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Cisaillements et types d'orages
Si l'instabilité et l'humidité aide à déterminer la force de la précipitation d'un orage (taux de pluie, la production de la grêle) , le cisaillement du vent détermine le mouvement et la durée de vie de la tempête. Le cisaillement du vent a deux formes: cisaillement de vitesse et cisaillement directionnel . Le cisaillement de vitesse est un changement de la vitesse du vent avec l'altitude ; le cisaillement directionnel est un changement de direction du vent avec l'altitude. Chacun de ces cisaillements ont une variante de grandeur. Pour simplifier, nous aurons deux catégories : faibles et forts. Ainsi, nous avons quatre combinaisons. Chacune de ces combinaisons seront schématisées à l'aide d'un croquis d'hodographe. Le type de temps à attendre de la tempête sera également expliqué. Supposons que le courant ascendant est de force moyenne pour chaque cas (instabilité modérée).
CAS 1: FAIBLE CISAILLEMENT DE VITESSE et CISAILLEMENT DE DIRECTION FAIBLE
Un orage dans cet environnement se déplace lentement et sera de courte durée. Comme la tempête se déplace lentement la subsidence aura un effet de coupure du courant ascendant et va ainsi diminuer la tempête. Les tempêtes dans cet environnement sont souvent appelées "orages de masse d' air" ou "orages de variétés de jardin" . Si les tempêtes se forment dans un environnement d'humidité riche, la pluie peut être forte pour de brèves périodes de temps. Les phénomènes météorologiques violents ne sont pas probables.
CAS 2: FORT CISAILLEMENT DE VITESSE, CISAILLEMENT DIRECTIONNEL FAIBLE
Cette situation est souvent qualifiée de «cisaillement unidirectionnel". Le cisaillement de vitesse permettra à l'orage d'être incliné sur la verticale. Ce mouvement assure que la tempête durera plus longtemps qu'un orage de masse d'air. Un cisaillement unidirectionnel produit souvent des tempêtes qui se forment en lignes (systèmes convectifs de méso-échelle (MCS)). Comme la tempête se déplace, le courant de densité permet aux nouveaux orages de se développer à la périphérie de la tempête. Au fil du temps, une ligne de tempête résulte. Ces orages produisent principalement la petite grêle, tornades faibles et de fortes pluies quand ils sont associés à des conditions météorologiques extrêmes.
CAS 3: FAIBLE CISAILLEMENT DE VITESSE et CISAILLE DE DIRECTION FORT
Lorsque le cisaillement de vitesse est faible, le cisaillement directionnel n'a pas d'importance. Les tempêtes dans cet environnement auront des caractéristiques de ceux du cas 1.
CAS 4: FORT CISAILLEMENT DE VITESSE, CISAILLEMENT DIRECTIONNEL FORT
Cette situation peut produire des supercellules uniques. C'est la meilleure situation pour produire un courant ascendant rotatif. Le cisaillement de vitesse permet à la tempête de se déplacer rapidement et permet de garder le courant ascendant et le courant descendant séparés, tandis que le cisaillement directionnel permet de faire tourner le courant d'air ascendant dans la tempête. Ces tempêtes peuvent produire de la grosse grêle, des tornades et de la pluie.
Voici un tableau qui récapitule un peu les choses (à noter que c'est à prendre à titre indicatif).
Pour revenir sur ce sujet.
Ce qu'il faut comprendre déjà c'est qu'il y'a une infinité de différents cas qu'on essaie de classer en disant : "quand il y a un peu de ça et beaucoup de ça, ça donne ceci etc.". Cependant, la nature a une incroyable diversité et nos classements resteront toujours imparfaits. Il y a souvent des cas hybrides de système orageux, car le cisaillement, par exemple, ne se limite pas à être fort ou faible, mais peu adopter une infinité de valeurs. Je vais donner ici quelques précisions supplémentaires sur les structures que l'on peut retrouver en fonction du ratio CAPE/SHEAR.
I ) Cisaillement unidirectionnel VS CAPE (à noter que le cisaillement est jugé unidirectionnel selon le vecteur cisaillement, c'est important).
- Si le cisaillement est unidirectionnel et faible par rapport à la CAPE (et/ou à la DCAPE), l'orage fabrique beaucoup d'air froid et le courant de densité prédomine sur l'effet du cisaillement. Les nouvelles cellules qui se forment sur le bord d'attaque sont donc de faible activité. C'est le cas d'un orage isolé banal, qui peut néanmoins s'avérer modéré si la CAPE est très forte (orage à pulsation).
- Si le cisaillement est unidirectionnel et fort par rapport à la CAPE (et/ou à la DCAPE), la cellule mère se divise en deux (une cyclonique à droite, et anticyclonique à gauche). Aucune des cellules n'est favorisée. La probabilité d'avoir une hélicité significative avec un cisaillement unidirectionnel est faible. On aboutit à la formation de multicellules ou de supercellules selon l'hélicité mise en jeu.
- Si le cisaillement est unidirectionnel et a environ le même ordre de grandeur que la CAPE, on est dans le cas exposé au début de l'exposé. Le courant froid est séparé de l'ascendance, la piscine froide peut interagir avec le cisaillement et cet effet domine, on a régénérescence de cellules à la périphérie de l'orage (un côté est favorisé en général). On peut aboutir à la formation de muticellules voir de MCS.
