Introduction

Comme vous vous souvenez peut-être l’avoir vu dans le leçon Principes de la convection I : Flottabilité et EPCD, lorsque le cisaillement vertical du vent est faible, la flottabilité constitue un facteur de contrôle dominant en ce qui a trait aux courants convectifs ascendants et descendants. Toutefois, à mesure que la force du cisaillement augmente, les vents environnementaux interagissent avec les courants ascendants et descendants des tempêtes convectives et peuvent avoir une influence importante sur l’organisation et la longévité de celles-ci. Par exemple, ces figures illustrent les échos radar simulés pour une série de tempêtes modélisées qui ont évolué dans différentes conditions de cisaillement vertical du vent.

Le but de ce leçon est de montrer l’influence du cisaillement vertical du vent sur le comportement des tempêtes convectives. Le principal outil pour évaluer le cisaillement vertical du vent est l’hodographe, comme celui que l’on voit dans le coin inférieur gauche des graphiques. Ce leçon utilise des hodographes et présume que vous avez des notions de base sur la façon d’interpréter cet outil. Pour en apprendre davantage au sujet des hodographes, voir le leçon Principes de la convection II : Utilisation des hodographes.

Introduction

Le cisaillement vertical du vent a une grande influence sur l’organisation de la tempête en augmentant la force de l’écoulement sortant de l’orage (ou bassin d’air froid) pour déclencher de nouvelles tempêtes. Par lui-même, un bassin d’air froid peut déclencher de nouvelles cellules à condition que le mouvement ascendant à son bord d’attaque soit capable de soulever l’air chaud vers son niveau de convection libre. Dans un environnement uniforme, lorsque le cisaillement vertical du vent est faible, aucune partie du front de rafales ne favorise particulièrement le développement d’une nouvelle cellule. Bien sûr, étant donné que l’atmosphère n’est habituellement PAS uniforme, il y a généralement des zones le long du front de rafale où l’air chaud soulevé peut facilement atteindre le niveau de convection libre.

À mesure que le cisaillement vertical du vent augmente, l’interaction entre le cisaillement et le bassin d’air froid devient un facteur additionnel qui peut augmenterascendance sur l’un des flancs de la tempête. Cette augmentation de l’ascendance se produit même dans un environnement relativement uniforme. On peut décrire cette interaction entre le cisaillement et le bassin d’air froid par le concept de tourbillon horizontal.

Pour en apprendre davantage au sujet de l’origine des bassins d’air froid, veuillez consulter le leçon Principes de la convection I : Flottabilité et EPCD.

Tourbillon horizontal

Un profil de cisaillement vertical du vent génère un tourbillon horizontal dans l’atmosphère. Nous pouvons visualiser ce tourbillon en imaginant une roue à aubes placée de façon parallèle à la direction du cisaillement. N’oubliez pas que la roue à aubes n’est qu’un outil de visualisation du tourbillon et que l’air environnemental ne tourne pas réellement autour d’un axe horizontal.

Bassin d’air froid en expansion

Le tourbillon horizontal est généré par des gradients horizontaux de flottabilité. Dans cet exemple de l’expansion d’un bassin d’air froid, un tourbillon horizontal négatif est généré sur le bord droit du bassin et un tourbillon horizontal positif est généré sur le bord gauche.

Interactions entre les zones de tourbillon

Pour voir comment le tourbillon associé au cisaillement vertical du vent peut augmenter l’ascendance sur un flanc privilégié du bassin d’air froid, nous devons examiner les propriétés générales du tourbillon. Plus précisément, nous devons examiner la manière dont l’écoulement général est influencé par l’interaction entre les différents champs de tourbillon.

Par exemple, si des régions positives et négatives de tourbillon horizontal de même force et de même taille coexistent à proximité les unes des autres, le mouvement ascendant généré à droite du tourbillon négatif et à gauche du tourbillon positif s’amplifiera, ce qui entraînera un jet puissant de mouvement vertical entre les tourbillons.

Toutefois, si un tourbillon est plus important que les autres, l’air entre les tourbillons sera de préférence entraîné vers le tourbillon le plus fort.

