche est une verticale vers le bas (à $x$ constant) jusqu’à la courbe de saturation — et non un déplacement le long de l’isenthalpe vers la température humide, qui décrit la saturation adiabatique à pression constante. De plus, la pression baisse avec l’altitude, et la courbe de saturation elle-même se déplace ; le diagramme de climatisation, tracé pour une pression fixe, sert donc à comprendre le processus, non à calculer l’ascension — c’est le rôle du diagramme aérologique.

L’effet de foehn et son explication psychrométrique

Le foehn est un vent chaud et sec sur le versant sous le vent d’un massif — un cycle adiabatique asymétrique :

1. Versant au vent : l’air monte, se refroidit d’abord de façon adiabatique sèche (9,8 °C/km), puis, à partir du niveau de condensation, de façon adiabatique saturée (environ 5–6 °C/km). Les précipitations retirent une partie de l’humidité — $x$ diminue.
2. Au passage de la crête : l’air atteint le sommet avec un $x$ plus faible qu’au départ.
3. Versant sous le vent : l’air descend de façon adiabatique sèche (9,8 °C/km), car il est non saturé — aucune précipitation. Il en résulte, à la même altitude, un air de pratiquement même enthalpie qu’au départ, mais plus chaud et beaucoup plus sec : la chaleur latente libérée par la condensation est restée dans l’air sous forme de chaleur sensible.

Exemple : de l’air à 500 m d’altitude, à 10 °C / 80 % HR (point de rosée 6,7 °C), s’élève par-dessus une crête à 3 000 m. Il commence à condenser vers 900 m, atteint le sommet à environ −7 °C et, en redescendant sur le versant sous le vent jusqu’aux mêmes 500 m, arrive à environ 18 °C et autour de 25 % HR — plus chaud de 8 °C et nettement plus sec.

Le brouillard est une condensation sans ascension

Le brouillard est un nuage au niveau du sol. Il se forme quand l’air se refroidit sous le point de rosée sans mouvement vertical — par refroidissement radiatif nocturne (brouillard de rayonnement), par arrivée d’air chaud et humide au-dessus d’une surface froide (brouillard d’advection) ou par mélange de deux masses d’air (brouillard de mélange). Dans tous les cas, il s’agit d’un franchissement de la courbe de saturation dans le diagramme h-x.

Mesure de l’humidité en météorologie

Les stations météorologiques mesurent la température sèche et la température humide au psychromètre à aspiration ou par capteur capacitif. À partir de ces deux valeurs, on calcule toutes les grandeurs psychrométriques. Le profil vertical de l’atmosphère est mesuré par radiosonde, un instrument porté par ballon, muni de capteurs de température, d’humidité et de pression. Le résultat est un diagramme aérologique (skew-T log-P), la variante météorologique du diagramme h-x.

Les fichiers EPW sont les données climatiques de la simulation

La simulation énergétique d’un bâtiment (EnergyPlus, IDA ICE, DesignBuilder) a besoin de données climatiques horaires sur toute l’année — les TMY (Typical Meteorological Year). Le format standard est l’EPW (EnergyPlus Weather Format), qui contient pour chaque heure de l’année la température sèche, le point de rosée, l’humidité relative, la pression, le rayonnement solaire, le vent et d’autres variables. La variable psychrométrique clé est le point de rosée — à partir de lui et de la température sèche, le logiciel calcule l’enthalpie, la teneur en eau et l’humidité relative pour chaque heure.

Analyse climatique dans le diagramme h-x

Reporter les données horaires de toute l’année dans le diagramme h-x (graphique climatique psychrométrique) montre immédiatement quelle part de l’année les conditions se prêtent au free cooling, au refroidissement adiabatique ou à la ventilation passive. Pour Prague, la plupart des heures d’été se situent dans la zone 15–28 °C / 40–75 % HR, une plage favorable au rafraîchissement passif et hybride. Les heures extrêmes au-dessus de 30 °C ne représentent que 1–3 % de l’année. Les heures d’hiver se concentrent entre −5 et 5 °C / 70–90 % HR.

Questions fréquentes

Pourquoi l’air saturé se refroidit-il plus lentement que l’air sec en s’élevant ? La condensation de la vapeur d’eau libère de la chaleur latente, qui compense en partie le refroidissement dû à la détente. C’est pourquoi le gradient saturé (4–7 °C/km) est inférieur au gradient sec (9,8 °C/km).

Où trouver des données EPW pour mon site ? Sur des portails publics (climate.onebuilding.org, energyplus.net), qui couvrent des milliers de sites. La précision du point de rosée dans l’EPW influence directement les résultats de simulation de consommation de climatisation.

Le diagramme aérologique est-il identique au diagramme h-x ? Ils partagent la physique, mais diffèrent par leurs axes. L’aérologique (skew-T log-P) représente la température et le point de rosée en fonction de la pression (l’altitude), tandis que le diagramme h-x représente l’enthalpie et la teneur en eau.