Le Cumulonimbus et les phénomènes associés Le CB description organisation les régions tropicales les régions tempérées dynamique des nuages convectifs cellule ordinaire cellule vigoureuse cellule géante et système multicellulaire Orage définition électrisation d'un nuage orageux (3) éclairs et tonnerre Le CB et les phénomènes significatifs le CB au stade de maturité les phénomènes significatifs tornade ou trombe le front de rafales la rafale descendante le foudroiement la grêle précipitations et visibilité, contamination de la piste, cisaillement du vent, givrage, turbulence QUITTER

Le cumulonimbus

Description Définition : nuage à grand développement vertical (tout ou partie de la troposphère) "nuage dense et puissant, à extension verticale considérable, en forme de montagne ou d'énormes tours. Une partie au moins de sa région supérieure est généralement lisse, fibreuse ou striée, et presque toujours aplatie; cette partie s'étale souvent en forme d'enclume ou de vaste panache. Au-dessous de la base de ce nuage souvent très sombre, il existe fréquemment des nuages bas déchiquetés, soudés ou non avec elle, et des précipitations, parfois sous forme de virga" forte densité en éléments liquide et solide sommet glacé et brillant nuage caractéristique de l'instabilité atmosphérique forme bourgeonnante à évolution rapide lorsque le sommet atteint la tropopause, étalement caractéristique en forme d'enclume

Organisation (1/3) convection isolée ou dispersée (échelle aérologique) CB isolés de quelques km de diamètre structure organisée en amas nuageux, lignes, ensembles ordonnés (échelle moyenne à synoptique) nombreux CB noyés à l'intérieur d'autres masses nuageuses (EMBD)

Organisation (2/3) Les régions tropicales en lignes de convections ou en forme d’ondes (tendance ordonnée) Organisation (2/3) Les régions tropicales amas nuageux (à tendance grégaire), lignes, avec déplacements et évolutions rapides en quelques heures en forme caractéristique de tourbillon tropical 

Organisation (3/3) Les régions tempérées convection isolée associée aux conditions locales : CB locaux, à forte évolution diurne, liés à la saison, l'heure, la nature de la surface, l'orographie, l'humidité, structure organisée : CB associés aux dépressions, tempêtes, et se déplaçant avec les masses d'air 1 2 F C 3 1 2 3 F C 1 CB d'air froid (traîne) parfois organisés en ligne  front froid secondaire 2 CB d'air chaud noyés  frontaux CB d'air chaud, peuvent s'organiser en ligne de grains 3

Dynamique des nuages convectifs (1/4) Cellule : unité de formation nuageuse et de précipitations liée à une ascendance particulière dimensions de quelques km, vitesse de déplacement de quelques km/h un nuage contient une ou plusieurs cellules qui peuvent être indépendantes et isolées ou regroupées sous forme de systèmes plus ou moins organisés

Dynamique des nuages convectifs (2/4) Evolution d'une cellule ordinaire Nuages précipitations Stades d'évolution Courants verticaux Z Vent Profil du vent 5 km CU TCU CB calvus CB capillatus (SH) SC-CU-AC cumulonimbogéntus (RA) 15-30 m/s 10-15 m/s 1-2 m/s  15-30 m/s 1-5 m/s Formation Maturité Dissipation Durée de vie 45/60'

Dynamique des nuages convectifs (3/4) Cellule vigoureuse l'atmosphère impose un certain nombre de contraintes aux systèmes nuageux : le cisaillement vertical du vent par exemple les vents forts en altitude ont tendance à incliner les cellules et à les mélanger avec l'air environnant plus froid et plus sec le développement peut paraître plus difficile et pourtant les nuages qui se forment dans de telles conditions peuvent être particulièrement vigoureux et accompagnés de phénomènes dévastateurs Processus de renforcement des cellules (non exhaustifs) inclinaison de l'ascendance création d'un pseudo front froid divergence en altitude effet d'obstacles

Dynamique des nuages convectifs (4/4) Cellule géante et système multicellulaire une cellule ordinaire a une durée de vie limitée certains nuages convectifs peuvent persister pendant plusieurs heures et parcourir plusieurs dizaines voire centaines de km ces nuages sont constitués : d'une seule cellule géante (super cellule) ce sont les cellules convectives les plus vigoureuses et les plus dévastatrices. Elles peuvent être accompagnées de tornades. Ces cellules se développent en présence de forts cisaillements du vent de plusieurs cellules ordinaires ou géantes (système multicellulaire) chaque cellule peut avoir une durée de vie brève, mais plusieurs cellules à des stades d'évolution différents ou bien des cellules qui naissent dans la trace de précédentes maintiennent l'activité convective

