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Publié Juin 2021, (màj Juin 2021) par :
http://www.zamg.ac.at/docu/Manual/S...
Révisé le 22 juin 2021.
Acronymes, notes de traduction
advectée : (pour simplifier) le vent transporte/déplace un autre champs (température, humidité ... ). On dit qu’il ’advecte’ l’autre champs
advection chaude : le vent transporte de l’air chaud qui remplacera l’air froid en aval (à l’inverse, advection froide ...)
anticyclonique : souvent au sens de ’circulation/rotation dans le sens horaire, sens trigonométrique inverse’, même dans l’hémisphère sud
cyclogenèse : développement ou l’intensification d’une circulation cyclonique dans l’atmosphère
cyclonique : souvent au sens de ’circulation/rotation dans le sens anti-horaire, sens trigonométrique’, même dans l’hémisphère sud
dark stripes (bien mieux dit que rayures sombres), voir E. Flaounas pour ses traceurs et émissaires de PV, et autres plumes et banners
dynamique (élément dynamique), à préciser
front : essentiellement remarquable par une discontinuité rapide des vents (direction, vitesse), accessoirement de la température
haute couche : upper layer est moins clair
IPV : tourbillon potentiel isentropique, PV exprimé sur une surface à température potentielle constante
isentropes : lignes ou surface de température potentielle égales (température potentielle = température thermique plus chaleur latente)
isentropique : transformation isentropique = adiabatique, réversible. La technique d’analyse isentropique (c.a.d sans changement d’entropie) permet de déterminer le trajet vertical et latéral que suivra une particule d’air lors d’un processus adiabatique dans l’atmosphère libre (wikipedia)
KNMI : L’institut royal météorologique des Pays-Bas (Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut) est le service national de météorologie des Pays-Bas
laplacien : opérateur qui donne une indication de l’écart entre un point et la moyenne des points qui l’entoure, noté Δ
parcelle : particule, volume élémentaire d’air homogène, utilisée pour illustrer un propos.
PV : tourbillon potentiel, associé au physicien Ertel, apparait dans des équations faites sous des hypothèses simplificatrices
PV (unité) : l’unité de tourbillon potentiel s’exprime en 10-6 m2 s-1 K kg-1 (0,5 au repos dans la troposphère jusqu’à 10 dans la stratosphère)
PVU : unité de tourbillon potentiel, de 0,5 unité en troposphère calme à 2 et jusqu’à 10 en stratosphère et en troposphère perturbée
rétroaction : action en retour du phénomène résultat (phénomène induit) sur le phénomène (phénomène inducteur) qui provoque ce résultat, ’rétroaction’ ’feedback’
rétroaction positive : Si la réponse du système amplifie le phénomène, on parlera de rétroaction positive. Si elle l’atténue, on parlera de rétroaction négative.
SatManu : un texte de grande valeur autour de l’imagerie satellite (en version abrégée et en version longue), par ZAMG et KNMI
stabilité statique : A DEFINIR PRECISEMENT, voir gogol et les critères de Pone. On distingue 5 (voir 6) cas pour la stabilité des masses d’air
stratosphère : l’atmosphère - stable - située au dessus de 10 à 12 km d’altitude, son PVU est supérieur à 1,2 ou 2 PVU, son hyper stabilité empêche notre atmosphère de fuir dans le vide interstellaire
température : décroissante avec l’altitude dans la troposphère (0 à 7 ou 12km) puis constante (sur 1 ou 2 km ?) puis croissante dans la stratosphère
thermodynamique : (élément thermodynamique) à préciser.
tropopause : limite entre la troposphère et la stratosphère située au dessus. Définie conventionnellement comme la surface ayant une valeur de PV autour de 1, 1,5 ou 2 PVU
troposphère : notre atmosphère - turbulente - située en dessous de 10 à 12 km d’altitude, son PVU est normalement de 0,5 unité
thalweg : encore appelé creux barométrique , est une région dépressionnaire de l’ atmosphère prenant à l’horizontale une forme suffisamment allongée pour qu’on puisse y distinguer un axe passant par son centre : la direction de cet axe reste à près uniforme sur les différentes surfaces où est examinée la dépression (glossaire Météo-France)
trough : talweg, mais peut aussi être une discontinuité (un ’front’) d’altitude, porteur de problèmes à venir, y faire gaffe, surtout en med.
