La turbulence Généralités turbulence en air clair Définitions écoulement turbulent couche limite Classification turbulence potentielle turbulence effective Origines de la turbulence turbulence de frottement turbulence d'écoulement au voisinage du relief l'exemple de NICE ondes orographiques turbulence en air clair TAC et jets au voisinage des fronts inversion de températures turbulence convective turbulence de sillage Effets, prévention, détection, prévision effets prévention détection prévision QUITTER

Généralités Phénomène fréquemment observé :  tendance naturelle de l'atmosphère à s'animer de mouvements parfois violents Accidents majeurs avec destruction de l'avion :  exceptionnels (résistance avions, procédures…) Incidents, accidents corporels :  nombreux Aspect confort en transport public (passagers, équipages):  ne doit pas être négligé Prévention du phénomène :  à partir d'une bonne information Prévision fine du phénomène : souvent "délicate"

Définitions (1/3) Mouvements de l'air aléatoires et constamment changeants se superposant au mouvement moyen mouvement moyen La notion de turbulence est étroitement liée à la notion d'échelle à l'échelle de la circulation générale, une perturbation synoptique est turbulente à l'échelle moyenne la convection est turbulente à l'échelle du laboratoire le mouvement Brownien (agitation thermique) est turbulent

Définitions (2/3) Écoulement laminaire et turbulent à l'échelle considérée Écoulement laminaire relative constance dans le temps et dans l'espace du vecteur vitesse de la particule Écoulement turbulent variation aléatoire dans le temps et dans l'espace du vecteur vitesse de la particule

Définitions (3/3) Couche limite atmosphérique profil de vent atmosphère libre hauteur Couche limite atmosphérique vent géostrophique 3000/5000' de la surface à une hauteur de 3000/5000ft caractérisée par un écoulement turbulent. Au- dessus c'est l'atmosphère libre couche limite de transition gradient >5kt/1000' couche limite atmosphérique couche limite de surface : ou couche de frottement, de la surface à 30/150ft de hauteur ou les forces de viscosité et de frottement sont prépondérantes 30/150' couche limite de surface vitesse du vent V500 V100 V1000 V50 couche limite de transition : située immédiatement au-dessus, la force de Coriolis ne peut plus être négligée V2000 V100 V25 V3000 V4000 entre 100 et 4000ft le vent se renforce avec la hauteur et tourne dans le sens des aiguilles d'une montre (HN) entre 0 et 100ft le vent se renforce avec la hauteur sans rotation

Classification de la turbulence (1/3) Turbulence potentielle - approche descriptive - "liée" aux données atmosphériques : densités, vitesses verticales et horizontales, instabilité ... - peut être caractérisée par le "taux de dissipation turbulente du tourbillon" (proportion d'énergie cinétique contenue dans le tourbillon et transférée par unité de temps) - échelle objective de potentiel turbulent Symbolisme normalisé

Classification de la turbulence (2/3) Turbulence effective Turbulence Potentielle (atmosphérique) Qualification, quantification, localisation par le météorologiste Paramètres pertinents: instabilité verticale atmosphérique, profils verticaux de vent, taux de dissipation turbulente... paramètres avion Paramètres pertinents: vitesse, charge alaire, flexibilité voilure, … Turbulence Effective Accélérations verticales, réactions longitudinales... accélération verticale mesurée au centre de gravité C : caractéristiques aéronef (coef. de portance, coef. d'atténuation de la rafale..) V : vitesse m/s : charge alaire  : masse volumique w : vitesse de l'air

Classification de la turbulence (3/3) Turbulence effective échelle de turbulence à 5 niveaux basée sur la réponse () de l'avion à une sollicitation turbulente (échelle OACI) g0 3,5 2,5 1,5 1,2 1,05 0,95 0,8 0,5 -0,5 -1,5  (x.g0) valeurs extrêmes garantissant l'intégrité structurale pour un aéronef de transport civil extrême menace sur la structure de l'aéronef, vol inacceptable pour les passagers forte pilotage difficile modérée fortes secousses intermittentes "attachez vos ceintures" faible oscillations plus nettes passagers incommodés très faible légères oscillations