Modélisation des interactions entre le bassin d’air froid et le cisaillement

L’ascendance produite en aval d’un bassin d’air froid est optimale lorsque le tourbillon horizontal associé au cisaillement vertical environnemental est à peu près égal en force et en profondeur de couche au tourbillon horizontal produit par le bassin d’air froid.

Cet effet est illustré ici dans un ensemble de simulations numériques en deux dimensions dans lesquelles un bassin d’air froid est en expansion dans des conditions comportant trois différents profils de cisaillement vertical du vent.Les contours colorés représentent les températures les plus froides du bassin et les vecteurs vent illustrent les vents environnementaux et les configurations modifiées de la circulation. Les vecteurs vent sont présentés dans un cadre qui se déplace à peu près avec le bassin d’air froid à 20 m/s, à tous les 700 m en hauteur et tous les 2 000 m horizontalement.

Bassin d’air froid dominante

Si le tourbillon du bassin d’air froid est beaucoup plus fort que la contribution du cisaillement, l’air environnemental est soulevé précisément à la hauteur du bassin d’air froid, puis entraîné vers l’arrière.

Bassin d’air froid et cisaillement équilibrés

Si la contribution du tourbillon du bassin d’air froid et celle du cisaillement sont presque équilibrées,un jet d’air vertical sera produit et soulèvera l’air environnemental avec le bassin d’air froid, bien plus haut que la hauteur de ce dernier. Il s’agit de la condition optimale pour une ascendance profonde.

Cisaillement du vent dominant

Si la contribution du cisaillement est plus importante que celle du bassin d’air froid, l’air situé à l’avant de ce bassin d’air froid sera entraîné en amont, puis de nouveau en aval. Le scénario produit moins d’ascendance que la condition optimale de l’équilibre entre le cisaillement et le tourbillon du bassin d’air froid.

Résumé

Les résultats des interactions entre le bassin d’air froid et le cisaillement peuvent être prévus par le rapport entre la force du bassin d’air froid (connue par la vitesse d’expansion) et la force du cisaillement vertical dans les bas niveaux. Nous pouvons déterminer la force du cisaillement en trouvant la différence entre le vent de surface et le vent à 2,5 km (8 000 pi) au-dessus du sol. Il s’agit de la profondeur à laquelle le cisaillement vertical du vent interagit le plus efficacement avec le bassin d’air froid. Tel qu’il est illustré, de l’ascendance est optimale lorsque ce rapport est proche de 1.

Introduction

Dans cette section, nous discuterons de la façon dont le cisaillement vertical du vent interagit avec des courants ascendants et entraîne la formation des tempêtes. Comme on peut l’observer dans cette photo, de toute évidence, le cisaillement vertical du vent crée une inclinaison du courant ascendant. Même si nous devions mettre l’accent sur la façon dont le cisaillement vertical du vent peut augmenter la formation de tempêtes, nous ne devons pas oublier qu’au départ, le cisaillement vertical du vent puise son énergie du courant ascendant. En fait, si la force du courant ascendant est faible par rapport à la force du cisaillement vertical du vent, les nuages en développement peuvent être déchiquetés et ne jamais pouvoir se développer en tempête.

Mouvement horizontal et inclinaison du courant ascendant

Le mouvement vertical du courant ascendant est transféré au mouvement horizontal, ce qui provoque son inclinaison. L’ampleur de l’inclinaison dépend de l’intensité du cisaillement vertical du vent ainsi que de la force du courant ascendant. Pour un cisaillement donné, un courant ascendant plus fort et plus flottant ne s’inclinera pas autant qu’un courant ascendant plus faible, simplement parce que son mouvement vertical est plus important.

Tourbillon horizontal et inclinaison du courant ascendant

L’inclinaison du courant ascendant peut également s’expliquer par l’utilisation du tourbillon horizontal.

À mesure que le courant ascendant augmente, le tourbillon horizontal est continuellement généré le long de ses côtés. Ce tourbillon s’explique par le gradient de flottabilité horizontale dans le courant ascendant, comme nous avons pu le voir sur les bords d’un bassin d’air froid en expansion. L’exemple montre que le tourbillon positif est produit sur le côté droit et le tourbillon négatif, sur le côté gauche. Dans un environnement sans cisaillement vertical du vent, les tourbillons horizontaux positifs et négatifs sont en équilibre et le courant ascendant s’élève verticalement.