tourbillon : vorticity en anglais, peut aussi être eddy dans le cas des tourbillons océaniques
tourbillon (unité) : les tourbillons absolus, relatifs (mais pas potentiel) s’expriment en s-1 (en ’par seconde de temps’) donc unité bien différente de celle du PV
typographie française : voir par exemple http://francois.huet.free.fr/typogr... et autres excellents pinailleurs
vent thermique : (thermal wind) gradients de vent verticaux et les gradients de température horizontaux sont liés par la relation du vent thermique
vent thermique (2) : un aérostier qui observe un autre aérostat à une autre altitude voit un déplacement relatif qui est la manifestation du vent thermique
vorticité : adjectif, vorticity en anglais, tourbillon en français
WV : Water Vapour (canaux vapeur d’eau)
ZAMG : Le Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik est le service météorologique et de géophysique national d’Autriche
TOURBILLON POTENTIEL
par KNMI et ZAMG (in SatManu)
Définition et caractéristiques du tourbillon potentiel
Le tourbillon potentiel (PV) est la circulation absolue d’une parcelle d’air enfermée entre deux surfaces isentropiques. Si le PV est affiché sur une surface de température potentielle constante, alors il est officiellement appelé IPV (vorticité potentielle isentropique). Bien entendu, la PV pourrait également être affichée sur une autre surface, par exemple une surface de pression. Remarquez d’après la relation ci-dessous, que PV est simplement le produit, sur une surface isentropique, du tourbillon absolu et de la stabilité statique. Ainsi, le PV consiste, contrairement au tourbillon sur les surfaces isobares, de deux facteurs, un élément dynamique et un élément thermodynamique.
Dans la troposphère, les valeurs de PV sont généralement faibles. Cependant, le tourbillon potentiel (PV) augmente rapidement de la troposphère à la stratosphère en raison du changement significatif de la stabilité statique. Les changements typiques du tourbillon potentiel dans la zone de la tropopause vont de 1 (air troposphérique) à 4 (air stratosphérique) unités de PV (10-6 m2 s-1 K kg-1). Aujourd’hui, dans la plupart de la littérature, l’anomalie à 2 unités de PV, qui sépare l’air troposphérique de l’air stratosphérique, est appelée tropopause dynamique. La manière traditionnelle de décrire la tropopause consiste à utiliser la température potentielle ou la stabilité statique. Ce n’est qu’une manière thermodynamique de caractériser la tropopause. L’avantage de l’utilisation de la PV est que la tropopause peut être comprise à la fois en termes thermodynamiques et en termes dynamiques. Un pliage [folding]ou un abaissement brusque de la tropopause dynamique peut également être appelé anomalie PV de haute couche [upper PV-anomaly]. Lorsque cela se produit, l’air stratosphérique pénètre dans la troposphère, ce qui entraîne des valeurs élevées de PV par rapport à l’environnement, créant une anomalie positive de PV [positive PV-anomaly]. Dans les niveaux inférieurs [les basses couches] de la troposphère, de fortes zones baroclines apparaissent souvent, ce qui peut être considéré comme des anomalies PV de basse couche.
Il faut souligner que cette autre manière de regarder la dynamique de l’atmosphère ne débouchera pas nécessairement sur de nouvelles conclusions. Cependant, cela peut donner de nouvelles dimensions à des choses qui en fait étaient déjà connues.
Les deux principaux avantages du tourbillon potentiel (sous certaines hypothèses) sont :
- Préservation [conservation]
- Inversibilité
Les deux avantages seront brièvement discutés :
1. Préservation / conservation
Avec les hypothèses suivantes, la PV est un paramètre conservé
- Flux adiabatique (pas de chauffage ni de refroidissement diabatique)
- Pas de friction
- Homogène
- Pas de compression [non-compressing]
Une première conséquence mathématique de la conservation peut être dérivée de la définition de PV : une parcelle gardera la même valeur de PV si elle se déplace le long d’un adiabat à travers l’atmosphère [adiabat = une courbe, une surface, d’égale adiabatique], l’équation pour PV peut donc s’écrire :
En raison de la conservation du PV, il existe une relation étroite entre le tourbillon absolu et la stabilité statique.