Processus de renforcement des cellules Inclinaison de l'ascendance Profil du vent Z Vent Dans les basses couches l'ascendance a une composante horizontale dirigée vers l'arrière. Les précipitations qui se forment dans le courant descendant ne viennent pas détruire l'ascendance Retour

Processus de renforcement des cellules Création d'un pseudo front froid Profil du vent Z Vent L'écoulement du courant descendant froid force l'air chaud et humide des basses couches vers le haut Retour

Processus de renforcement des cellules Divergence en altitude Sous l'effet de leur vitesse les particules passent au-dessus de l'équilibre thermique avec l'air ambiant : Tp (particule) <Ta (air) Elles ont tendance à retomber et à réduire la flottabilité des particules qui les suivent. La divergence d'altitude ou un vent fort peut évacuer rapidement ces particules permettant le maintien des forces de convection Profil thermique Z Tp Ta T Retour

Processus de renforcement des cellules Effet d'obstacle Profil du vent Z Vent Circulation secondaire : induction de mouvements subsidents à l'arrière +P (A) divergence et dilution et ascendants à l'avant. -P (D) convergence et régénération de l'ascendance +P -P Retour

Orage

Définition une ou plusieurs décharges brusques d'électricité atmosphérique se manifestant par une lueur brève et intense (émission lumineuse : l'éclair et par un bruit sec ou un roulement sourd (émission sonore : le tonnerre) en observation météorologique c'est le tonnerre qui détermine localement l'existence d'un orage les orages sont pratiquement toujours générés par le cumulonimbus et le plus souvent accompagnés de fortes précipitations sous forme d'averse la foudre : décharge électrique entre nuage et sol représente 1/3 de l'activité électrique (2/3 intra ou inter nuages) symboles : éclair tonnerre Orage (TS)

Electrisation d'un nuage orageux (1/3) L'atmosphère est de manière naturelle électriquement chargée avec un potentiel électrique de gradient dirigé vers le bas d'environ 100 V/m. - - - - - + + + + Terre Ionosphère 100 à 150 V/m La répartition des charges électriques à l'intérieur d'un CB est liée à la distribution des éléments constitutifs du nuage (gouttelettes, et cristaux), des précipitations, de la température, des courants verticaux (frottement, collision…). + - +24C -20C +4C Distribution moyenne des charges électriques à l'intérieur d'un CB. (1 Coulomb = 3600 A.h) 0°C Le début d'intensification du champ électrique suit l'apparition dans le nuage de fortes précipitations sous forme de neige roulée ou de grêle

Electrisation d'un nuage orageux (2/3) Une décharge locale se produit lorsque le gradient de potentiel atteint 1 à 3 méga volt/m, généralement au voisinage de la poche de charge >0 à la base du nuage et la partie basse de la région de charge <0 0°C + - - - - - - + + + + + + Cette décharge relâche des électrons libres qui neutralisent la petite poche de charges >0, + - 0°C puis se déplace vers le sol Quand ce traceur par bonds s'approche du sol, il y induit des charges positives en particulier sur les objets proéminents. 1/100es Arrivé à 10/100 m du sol un traceur de connexion (étincelle glissante) part du sol pour venir à sa rencontre. progression par bonds de 50 en 50 m +

Electrisation d'un nuage orageux (3/3) + - 0°C Electrisation d'un nuage orageux (3/3) Lorsque le contact s'établit, un grand nombre d'électrons se propagent vers le sol et un éclair visible et très lumineux se propage vers le haut de façon continue depuis le sol vers le nuage en suivant le chemin (ramifications) préparé par le traceur par bonds. - 1/10es intensité 1 à 2 104 A Si des électrons sont fournies au sommet de la précédente décharge, + - 0°C un traceur en dard peut se propager vers le bas de façon continue le long du canal principal et dépose des électron supplémentaires dans le sol. Ce traceur en dard est suivi d'une autre décharge en retour visible. On peut ainsi détecter 3 à 4 décharges successives séparées d'environ 50 s

Eclairs et tonnerre Le canal conducteur de l'éclair ne dépasse pas quelques centimètres de diamètre La décharge en retour augmente la température de l'air dans laquelle elle passe de plus de 30000° en un temps tellement court que l'air n'a pas le temps de se dilater La pression dans le canal augmente instantanément de 10 à 100 atm. Le canal de forte pression se détend alors rapidement dans l'air environnant et crée une onde de choc très puissante donnant naissance à une onde acoustique perçue par l'oreille : le tonnerre Le tonnerre peut être aussi produit par les traceurs par bonds et en dard mais il est alors plus faible que pour les décharges en retour Le tonnerre est "décalé" par rapport à l'éclair (vitesse du son et de la lumière). Il est rarement audible à plus de 25 km de la décharge électrique 2000 à 5000 orages éclatent en permanence à la surface du globe En France on observe 1,5 à 2 millions de coup de foudre par an