Origines de la turbulence

Turbulence de frottement Interaction entre la surface terrestre et le vent dans la couche limite de surface (SFC30/150ft) Facteurs pertinents vent faible faible écart type vent fort fort écart type vitesse du vent rugosité, obstacles (présence, dimensions.. Z t profil radiatif Z t profil convectif stabilité verticale

Turbulence d'écoulement Résulte du frottement de la viscosité à l'intérieur d'une même tranche, ou entre deux tranches atmosphériques de caractéristiques différentes en termes d'écoulement (vitesse ou direction) Intéresse toute l'atmosphère (au-dessus de la couche de frottement) Facteur pertinent le gradient de vent (horizontal ou vertical) Localisation le relief les jets le sillage nuageux les fronts les inversions de basses couches

Turbulence d'écoulement Au voisinage immédiat du relief frottement et écoulement se conjuguent pour créer de la turbulence au-dessus des régions accidentées sur des volumes importants autour des reliefs Vent synoptique canalisation

Turbulence d'écoulement >500ft 22 04 NICE VAR Au voisinage immédiat du relief : l'exemple de NICE suit le relief de petite échelle de la vallée du Var Vent à 100ft suit le relief de grande échelle Vent à 2000 ft des Alpes maritimes Zone agitée

Turbulence d'écoulement Ondes orographiques déferlement tropopause écoulement laminaire Vent >15 kt air stable h longueur d’onde typique de 2 à 6 NM 1,2 h rabattants Ressauts stationnaires Symbole des ondes orographiques marquées zones de turbulence

Turbulence d'écoulement : Turbulence en Air Clair (TAC ou CAT) terme utilisé en aéronautique pour qualifier la turbulence, en moyenne et haute troposphère ainsi qu'en basse stratosphère, se produisant en dehors des nuages convectifs ni prés de ceux-ci liée à de fortes variations de direction ou de vitesse du vent déferlement des ondes vers la tropopause déferlement tropopause au voisinage des thalwegs d'altitude accusées ou de certaines dorsales marquées L au voisinage d'un jet

Turbulence d'écoulement : TAC et d'un jet (1/3) horizontal vertical Zone de TAC Dimensions caractéristiques ordre de grandeur Longueur : 1000 à 5000km largeur : 100 à 500km axe du jet gradient horizontal épaisseur : 150 à 5000m gradient vertical ex1000m lx100 km Lx1000 km La turbulence n’est pas continue, l'absence de turbulence pour un avion n’exclut pas sa présence au même endroit quelques minutes plus tard. Ordre de grandeurs des zones turbulentes à l’intérieur d’une zone de TAC lx10km, Lx100km, ex100m soit un facteur 10-1 par rapport à la dimension de la zone de TAC

Turbulence d'écoulement : TAC et jet (2/3) Localisation FL150 FL300 FL450 Hémisphère Nord Coté polaire CAT : zone de forts gradients 140 kt 120 kt 100 kt 80 kt isotaches Axe du JET 160 kt localisation sur une carte TEMSI

Localisation de la TAC sur une carte TEMSI Zones de CAT 5 370xxx 5 Retour

Turbulence d'écoulement : TAC et jet (3/3) Gradients et intensité Typiquement intensité modérée pour des gradients : horizontaux du coté cyclonique (1)  30kt/100NM verticaux au-dessus du cœur (2)  5kt/100ft En terme géostrophique vent et température sont liés, un gradient vertical de 5kt/1000ft correspond à une variation horizontale de la température (latitudes moyennes) de 5°/100NM. A un FL donné une variation rapide de la température implique un risque turbulent. Intensité de la TAC  jet sinueux, entre deux jets proches, au dessus du relief, des continents signature de la TAC bandes cirriformes transversales au flux, nuages en formes de virgules

Turbulence d'écoulement : au voisinage des fronts variation de direction variation de vitesse 30 40 50 70 90 60 80 100 X Y jet 120 kt isotaches tropopause jet de basses couches D L X Y surface altitude Jet vue satellite et jet de basses couches