Le diagramme ci-dessous montre un cylindre dont le haut et le bas sont définis par deux surfaces isentropiques. La différence de température potentielle entre le haut et le bas est la même pour les deux cylindres. Si le PV est conservée et que le cylindre est étiré comme indiqué en (b), alors la stabilité statique diminue et le tourbillon absolu doit augmenter. A l’inverse, si l’on passe de (b) à (a), alors la stabilité statique augmente et le tourbillon absolu doit diminuer.
En raison de la conservation du PV, les caractéristiques importantes liées aux systèmes météorologiques de l’échelle synoptique peuvent être identifiées et suivies dans l’espace ainsi que dans le temps. C’est une caractéristique très puissante de cette propriété. Surtout dans le cas d’un abaissement de la tropopause dynamique, l’anomalie de PV de haute couche peut être suivie assez facilement dans le temps et dans l’espace. Les anomalies PV sont bien liées à de nombreux processus dynamiques dans la troposphère. Un exemple distinct de ceci est le cas de cyclogenèse rapide où les anomalies PV jouent un rôle important.
La création ou la destruction soudaine de PV signifie que des processus diabatiques sont impliqués (dégagement de chaleur latente, frottement, rayonnement). Ce fait peut être utilisé comme outil pour identifier ou même quantifier l’influence de ces processus.
2. Inversibilité
Le deuxième avantage du PV, l’inversibilité, est un outil très important, car il permet d’obtenir des champs météorologiques familiers, tel que le géopotentiel, le vent, la température et la stabilité statique, lorsque la distribution du PV et les conditions aux limites, la température potentielle à la surface, sont connus. En outre, à l’aide de l’inversibilité, il est possible de quantifier l’importance des anomalies de PV et la force de leur configuration de circulation et / ou de température associée.
Tourbillon potentiel et imagerie de vapeur d’eau
Il existe une relation claire entre le PV et l’imagerie de la vapeur d’eau. Une tropopause basse peut être identifiée dans les images WV [water vapour] par une zone sombre. En première approximation, la tropopause peut être considérée comme une couche à forte humidité relative, alors que la stratosphère est très sèche, avec de faibles valeurs d’humidité relative. La température de rayonnement mesurée augmentera si la tropopause descend. Ceci est dû au fait que le rayonnement, qui est mesuré par le satellite, provient en première approximation du sommet de la troposphère humide. Des températures de rayonnement élevées entraîneront des zones sombres sur les images WV. L’anomalie de PV de haute couche et son apparence dans l’imagerie WV peuvent avoir différentes formes, ce qui est illustré dans les schémas ci-contre.
La situation (a) est l’apparence, en l’imagerie WV, d’un cas d’anomalie circulaire cyclonique du PV de haute couche . Dans l’image WV, cette anomalie apparait sous forme d’une zone ombrée noire qui devient progressivement grise sur les bords. Des exemples typiques sont les yeux WV (à comparer aux tourbillon de vapeur d’eau, http://www.zamg.ac.at/docu/Manual/S...).
La situation (b) est l’apparence dans l’imagerie WV d’un cas de zone frontale. Le plus frappant ici est la forme de l’anomalie de PV : dans cette situation la tropopause a été repliée [folded]. Cela peut être vu comme une discontinuité dans les valeurs des pixels de l’imagerie WV. On peut donc s’attendre à un changement soudain des valeurs de pixels de faibles à élevées.
Des exemples typiques sont les rayures sombres [dark stripes est le terme consacré] (comparez les rayures sombres, Dark Stripes http://www.zamg.ac.at/docu/Manual/S... ). Dans la situation illustrée ci-dessous, un exemple de changement soudain de la valeur des pixels peut être vu dans le rectangle rouge.
Les champs de PV peuvent également être utilisés pour détecter les écarts entre les modèles numériques et les observations en raison de la relation étroite entre PV et WV.