Le CB et les phénomènes significatifs

Le CB au stade de maturité Courants ascendants :  6000'/mn Courants descendants :  3000'/mn Fortes précipitations (visibilité) Grêle Orage Turbulence 0° Givrage Front de rafales 1 2 Rafale descendante 3 Tornade 2 1 3

Trombe ou tornade cellule géante(super cellule) quelques dizaines de mètres de diamètre en rotation cyclonique vitesse en surface de 100 à 200 kt tempête tournante très violente, c'est le plus violent de tous les phénomènes météorologiques apparaît comme une colonne "nuageuse" entre le sol et la base du CB pouvant s'étendre parfois jusqu'au sommet Statistique sur les tornades aux USA

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Le front de rafale (gust front) situé à l'avant de l'orage, il ressemble à un front froid de faible épaisseur mais avec des vitesses de vents , des cisaillements du vent et de la turbulence généralement beaucoup plus forts. au niveau du sol, le passage de l'air chaud (ascendant) vers l'air froid (descendant) se traduit par une rotation des vents de 180°. la vitesse des vents en rafales qui suivent le passage du front peut être supérieure à 50 kt le bord d'attaque de la masse d'air froid peut se situer à une vingtaine de km et plus de la cellule orageuse. Ainsi un orage sur Melun a été la cause d'un cisaillement du vent constaté à Orly par ciel clair

La rafale descendante (downburst) fort courant descendant entraînant la formation au sol ou à proximité, de vents dévastateurs soufflant violemment vers l'extérieur macroburst étendue horizontale de plus de 4 km vent de surface pouvant atteindre 120 kt durée de vie de 5 à 30 mn microburst étendue horizontale de 4 km ou moins vent de surface pouvant atteindre 150 kt durée de vie de moins de 10 mn 2000'/mn 4 à 40 km 4000'/mn 4 km

Le foudroiement (1/3) Dans 95% des cas c’est l ’avion qui déclenche le foudroiement. Pour les 5% restant, il intercepte un leader.

Le foudroiement (2/3) un avion de ligne est foudroyé en moyenne une fois par an. Risque maximal : -5°C< t < + 5°C altitude de vol 3000m turbulence modérée vol dans la pluie à l’intérieur d’un nuage depuis quelques minutes Dans son déplacement, l’avion se charge et le risque s’accroît.

Le foudroiement (3/3)

La grêle (1/3) 0° -20° dans un nuage mixte (o,*), les particules de glace (étoiles, aiguilles, plaquettes, gouttes congelées..) peuvent grossir par collection de gouttelettes surfondues qui se congèlent à leur contact croissance par accrétion de gouttelettes surfondues (idem givrage) particule de neige roulée ou grésil suivant structure et densité 1 neige roulée : congélation rapide de petites gouttelettes  aspect opaque avec bulles d'air emprisonnées,  = 0,1 à 0,7 1 3 2 grésil : congélation plus lente de gouttelettes aspect transparent contient peu de bulles d'air,  = 0,7 à 0,9, 4 2 3 et 4 grêle, grêlons cas extrêmes de la croissance des particules de glace par accrétion

couches concentriques alternées opaque et transparente Relation approchée liant vitesse de chute (m/s) et diamètre (cm) à une pression voisine de 1000 hPa La grêle (2/3) couches concentriques alternées opaque et transparente

La grêle (3/3) Conséquences aéronautiques : dégâts sur la structure de l’avion, pare-brise cassé, problèmes moteur, ingestion de grêlons…

Les phénomènes significatifs Visibilité réduite par fortes précipitations, par soulèvement de poussière ou de sable. Contamination de la piste par pluie, grêle, neige, sable ou poussière Cisaillement du vent Souvent associé à la turbulence, dans les “downburst ”, à proximité des fronts de rafales. Givrage Forte teneur en eau liquide surfondue (de 2 à 5 g/m3  15 g/ m3). Givrage potentiel sévère de l’avion entre 0 et -15°C, pouvant aller jusqu’à -30°C. Turbulence Enveloppe de 10 à 20 NM latéralement et de 1500 à 6000 ft verticalement.

Le Cumulonimbus et les phénomènes associés FIN Première diapositive