Importance du cisaillement

L’hodographe est un outil graphique qui aide les prévisionnistes à évaluer le cisaillement vertical du vent. Dans un environnement convectif, il est extrêmement important de comprendre le cisaillement vertical du vent afin d’anticiper le type de tempête convective, la possibilité que de nouvelles tempêtes telles que les supercellules se forment, leurs emplacements ainsi que le déplacement des tempêtes et des systèmes de tempêtes. Par exemple, ces figures illustrent les échos radar simulés pour une série de tempêtes modélisées qui ont évolué dans des conditions de cisaillement vertical du vent différentes. Ces conditions sont représentées par des hodographes idéalisés dans le coin inférieur gauche.

L’hodographe

La capacité de prévoir les structures possibles de tempête est essentielle dans la gestion de vos activités, avant et pendant un événement convectif. En effet, le fait de savoir à quoi s’attendre pour un environnement de tempête donné, fera de vous un prévisionniste plus efficace et plus précis. L’hodographe illustre le cisaillement du vent dans l’environnement, celui-ci a une profonde influence sur l’évolution de la tempête. Par conséquent, un hodographe représentatif combiné à un profil de flottabilité représentatif peut considérablement améliorer l’exactitude des prévisions. Cette figure montre le sondage d’un modèle AFWA MM5, ainsi que l’hodographe associé, téléchargés à partir du site Web JAAWIN (Joint Army-Air Force Weather Information Network). Des représentations graphiques similaires de sondages et d’hodographes sont disponibles à partir de nombreuses sources.

Au terme du présent module, vous devriez comprendre comment les hodographes sont construits et comment ils peuvent vous aider à estimer le cisaillement total, le cisaillement moyen, et le vent moyen. Pour apprendre davantage sur le cisaillement et son influence sur le développement des tempêtes convectives, consultez le module complémentaire Principes de la convection III : Cisaillement et tempêtes convectives.

Barbules de vent et vecteurs vent

Les météorologistes connaissent bien le profil du vent vertical classique obtenu à partir d’un radiosondage qui utilise des barbules pour indiquer la direction et la vitesse du vent à différents niveaux. L’hodographe fournit les mêmes renseignements. Cependant, étant donné que son objectif principal est de montrer le cisaillement vertical du vent, l’hodographe s’appuie sur les vecteurs vent. Contrairement à une barbule, un vecteur indique la vitesse du vent par sa longueur et non par la combinaison de barbules.

Graphique à coordonnées polaires

Sur un hodographe, les vecteurs vent sont indiqués sur un graphique à coordonnées polaires. Les axes du graphique représentent les quatre points cardinaux. Tous les vecteurs vent s’étendent à partir du point d’origine et dans la direction du mouvement du vent. Étant donné que la longueur des vecteurs indique la vitesse, les cercles concentriques tracés autour du point d’origine représentent les vitesses constantes du vent. Par exemple, cet hodographe indique que les vents à 4 km et à 5 km sont tous les deux de 25 m/s, alors que leurs directions respectives sont ouest et ouest-nord-ouest.

L’hodographe

En règle générale, les vecteurs vent réels ne sont pas tracés sur l’hodographe, mais seules leurs extrémités sont indiquées sur le graphique à coordonnées polaires. On trace l’hodographe en connectant les extrémités de chaque vecteur vent.

Vecteur de cisaillement vertical du vent

Le cisaillement vertical du vent est une description de la façon dont la vitesse du vent horizontal change en fonction de l’altitude. Le vent est une grandeur vectorielle; autrement dit, il comprend à la fois une vitesse et une direction. Par conséquent, nous pourrons déterminer le cisaillement vertical du vent en mesurant la différence vectorielle du vent horizontal à deux niveaux.

Le vecteur en résultant est appelé le vecteur de cisaillement vertical du vent. Nous décrivons ici le vecteur de cisaillement en mètres par seconde (m/s) ou en nœuds sur la profondeur de la couche qu’il représente (par exemple, 25 m/s sur 6 km). Plus précisément, le cisaillement du vent est présenté sous la forme d’une unité de distance, pour laquelle l’ampleur du vecteur de cisaillement est divisée par la profondeur de la couche. Par conséquent, 25 m/s divisé par 6 000 m (6 km) correspond à une ampleur du cisaillement de 0,004 par seconde.

Affichage du cisaillement vertical du vent

L’hodographe est parfaitement adapté pour l’affichage du cisaillement vertical du vent. À l’aide d’un graphique à coordonnées polaires, on indique le cisaillement en dessinant des vecteurs de cisaillement à partir des extrémités de chaque vecteur vent par ordre croissant d’altitude. Vous pouvez voir que les segments sur l’hodographe typique représentent en fait le cisaillement vertical du vent de chaque couche.

Si les vecteurs vent sur un hodographe représentent les vents à intervalles égaux (habituellement chaque kilomètre ou 500 m), les vecteurs de cisaillement sont équivalents en ce qui a trait à la profondeur qu’ils représentent. Leurs longueurs relatives indiquent donc la force relative du cisaillement du vent d’une couche à l’autre.