Plus de structure dans PV que dans les analyses isobares
Les analyses de PV semblent comporter plus de structure que les analyses de hauteur sur une surface isobare (être plus riche en structures que ...). La raison en est une conséquence mathématique des principes dynamiques. Le gradient horizontal de PV est lié aux dérivées secondes du champ de vent par rapport aux variables de coordonnées horizontales et verticales. Le champ de vent est ainsi le Laplacien inverse de la dérivée du champ de PV. Puisque le laplacien agit comme un lisseur [acts as a smoother], le champ de vent doit être plus lisse que le champ de gradient de PV. En examinant la formule du vent de gradient, on peut établir que le vent est lié au gradient de la hauteur géopotentielle. Par conséquent, le champ de PV est lié aux dérivées secondes de l’altitude géopotentielle, et doit montrer beaucoup plus de structure que le champ d’altitude géopotentielle.
La conséquence pratique est que l’utilisation de PV permet identifier par ex. les thalweg d’ondes courtes [troughs, peut aussi être des ’fronts’ d’altitude] dans le champ d’altitude géopotentielle plus facilement. Étant donné que les thalweg rapides peuvent influer considérablement le temps, le PV est un outil utile pour notifier ce type de structures à petite échelle.
L’image de gauche ci-contre montre un petit thalweg au-dessus des États baltes dans le champ de hauteur [altitude] géopotentielle 500 hPa. On peut voir que le thalweg coïncide avec une fonction de nuage améliorée [enhanced cloud feature ?] juste avant l’axe du talweg. Le champ de PV sur l’image de droite montre que ce petit thalweg est accompagné d’un maximum de PV très distinguable à son avant.
Anomalies de PV
Dans les chapitres précédents, il a été mentionné qu’un abaissement de la tropopause est appelé une anomalie PV de haute couche [upper level]. Ces anomalies sont caractérisées dans l’imagerie WV comme des zones ombrées sombres, qui peuvent apparaitre avec des formes différentes.
Il a également été noté que le champ PV de induit [contient, permet de représenter] tous les autres champs météorologiques en raison du principe d’inversibilité. Les caractéristiques d’une anomalie PV de haute couche sont maintenant examinées plus en détail. Par conséquent, une coupe transversale à travers un tourbillon [eddy] cyclonique idéalisé sera examinée :
Dans l’hypothèse d’un équilibre tridimensionnel entre les champs de masse, de pression et de vent, les anomalies positives de PV sont liées à du tourbillon cyclonique et les anomalies négatives de PV à du tourbillon anticyclonique.
- Dans le cas d’une anomalie positive de PV, les isentropes sont caractérisés par des valeurs plus élevées que dans les zones environnantes (indiquant un air plus froid). La hauteur de la tropopause a un minimum local. Le champ de pression et de vent correspondant montre une zone à basse pression et une circulation cyclonique.
- Dans le cas d’une anomalie négative de PV, les isentropes sont caractérisés par des valeurs plus faibles que dans les zones environnantes (indiquant un air plus chaud). La hauteur de la tropopause a un maximum local. Le champ de pression et de vent correspondant montre une zone à haute pression et une circulation anticyclonique.
À partir des diagrammes ci-contre, on peut voir qu’une anomalie de PV de haute couche perturbe les champs de vent et de pression sur toute l’épaisseur de la troposphère. L’effet de la perturbation est proportionnel à l’échelle horizontale de l’anomalie et inversement proportionnel à la stabilité statique (voir l’équation de PV).
Des études ont également montré l’existence d’anomalies PV de basse couche [low-level PV-anomalies]. Ces anomalies n’ont pas d’origine stratosphérique mais se forment dans des zones fortement baroclines où se produit une importante libération de la chaleur latente. Cependant, ces anomalies là de PV sont souvent invisibles dans l’imagerie satellitaire. Mais des études récentes ont montré leur existence à la fois dans les observations et dans les champs de modèle. Pour un examen plus approfondi des caractéristiques d’une anomalie de PV de basse couche, une coupe transversale à travers un tourbillon cyclonique idéalisé est examinée :
- Dans le cas d’une anomalie positive de PV, les isentropes sont caractérisés par des valeurs [NDT : de θe] plus élevées qu’aux alentours. Par conséquent, les isentropes doivent se courber vers le bas car, en général, la température potentielle augmente avec la hauteur. La pression et le champ de vent correspondants montrent une zone à basse pression et une circulation cyclonique.