Turbulence au voisinage des fronts Les fronts actifs sont accompagnés d’un jet de basses couches qui est le siège de turbulence Vue satellitaire d’une perturbation extra-tropicale avec son centre de basse pression en surface et les fronts Cette coupe frontale (Y’Y)dans la perturbation isole de forts gradients de vitesse de vent dans les basses couches Retour

Turbulence d'écoulement : inversion de température Le refroidissement crée une bulle d'air calme en surface. La force de frottement étant réduite l'air glisse sur cette bulle et, vers le sommet de l'inversion, la vitesse du vent peut être plus d'une fois et demi supérieure à la vitesse du vent géostrophique créant ainsi de la turbulence. Conditions de formation : - la nuit, conditions anticycloniques sur des surfaces continentales - refroidissement nocturne dans les vallées - régions polaires

Turbulence convective (1/2) Apparition, extension et matérialisation de la convection plus l’activité convective est importante, plus forte est la turbulence dimension des tourbillons convectifs de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres dans les puissantes circulations verticales observées dans les CB la turbulence se manifeste aussi bien dans le nuage convectif qu'au-dessus, autour et en-dessous

Turbulence convective (2/2) 2 à 6000ft Le CB 10/20NM

Turbulence de sillage (1/3) Turbulence aérodynamique créée par les tourbillons marginaux formés à l’extrémité des ailes d’un avion en vol

Turbulence de sillage (2/3) Persistance des tourbillons situation la plus défavorable : atmosphère stable 5 kt de vent traversier persistance le long de la trajectoire en l'absence de toute autre forme de turbulence (atmosphère stable)

Turbulence de sillage (3/3) la turbulence de sillage des avions est un des facteurs de réduction de capacité aéroportuaire les plus contraignants espacements OACI

Effets, prévention, détection, prévision (1/5) dans certains cas extrêmes, pilotes (même en auto) ont de sérieuses difficultés à garder le contrôle de la trajectoire passagers membres d'équipages peuvent être blessés lors d'une turbulence soudaine et intense passagers non attachés objets non ou mal arrimés le personnel navigant commercial est particulièrement exposé Prévention (conduite du vol) dans la plupart des cas (sauf super cellule orageuse) le risque sur la structure de l'avion peut être réduit par : une réduction appropriée de la vitesse de l'avion une légère majoration en phases décollage et approche des valeurs seuils déterminent des plages de vitesse d'utilisation en air agité (entre décrochage et facteur de charge)

Effets, prévention, détection, prévision (2/5) Prévention (conduite du vol) trajectoire et choix du niveau de vol X X' jet et TAC X X' B A si possible A en en route parallèle au jet : choisir un FL sous le cœur et du coté anticyclonique B en en route perpendiculaire au jet : choisir un FL au-dessus ou en dessous du cœur

Effets, prévention, détection, prévision (3/5) la présence de nuages constitue un bon indice de turbulence nuages d'ondes

Effets, prévention, détection, prévision (4/5) la présence de nuages constitue un bon indice de turbulence (nuages, jet et TAC) Plus généralement, la présence de nuages ayant les caractéristiques allongés, étirés, nettement délimités, sont des régions atmosphériques où l’on peut suspecter la présence d’un jet et rencontrer de la turbulence d’écoulement la variation rapide de la température annonce la présence de gradients de vitesse et d'un risque de turbulence

Effets, prévention, détection, prévision (5/5) consiste en la prévision de situations météorologiques potentiellement génératrices de turbulence (jets, perturbations, situations convectives…) la localisation (quantification) de la turbulence dans l'espace et le temps reste un problème délicat  notion d'échelle les champs de vents et de températures fournis par les modèles de prévisions numériques permettent la localisation 4D des jets et le calculs de gradients horizontaux et verticaux de vitesse. à partir de quels seuils de valeurs de ces gradients peut-on quantifier la turbulence, alors que les observations avions sont disparates et que le phénomène n'est pas permanent ? Quelle relation entre turbulence potentielle et turbulence effective ? les messages SIGMET, les cartes TEMSI traduisent le potentiel turbulent de l'atmosphère avec des lacunes liées aux techniques de détection et de prévisions actuelles

La turbulence FIN Première diapositive