Lorsque le cisaillement vertical du vent est profond, le tourbillon horizontal lié à la couche de cisaillement profonde s’ajoute au tourbillon horizontal associé au gradient de flottabilité dans le courant ascendant. Cela fait en sorte que la tempête s’incline avec le même signe de tourbillon horizontal que celui de l’environnement. En d’autres termes, la tempête s’incline dans la direction du vecteur de cisaillement ou « en aval ».

Création dynamique d’un gradient horizontal de pression

Examinons maintenant un autre effet de l’interaction entre le cisaillement et le courant ascendant. Lorsque la circulation environnementale est partiellement bloquée par la colonne de courant ascendant, cela crée l’effet dynamique d’une pression relative élevée en amont et d’une pression faible en aval du courant ascendant.

Alors que les particules d’air s’élèvent dans un environnement de cisaillement, ce gradient de pression élevée à faible dans le courant ascendant est ce qui dirige en aval les particules d’air en ascension, créant ainsi l’inclinaison de la tempête. Rappelez-vous que dans les sections précédentes, nous avons également expliqué l’inclinaison de la tempête par l’influence du tourbillon horizontal et le transfert du mouvement dans le courant ascendant.

Introduction

Le cisaillement vertical du vent (plutôt que la flottabilité) a le contrôle le plus important sur l’organisation d’une tempête convective. La structure et l’évolution de la tempête sont affectées lorsque le cisaillement leçon la force de l’ascendance produite par le bassin d’air froid ou lorsqu’il influe sur la capacité d’un courant ascendant à engendrer un mouvement de rotation. Comme nous allons le montrer, la profondeur du cisaillement, sa force, et la forme du profil de cisaillement sur l’hodographe peuvent créer des différences significatives dans une tempête convective et l’évolution d’un système de tempête.

Cellules ordinaires

Ce schéma montre le cycle de vie d’une cellule ordinaire typique composée uniquement de liquide sans glace. Les couleurs représentent les échos radar hypothétiques. Au fil de son évolution, l’écho maximal semble être empilé verticalement. Cela se produit parce que le cisaillement vertical du vent est faible et, par conséquent, l’écho n’est pas incliné selon la hauteur. À mesure que la cellule se dissipe, le front de rafales s’étend à partir de la cellule d’origine, dans toutes les directions. L’écoulement sortant peut engendrer un nouveau développement en fonction de la hauteur du niveau de convection libre, de la profondeur du bassin d’air froid, des variations de stabilité et d’autres facteurs. Cependant, le plus souvent, l’ascendance produite par le front de rafales dans des conditions de faible cisaillement est insuffisante pour produire continuellement et à elle seule de nouvelles cellules. Dans un environnement de faible cisaillement, les cellules ordinaires se déplacent à la même vitesse et dans la même direction que le vent environnemental dans la couche nuageuse.

Multicellules (ou systèmes multicellulaires)

Cette coupe transversale montre un système multicellulaire mature qui affiche une variété de stades de croissance des cellules. Seule une enclume subsiste de la cellule la plus ancienne, appelée cellule 1, qui est située le plus loin en amont du cisaillement. En se déplaçant vers la droite du schéma, les cellules se trouvent à un stade plus précoce de leur cycle de vie, et la cellule la plus récente, la cellule 5, est située le plus loin en aval du cisaillement. Ce profil de l’évolution des cellules correspond à une caractéristique distinctive d’un système multicellulaire organisé. Dans ce système, les cellules individuelles ont tendance à ressembler à des cellules ordinaires dans leur structure et leur évolution, chacune se déplaçant à la vitesse du vent moyen dans la couche nuageuse.

Cisaillement et structure multicellulaire

Ce schéma montre que dans un environnement de cisaillement modéré, le front de rafales associé à un système multicellulaire s’étend toujours vers l’extérieur, mais que la croissance de nouvelles cellules est favorisée en aval du bassin d’air froid, là où l’ascendance est la plus importante. Bien sûr, de nouvelles cellules peuvent également être créées dans d’autres endroits situés le long du bord d’attaque, en fonction de facteurs externes. De plus, si les vents dans les bas niveaux sont suffisamment forts, le front de rafales ne s’étendra pas de manière symétrique.