Dans une anomalie idéalisée, les isentropes ne s’arrêtent pas à la surface mais suivent la surface de près dans les basses couches. Cela peut être vu dans l’agrandissement intégré [embedded enlargement] dans le schéma ci-dessus [cliquez pour agrandir].
Par conséquent, près de la surface de la terre, la stabilité statique est relativement élevée, tout comme l’est le tourbillon potentiel. En raison des gradients thermiques des deux côtés de l’anomalie, il doit y avoir un maximum de vent au niveau où l’anomalie a son maximum.
Ceci est une conséquence du vent thermique qui implique que les gradients verticaux de vent et les gradients horizontaux de température sont liés.
Le champ de vent sur toute la profondeur de la troposphère peut être induit par une anomalie de PV de basse couche. Cette idée est en fait analogue au concept des anomalies de PV de haute couche.
La conservation des matériaux [material conservation, conservation de la masse ?], combinée à l’avantage de l’inversibilité, est très utile pour décrire des processus dynamiques complexes. Par exemple, la cyclogenèse rapide et d’autres modèles conceptuels peuvent être décrits à l’aide du PV. La recherche précise que la cyclogenèse rapide peut être expliquée par une interaction entre les anomalies de PV de basse couche et celles de haute couche. Lorsque la différence de phase entre deux anomalies de PV a une valeur optimale, une interaction suivie d’une amplification mutuelle se produit. Bien entendu, l’inverse peut également se produire dans le cas de cyclones en décomposition.
Si une anomalie de PV de haute couche se développe, alors en conséquence de l’équation du PV, une vorticité positive est libérée et des valeurs élevées de PV de la stratosphère influencent l’environnement moins stable de la troposphère.
L’hypothèse pour les figures ci-dessus est qu’une anomalie positive de PV de haute couche est advectée sur une zone de fort gradient de température de basse couche orienté vers l’équateur, et décrit une situation dans laquelle un thalweg d’altitude [de haute couche] originellement à petite échelle se déplace sur une surface de front froid orientée ouest-est [zonale]. La figure de gauche (a) montre une telle situation, le signe + en trait plein indiquant l’anomalie de PV de haute couche.
La flèche épaisse en trait plein autour du maximum de PV indique la rotation cyclonique. Cette rotation est induite aux niveaux inférieurs de la zone barocline comme le montre la flèche fine [thin solid] de circulation. Cette circulation de basse couche provoque une advection chaude vers l’avant conduisant à une anomalie de température positive de basse couche indiquée par le contour du signe + [contour .vs. trait plein] sur la figure de droite (b). Cette anomalie de température est associée à un tourbillon cyclonique qui est marqué par le contour de la flèche aux basses couches. A son tour, cette circulation a une rétroaction positive vers la troposphère supérieure, représentée par un contour de flèche de circulation aux niveaux plus élevés.
En parallèle, un deuxième processus est en cours : le tourbillon induit de basse couche se traduit par une forte composante de vent dirigé vers l’équateur [composante méridienne] sous l’anomalie de PV du niveau supérieur. Cette composante orientée vers le sud influence également les hautes couches et conduit à une advection méridienne [orientée vers l’équateur] de l’anomalie de PV de haute couche qui à son tour intensifie l’onde de haute couche.
Dans ce flux accru, des valeurs de PV plus élevées à l’ouest de l’anomalie de PV sont advectées vers le sud et des valeurs de PV plus basses et à l’est de l’anomalie de PV sont advectées vers le nord. En conséquence de ce dernier processus, le mouvement vers l’est de l’anomalie de PV est diminué. Par conséquent, l’interaction entre les circulations de basse couche et celles de haute couche et le processus de cyclogenèse déjà en cours sera renforcé.
Exemple
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L’image de gauche ci-dessus montre la bande nuageuse d’un front froid [au sol] s’étendant de l’Atlantique vers l’Écosse. La nébulosité associée au front chaud est située au-dessus de la mer du Nord, des Pays-Bas, de la Belgique et de l’est de la France. La nébulosité à l’est de l’Écosse est la tête nuageuse [cloud head] d’une cyclogenèse rapide. La tête nuageuse peut être séparée en deux parties : une au sud-est située au-dessus de l’Écosse et des îles Féroé, et l’autre au nord-ouest s’étendant de l’Atlantique à environ 58N / 18W jusqu’à l’Islande.