Estimation de l’ampleur du cisaillement de la couche

Le cisaillement vertical total du vent sur une certaine profondeur constitue un facteur important pour prévoir la structure et l’évolution de possibles tempêtes. Par conséquent, il est important de mesurer le cisaillement vertical total du vent d’une manière ou d’une autre.

Vous pouvez commencer par estimer la longueur de chaque vecteur de cisaillement. Pour ce faire, vous n’avez qu’à visuellement les comparer à l’échelle de l’un des axes. Par ailleurs, vous pouvez mesurer la longueur du vecteur et la comparer manuellement aux unités de l’échelle indiquées sur un axe.

Estimation de l’ampleur du cisaillement total

L’estimation du cisaillement vertical total du vent s’effectue en combinant les longueurs de tous les vecteurs de cisaillement sur une certaine profondeur (la longueur nette de l’hodographe).

Dans cet exemple, le cisaillement total serait de 60 m/s sur 6 km (20 000 pi).

Difficultés liées à l’estimation de l’ampleur du cisaillement

Parfois, il peut être difficile d’estimer visuellement la longueur de l’hodographe en raison d’une forme complexe. Dans de telles circonstances, le cisaillement total calculé par ordinateur peut être plus précis qu’une estimation visuelle.

Distribution du cisaillement

Il est également important d’étudier de quelle manière le cisaillement du vent est réparti sur la profondeur de l’hodographe. Un hodographe qui présente un fort cisaillement dans les bas niveaux a des répercussions très différentes sur la structure de la tempête qu’un hodographe avec le même niveau de cisaillement total, mais peu de cisaillement dans les bas niveaux.

Vecteur de cisaillement du vent moyen

Le vecteur de cisaillement du vent moyen constitue un autre aspect important de l’environnement de la tempête qui est plus facile à percevoir sur un hodographe que par l’entremise d’autres données. Par exemple, la direction du vecteur de cisaillement moyen fournit des renseignements qui vous aident à prévoir le déplacement d’une supercellule.

Vous pouvez déterminer la direction du cisaillement du vent moyen (mais pas l’ampleur) simplement en traçant une ligne à partir du point qui indique le vent de surface jusqu’au point indiquant le vent à 6 km (20 000 pi). Encore une fois, nous utilisons la couche comprise entre 0 et 6 km comme étant la couche ayant le plus d’influence sur la tempête.

Hodographes courbés et hodographes droits

En plus de l’ampleur du cisaillement, la forme de l’hodographe est également importante pour prévoir la structure et l’évolution des tempêtes convectives. Le fait de savoir si l’hodographe est relativement droit ou courbé est d’une grande importance. S’il est courbé, son niveau de courbure et le fait de savoir s’il s’incurve dans le sens horaire ou antihoraire avec l’altitude sont importants. Ces variations ont toutes deux des répercussions sur la structure de la tempête.

Non-pertinence du cisaillement de vitesse par rapport au cisaillement directionnel

Nous savons que le cisaillement vertical du vent est créé à la fois par des changements dans la vitesse du vent avec l’altitude (cisaillement de vitesse) et des changements dans la direction du vent avec l’altitude (cisaillement directionnel). Le type de cisaillement, toutefois, nous renseigne peu sur la forme de l’hodographe étant donné qu’il fait référence à la vitesse et à la direction du vent et non à son vecteur de cisaillement.

Il est vrai que le cisaillement de vitesse à lui seul entraîne un hodographe droit (cisaillement unidirectionnel), et que le cisaillement directionnel également seul entraîne un hodographe courbé (le vecteur de cisaillement tourne avec l’altitude), mais la combinaison des deux peut créer n’importe quel type de forme.

Il faut comparer les types de cisaillement et la forme de l’hodographe.

Répercussions à grande échelle des hodographes

Tandis que les hodographes de forme similaire peuvent avoir une influence semblable sur l’évolution des tempêtes convectives, leurs répercussions sur les processus à plus grande échelle et le potentiel de convection peuvent différer considérablement.

Par exemple, les deux hodographes droits illustrés ici, pourraient vous mener à anticiper la division des supercellules si la convection se produisait. Toutefois, le cisaillement directionnel de l’hodographe A révèle un mouvement antihoraire jusqu’à une altitude moyenne, ce qui est le signe d’une advection d’air froid à grande échelle dans cette couche. L’hodographe B révèle des vents dans le sens horaire jusqu’à une altitude moyenne, ce qui indique une advection d’air chaud dans cette couche. Ces deux profils pourraient avoir des répercussions très différentes sur le potentiel de convection en fonction d’autres facteurs environnementaux. Par conséquent, il est très important de prendre en compte l’environnement à grande échelle lorsque vous analysez un hodographe.

Vents relatifs au sol et vents relatifs aux tempêtes

Afin de prévoir l’évolution d’une tempête convective, il est important de prendre en considération à la fois l’environnement dans lequel la tempête évolue actuellement ainsi que celui vers lequel elle peut se déplacer. Par exemple, la nature du courant entrant de la tempête a des répercussions sur son évolution.