II ) Cisaillement directionnel VS CAPE
- Si le cisaillement est tournant et faible par rapport à la CAPE, des cellules de faible activité se forment en avant du vent moyen. La plus à droite (concavité de l'hodographe) bénéficie d'une hélicité supérieure et est un peu plus vigoureuse.
- Si le cisaillement est tournant et fort par rapport à la CAPE, les gradients de pression jouent un rôle important. La cellule cyclonique de droite est favorisée si le vent tourne dans le sens horaire avec l'altitude.
- Si le cisaillement est tournant et a environ le même ordre de grandeur que la CAPE, on peut s'attendre à trouver des systèmes orageux complexes/hybrides.
Ce sont les concepts de base concernant les différentes structures. Cependant, les forçages de grande échelle peuvent également structurer la convection, ce qui va compliquer notre approche. Par exemple dans le cas des MCCs nous avons un cisaillement plutôt déstructuré en général (ce qui explique l'aspect rond), mais une organisation convective profonde liée au(x) forçage(s).
De tels forçages s'appliquant dans une atmosphère avec un cisaillement en partie plus structuré peuvent aboutir à la formation de ligne de grains, voir de derecho.
Système convectif et cisaillement
La convection prend de nombreuses formes au-delà des types de tempête isolés dont nous avons déjà discuté. Certains types de systèmes convectifs classiques comprennent les lignes de grains, arc échos, et des complexes convectifs (MCC). Toutes ces catégorisations de tempêtes sont appelées de façon générique "systèmes convectifs de méso-échelle" (comme MCS). Ils se produisent dans le monde entier et toute l'année.
I) Cisaillement et ligne de grain
Dans la section précédente, nous avons démontré que le cisaillement vertical du vent a une influence déterminante sur la forme et l'évolution des orages individuels. Permet-il aussi de contrôler l'évolution des grands systèmes ? Absolument ! Les propriétés des MCS dépendent fortement des profils de flottabilité de l'environnement et de cisaillement du vent. La force et l'organisation des MCS augmentent avec des amplitudes de cisaillement vertical du vent. L'agent unificateur le plus important pour la flottabilité à bas niveau d'un MCS est le bassin d'eau froide de surface, avec l'évolution du système fortement contrôlé par l'interaction entre le bassin d'eau froide et le cisaillement vertical de bas niveau de l'environnement.
Les lignes de grains sont observées pour une large gamme de CAPE de l'environnement et des valeurs de cisaillement du vent vertical. Cependant, pour une CAPE donnée, la force et la longévité d'un système augmentent avec la profondeur et la force du cisaillement vertical du vent. Les résultats des recherches montrent que les environnements des deux lignes de grains fortes et faibles ont d'importants cisaillements verticaux du vent, en particulier à de faibles niveaux. En moyenne, l'ampleur du cisaillement est légèrement plus fort pour les lignes de grains fortes que pour les lignes faibles.
Lors de l'estimation du cisaillement de l'environnement d'une ligne de grains, cette composante de cisaillement de l'environnement de bas niveau orienté perpendiculairement à la ligne exerce le plus de contrôle sur la structure et l'évolution de la ligne. Ce graphique montre trois lignes de grains qui évoluent dans des environnements avec des profils de cisaillement identiques. Pourtant, en raison de leurs orientations, les lignes de grains sont peu susceptibles d'évoluer de la même manière. La ligne supérieure sera probablement un système solide, avec une longue durée de vie parce que tout le cisaillement du vent est perpendiculaire à la ligne. D'autre part, le système du bas sera probablement un système plus faible, de plus courte durée.
Les lignes de grains ne nécessitent pas de cisaillement initial pour se former, tant que certains mécanismes de forçage sont présents. Cependant, l'augmentation de bas niveau de cisaillement vertical du vent augmente l'organisation et la longévité des lignes de grains ; les lignes de grains fortes sont généralement associées à de forts cisaillements de bas niveau.
II) Bow écho
Bow échos, comme marqués par le Dr Fujita, sont une forme particulièrement intense de MCS. Ils commencent souvent comme une forte cellule isolée ou une petite ligne de cellules qui évolue en un segment en forme d'arc, puis finalement en un écho en forme de virgule. Le processus se déroule sur plusieurs heures, et une fois de plus, le cisaillement vertical du vent joue un rôle important dans le processus.
Des échos en arc puissants sont le plus souvent observés dans des environnements avec cisaillement de bas niveau modéré à fort et très haute CAPE. L'indice (LI) est en moyenne d'environ -8 K, ce qui indique généralement une valeur de CAPE plus de 2500 J / kg. À 700 hPa, les moyennes de vitesse de vent sont de 17 m / s.
Les environnements d'écho en arc et de supercellules ont beaucoup de chevauchement, avec un "arc écho" souvent caractérisé par les stades d'une supercellule. Comparer ces deux chiffres : l'environnement décrit dans la figure 1 produit à la fois des échos en arc et une supercellule, alors que l'environnement représenté dans la figure 2 produit uniquement des "arc échos".
Un bow écho se produit principalement dans les profils de vent avec cisaillement vertical fort et limité à de faibles niveaux (plus bas que 2-3 km, ou 7-10 kft, AGL), tandis que les supercellules se produisent principalement avec des profils de cisaillement plus profonds (fort cisaillement s'étendant à au moins 4-6 km ou 13-20 kft, AGL). En outre, les "arc échos" ont tendance à se propager dans le sens du vecteur cisaillement vertical du bas niveau (0-3 km, ou 0-10 kft, AGL), vecteur de cisaillement du vent vertical .
Auteur : Damien Alt