Les valeurs de PV sont caractérisées, comme décrit ci-dessus, par des valeurs croissantes du sud au nord.
L’anomalie du PV, la zone où le tourbillon vaut deux unités de PVU (tropopause dynamique ou séparation entre l’air troposphérique et l’air stratosphérique), se trouve dans la zone nord-ouest de la tête du nuage. En revanche, la partie sud-est de la tête nuageuse est caractérisée par des valeurs de température potentielle isentropique inférieures à 1 unité (air troposphérique). La conséquence de cette distribution est qu’il y aura un développement cyclonique de la tête nuageuse du nord-ouest, mais pas de développement ultérieur de celle du sud-est.
Pour vérification, l’image de droite ci-dessus montre la situation météorologique 12 heures plus tard. La partie nord-ouest de la tête nuageuse s’est déplacée au cours des 12 dernières heures vers un endroit à l’est de l’Islande. Le reste de la partie sud-est se trouve dans la zone de la mer de Norvège à l’ouest de la Norvège à environ 64N / 08W. Bien qu’il y ait eu un fort développement cyclonique prononcé de la partie nord-ouest (tête nuageuse avec l’anomalie de PV valant 4 PVU à 12h00 UTC), il n’y a eu aucun développement de la partie sud-est de la tête nuageuse.
Références
AMBAUM M. H. P. (1997) : Over daken en muren in de atmosfeer. De Tropopauze ; Meteorologica 2-97
AMBAUM M. H. P. (1997) : Isentropic information of the tropopause ; J. Atmos. Sci., Vol. 54, p. 555 - 568
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INDEX DES FONDAMENTAUX [http://www.zamg.ac.at/docu/Manual/S...]
ADVECTION DE TOURBILLON [http://www.zamg.ac.at/docu/Manual/S...]
PARAMÈTRE THERMIQUE DE FRONT (TFP) [http://www.zamg.ac.at/docu/Manual/S...]
Le diagramme montre un cylindre dont le haut et le bas sont définis par deux surfaces isentropiques. La différence de température potentielle entre le haut et le bas est la même pour les deux cylindres. Si le PV est conservée et que le cylindre est étiré comme indiqué en (b), alors la stabilité statique diminue et le tourbillon absolu doit augmenter. A l’inverse, si l’on passe de (b) à (a), alors la stabilité statique augmente et le tourbillon absolu doit diminuer.
La situation (a) est l’apparence, en l’imagerie WV, d’un cas d’anomalie circulaire cyclonique du PV de haute couche .
La situation (b) est l’apparence dans l’imagerie WV d’un cas de zone frontale.
exemples typiques : les rayures sombres [dark stripes est le terme consacré] (comparez les rayures sombres, Dark Stripes). Dans la situation illustrée ci-dessus, un exemple de changement soudain de la valeur des pixels peut être vu dans le rectangle rouge.
23 janvier 2002 / 12h00 UTC - Image NOAA IR (canal 4) ; en bleu : hauteur géopotentielle 500 hPa
23 janvier 2002 / 12h00 UTC - Image NOAA IR (canal 4) ; en rouge : tourbillon potentiel 318K
Dans une anomalie idéalisée, les isentropes ne s’arrêtent pas à la surface mais suivent la surface de près dans les basses couches. Cela peut être vu dans l’agrandissement intégré dans le schéma ci-dessus [cliquez pour agrandir].
L’hypothèse est qu’une anomalie positive de PV de haute couche est advectée sur une zone de fort gradient de température de basse couche orienté vers l’équateur, et décrit une situation dans laquelle un thalweg d’altitude [de haute couche] originellement à petite échelle se déplace sur une surface de front froid orientée ouest-est [zonale]. La figure montre une telle situation, le signe + en trait plein indiquant l’anomalie de PV de haute couche
Cette circulation de basse couche provoque une advection chaude vers l’avant conduisant à une anomalie de température positive de basse couche indiquée par le contour du signe + [contour .vs. trait plein] sur la figure de droite (b). Cette anomalie de température est associée à un tourbillon cyclonique qui est marqué par le contour de la flèche aux basses couches. A son tour, cette circulation a une rétroaction positive vers la troposphère supérieure, représentée par un contour de flèche de circulation aux niveaux plus élevés