Rôle du bassin d’air froid dans les systèmes multicellulaires

L’interaction entre le bassin d’air froid et le cisaillement environnemental dans les bas niveaux leçon fortement la tendance à générer de nouvelles cellules dans des systèmes multicellulaires. En l’absence d’autres mécanismes de forçage, les systèmes multicellulaires les plus importants et les plus durables se produisent dans des environnements caractérisés par un fort cisaillement vertical du vent dans les bas niveaux. Rappelez-vous que la condition optimale à la création de nouvelles cellules convectives se produit lorsque le tourbillon horizontal induit par le bassin d’air froid est en équilibre avec le tourbillon horizontal associé au cisaillement vertical du vent environnemental dans les bas niveaux, sur le flanc situé en aval du système.

Supercellules

L’interaction entre un courant ascendant et un cisaillement vertical du vent fort et droit peut générer deux rotations dans les niveaux moyens au sein d’une tempête en développement. Lorsque le cisaillement vertical du vent est suffisamment fort, la rotation dans les niveaux moyens et la force de pression associée peuvent être suffisamment importantes pour générer de nouveaux courants ascendants sur les flancs latéraux de la tempête. (La rotation dans les niveaux moyens est également produite lorsqu’un fort cisaillement est courbé et sa courbure favorise un nouveau courant ascendant d’un côté ou de l’autre.) Dans certaines circonstances, cela peut mener à un courant ascendant soutenu en rotation. Le courant ascendant en rotation est l’une des principales caractéristiques des supercellules qui sont souvent associées à des phénomènes météorologiques violents.

Évolution du cisaillement et des supercellules

Nous avons vu précédemment que le cisaillement vertical du vent combiné à une flottabilité suffisante peut mener à la formation d’une supercellule. De plus, la forme du profil du cisaillement, tel qu’illustré sur un hodographe, influe fortement sur l’évolution de la tempête. Ces figures montrent l’évolution de trois différentes supercellules associées à leurs hodographes typiques. Les hodographes représentent des environnements à fort cisaillement, mais avec des formes sensiblement différentes. Nous avons délibérément omis une échelle spatiale, car les mouvements des supercellules peuvent varier de manière importante en fonction du profil du cisaillement vertical du vent. Elles peuvent se déplacer sur des centaines de kilomètres ou, dans le cas de certaines combinaisons de cisaillement, demeurer pratiquement immobiles.

Un fort cisaillement droit a tendance à produire des supercellules fortes qui se divisent de façon symétrique.

Les profils de cisaillement du vent avec au moins cette ampleur de courbure dans le sens horaire (courants dans les Grandes-Plaines) sont responsables de la production de supercellules dominantes se déplaçant vers la droite.

À l’occasion, le cisaillement environnemental crée un hodographe courbé dans le sens antihoraire, ce qui favorise des supercellules dominantes se déplaçant vers la gauche.

Introduction

La convection se présente sous bien des formes au-delà des types de tempêtes isolées que nous avons déjà abordés. Certains types de systèmes convectifs classiques comprennent des lignes de grain, des échos en arc et des complexes convectifs de méso-échelle (CCM). Toutes ces catégories de tempêtes sont généralement appelées systèmes convectifs de méso-échelle (SCM). Ceux-ci se produisent partout dans le monde et durant toute l’année, comme le montre cet exemple d’écho en arc survenu près de l’île de Kauai, à Hawaï, en novembre 1995, et qui a provoqué d’importants dommages.

Cisaillement et lignes de grain

Dans la section précédente, nous avons démontré que le cisaillement vertical du vent a une influence dominante sur la forme et l’évolution des tempêtes convectives individuelles. Contrôle-t-il de la même manière l’évolution des systèmes de tempête plus importants? Absolument! Les propriétés des systèmes convectifs de méso-échelle (SCM) dépendent fortement de la flottabilité environnementale et des profils de cisaillement du vent. La force et l’organisation des systèmes convectifs de méso-échelle (SCM) dont la base est située dans la couche limite, augmentent avec la force du cisaillement vertical du vent. Le bassin d’air froid constitue l’agent unificateur le plus important pour les SCM dont la base est située dans la couche limite, et l’évolution du système est fortement contrôlée par l’interaction entre le bassin d’air froid et le cisaillement vertical du vent environnemental dans les bas niveaux.