Afin de mieux comprendre cet élément de l’environnement de la tempête, vous devez tout d’abord déterminer ou estimer le déplacement prévu de la tempête sur l’hodographe, puis étudier les vents relatifs à celle-ci. Étant donné que la tempête se déplace dans son environnement, le vent qu’elle subit est souvent très différent des vents relatifs au sol mesurés par des sondages. Cette différence est évidente sur cet hodographe montrant le déplacement de la tempête.

Afin de déterminer les vents relatifs à la tempête, nous avons tout d’abord repositionné le plan de référence de sorte que le déplacement de la tempête soit nul. Ensuite, nous recalculons les vents de l’environnement à partir de ce point. Cela revient à soustraire le vecteur de déplacement de la tempête au niveau du sol au vecteur vent au niveau du sol à chaque altitude.

Déterminer le déplacement d’une tempête

Afin d’étudier les vents relatifs à une tempête, vous devez tout d’abord déterminer le déplacement de la tempête. Pour les tempêtes existantes, on peut utiliser les boucles radar ou l’imagerie satellitaire. Mais pour prévoir le déplacement d’une tempête avant qu’elle se forme et avant que son déplacement soit apparent sur l’imagerie, vous allez devoir l’estimer.

On peut supposer, tout au moins aux premiers stades de la plupart des tempêtes convectives, que la tempête se déplace à une vitesse proche de celle du vent moyen se trouvant dans la profondeur de la tempête. Étant donné que la modélisation et les observations laissent entendre que le déplacement de la tempête est plus sensible aux vents à basse altitude, nous avons calculé le vent moyen au moyen d’une profondeur de 6 km (20 000 pi) au-dessus du niveau du sol. Le déplacement d’une supercellule s’écartera du vent moyen, mais ce sujet est traité dans un autre module.

Plusieurs progiciels (comme SHARP) calculent automatiquement le vent moyen, mais il est utile de comprendre de quelle façon cette opération est effectuée.

Estimation du déplacement d’une tempête : hodographe droit

Lorsque l’hodographe est relativement droit, la règle du pouce pour estimer le vent moyen et le déplacement de la tempête est simple. Cela correspond environ au point central de l’hodographe de 0 à 6 km au-dessus du niveau du sol. Déterminer les vents relatifs à la tempête pour chaque altitude consiste alors à réorienter les axes (x_s-y_s) de manière à ce que le déplacement de la tempête soit nul. On détermine le vent relatif à la tempête à une altitude donnée, en dessinant un vecteur à partir de ce nouveau point d’origine jusqu’aux vents à cette altitude.

Pour être plus précis, on devra pondérer la pression des vents dans les bas niveaux. En raison de leur densité, ils contribueront davantage au déplacement de la tempête. Mais cela n’apporte qu’une légère modification à la véritable moyenne. De plus, nous tenons compte d’une bonne partie de l’anomalie en utilisant seulement les vents entre 0 et 6 km.

Formule permettant d’estimer le déplacement d’une tempête : hodographe courbé

Lorsque l’hodographe s’incurve, l’estimation devient un peu plus compliquée. Nous devons examiner de plus près la façon dont le vent moyen est réellement calculé avant de pouvoir utiliser une règle empirique.

Chaque vecteur vent peut être décrit en présentant ses composantes u et v distinctes. Cette illustration montre une répartition des composantes du vent sur 3 km (10 000 pi).

Pour calculer le vent moyen, nous calculons séparément la moyenne des composantes u et v du vent moyen à toutes les altitudes. Nous additionnons ensuite les vecteurs moyens u et v. Dans la pratique, il ne s’agit pas d’un calcul rapide. Heureusement, l’hodographe vous permet de faire une approximation visuelle.

Procédure d’estimation du déplacement d’une tempête : hodographe courbé

Pour illustrer la façon dont nous estimons le vent moyen à l’aide d’un hodographe, revenons à notre exemple d’hodographe courbé. Tout d’abord, vous pouvez constater que chaque point de l’hodographe possède des composantes u et v. Pour estimer la moyenne de la composante u, nous calculons simplement la moyenne des vents de la surface et à 6 km (20 000 pi). Cela suppose un espacement relativement égal des vents le long de l’hodographe, mais cela est adéquat pour obtenir une estimation approximative. Ensuite, nous estimons la moyenne des composantes v des vents à toutes les altitudes. En ajoutant les vecteurs u et v moyens, nous parvenons à une bonne estimation du vent moyen.

Cette technique fonctionne pour les hodographes se trouvant dans n’importe quelle orientation, mais vous devez en premier lieu réorienter le plan de référence x-y. Commencez par déplacer le point d’origine au niveau du point qui représente le vent de surface. Puis effectuez une rotation des axes x′-y′ de manière à ce que l’axe x′ coupe le vent de 6 km (20 000 pi). Estimez maintenant le vent moyen comme précédemment.

Estimation du déplacement d’une tempête : hodographe multicourbes

Lorsque l’hodographe présente une combinaison complexe de plusieurs courbes, cette stratégie peut vous aider à estimer le vent moyen, comme le montrent ces exemples. Il sera un peu plus compliqué de réaliser une bonne estimation de la moyenne de la composante v lorsque les courbes ne sont pas symétriques.