Environnement des lignes de grain

Les lignes de grain sont observées pour un large éventail de valeurs d’énergie potentielle de convection disponible (EPCD) et de cisaillement vertical du vent dans l’environnement. Toutefois, pour une EPCD donnée, la force et la longévité d’un système augmentent avec l’augmentation de la profondeur et de la force du cisaillement vertical du vent. Les résultats des recherches montrent que les environnements de lignes de grain violentes et de celles qui ne le sont pas présentent un cisaillement vertical du vent important, en particulier dans les bas niveaux. En moyenne, la force du cisaillement est légèrement plus importante pour les lignes de grain violentes que pour celles qui ne le sont pas.

Évolution des lignes de grain

Lors de l’estimation de l’environnement de cisaillement d’une ligne de grain, cette composante du cisaillement environnementale dans les bas niveaux orientée perpendiculairement à la ligne exerce un plus grand contrôle sur la structure et l’évolution de celle-ci. Ce graphique illustre trois lignes de grain qui évoluent dans des environnements aux profils de cisaillement identiques. Pourtant, en raison de leur orientation, les lignes de grain sont peu susceptibles d’évoluer de la même façon. La ligne supérieure sera probablement un système fort et de longue durée, car tout le cisaillement du vent est perpendiculaire à la ligne. D’autre part, le système inférieur ne présente pas un cisaillement perpendiculaire par rapport à la ligne, de sorte qu’il sera probablement un système plus faible avec une durée de vie moindre.

Échos en arc

Les échos en arc, comme les a qualifiés M. Fujita, sont une forme particulièrement intense de SCM. Ils commencent souvent comme une forte cellule ou une petite ligne de cellules qui deviennent un segment symétrique en forme d’arc, puis finalement un écho en forme de virgule. Le processus se déroule sur plusieurs heures, et une fois de plus, le cisaillement vertical du vent y joue un rôle important dans le processus.

Environnement d’échos en arc

Les échos en arc les plus importants sont le plus souvent observés dans les environnements à cisaillement de modéré à fort dans les bas niveaux et avec une EPCD très élevée. L’indice de soulèvement (LI) est en moyenne autour de -8 K, ce qui indique habituellement une valeur EPCD supérieure à 2 500 J/kg. À 700 hPa, la vitesse moyenne du vent est de 17 m/s.

Les environnements d’échos en arc et de supercellules présentent beaucoup de chevauchement, avec les échos en arc caractérisant souvent les derniers stades d’un événement de supercellule. Comparer ces deux figures. L’environnement illustré à la figure 1 a produit à la fois des échos en arc et une supercellule, tandis que l’environnement illustré à la figure 2 a produit seulement des échos en arc.

Les échos en arc apparaissent principalement dans les profils de vent dont le fort cisaillement vertical est confiné dans les bas niveaux (les premiers 2 à 3 km ou 7 000 à 10 000 pi au-dessus du sol), tandis que les supercellules apparaissent principalement avec des profils de cisaillement plus profonds (fort cisaillement qui s’étend à au moins 4 à 6 km ou 13 000 à 20 000 pi au-dessus du sol). De plus, les échos en arc ont tendance à se propager dans la direction d’un vecteur de cisaillement vertical de bas niveaux (0 à 3 km ou 0 à 10 000 pi au-dessus du sol) .

Conclusion

Tandis que les différents types de tempêtes offrent une orientation d’une valeur inestimable pour prédire la structure et le comportement d’une tempête dans un environnement donné, il faut également reconnaître qu’en réalité, la complexité du monde réel finit par générer un spectre continu en matière de structure et d’évolution des tempêtes observées. De nombreux cas ne répondront à aucun des modèles conceptuels présentés. Toutefois, en observant le contrôle du cisaillement qui influe sur le type de tempête généré et en surveillant le cisaillement vertical du vent dans les environnements convectifs, nous pouvons plus facilement prévoir la gamme des comportements probables de la tempête.