Les orages et la convection profonde
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Phénomènes significatifs pour l'aviation: Les orages et la convection profonde TREND Description du phénomène © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology “… équivalent à l'énergie d'une explosion nucléaire de 400 kilotonnes.” © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 2 Pourquoi l'orage est le phénomène significatif le plus dangereux? La plupart des phénomènes significatifs pour l'aviation sont réunis dans une seule origine, l'orage. © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 3 Contenu ¾ Description générale ¾ Cycle de vie d'un orage ¾ Modèle conceptuel d'une super-cellule orageuse ¾ Nuages associés à la convection ¾ Foudre et tonnerre ¾ Lignes de grains ¾ Convection tropicale et ensembles convectifs d'échelle moyenne © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 4 Les différents types d'orage et la convection profonde ¾ Les orages ¾ Les orages violents ¾ Les micro-rafales descendantes humides et sèches ¾ Les lignes de grains ¾ Les orages noyés dans d'autres nuages ¾ La convection profonde ¾ Les ensembles convectifs d'échelle moyenne © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 5 Qu'est-ce qu'un orage? ¾ Description générale ¾ Extension horizontale typique ¾ Extension verticale typique ¾ Durée de vie typique ¾ Cycle de vie typique d'un orage ¾ Genre nuageux, et nuages associés ¾ Foudre et tonnerre © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 6 Quelle est la taille d'un orage typique? ¾ Extension horizontale ¾ Rayon ~ de l'ordre d'une dizaine de kilomètres ¾ Extension verticale ¾ Hauteur ~ de l'ordre de 30,000 pieds (jusqu'à et parfois au delà de la tropopause) ¾ Durée de vie typique ¾ De l'ordre de 30 minutes © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 7 © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 8 Durée de vie typique d'un cumulonimbus classique ¾ A: Phase de cumulus bourgeonnant (TCU) ¾ ¾ De l'air humide et instable nourrit le développement vertical du nuage Le mouvement ascendant se renforce ¾ B: Phase de maturité ¾ ¾ Glaciation du sommet du cumulonimbus Les mouvements descendants deviennent significatifs ¾ C: Phase de dissipation ¾ ¾ Sommet bien développé en forme d'enclume Les mouvements descendants diminuent © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 9 Durée de vie typique d'un orage classique développement en dissipation © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 10 Cumulonimbus, Towering Cumulus et Cumulus © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 11 Modèle conceptuel d'une super-cellule sens de déplacement ascendance continue descendances continues Structure d'une super-cellule © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 12 Nuages accompagnant un orage ¾ En suivant le cycle classique d'un orage ¾ Nuage cumulus (Cu) ¾ Towering cumulus (TCu) ¾ Cumulonimbus (Cb) nuage d'orage ¾ Souvent des stratus bas (St) se forment dans les précipitations à la base de l'orage ¾ Souvent, l'apparition d'altocumulus castellanus matinaux, petites tours nuageuses de l'étage moyen, sont les précurseurs d'activité orageuse plus tard dans la journée © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 13 Altocumulus Castellanus: Exemples dans des atlas de nuages ¾ Penn State Cloud Atlas (à partir du Karlsruhe Wolkenatlas, utilisé avec la permission Bernhard Muehr) ¾ http://www.ems.psu.edu/~lno/Meteo437/atlas.html ¾ http://www.ems.psu.edu/~lno/Meteo437/clouds/Accastellanus2.jpg © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 14 Stratus et nuage de rouleau à la base d'un orage © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 15 Nuages Cumulus © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 16 Cumulonimbus © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 17 La foudre ¾ La foudre = décharge d'électricité statique entre deux régions qui présentent une grande différence de potentiel. Des différences de potentiel de plus de 400kV/m ont été enregistrées. ¾ Types de décharge ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ Intra nuage Inter nuage Nuage vers sol Sol vers nuage Eclair dans le bleu ¾ Environ 80% des décharges se produisent entre les nuages © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology Création de champs électriques au sein de CB ¾ Les mécanismes ne sont actuellement pas entièrement expliqués, mais ce qui suit est une des théories les plus connues. ¾ Les champs électriques sont crées pendant le stade de développement d'un CB. A partir du moment ou des grêlons suffisamment gros se sont formés, en tombant, ils rencontrent de plus petits cristaux de glace. ¾ Au moment de la collision, il y a un transfert de charges électriques : ¾ Les cristaux de glace sont chargés positivement ¾ Les grêlons sont chargés négativement © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology Création de champs électriques au sein de CB ¾ Les grêlons, plus lourds et chargés négativement tombent vers la base du nuage→ créant une région chargée négativement à la base du nuage. ¾ Les cristaux de glace chargés positivement, plus légers, sont entraînés par les courants ascendants vers le sommet du nuage créant une région chargée positivement au sommet du nuage. Nuage bi-polaire © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology ++ ++ + - - - - Création de champs électriques au sein de CB ¾ La base du nuage, chargée positivement extrait des ions positifs de l'atmosphère ¾ Cela créé une bulle positive dans le nuage à proximité de sa base →nuage tri-polaire ++ + + + ++ - - ++ + + --- © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology + Méchanisme ¾ L'air est un très bon isolant, qui peut donc contenir une charge électrique importante ¾ Par voie de conséquence, les charges électriques s'accumulent, jusqu'au point où le diélectrique atmosphérique claque ¾ Ce claquage se réalise sur d'étroits chemins ¾ Il sont appelés "précurseurs" ou “leaders” ¾ Les précurseurs se fractionnent, se ramifient ¾ L'ensemble des précurseurs = précurseur échelonné ¾ A partir du moment où le précurseur échelonné se rapproche de la terre → il y a connection avec les charges présentes à la surface terrestre et c'est la décharge retour © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology Méchanisme ¾ C'est cette décharge retour qui est clairement visible à l'oeil nu ++ +++ -- -- - ++ +++ - - -----+ + + + ++ + + + + + © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology ++ +++ + -+- -----+ + + + + Autres types de foudre ¾ Foudre en boule – très mal expliquée ¾ Farfadet (Red sprite) – éclair rouge émanant des cumulonimbus et atteignant la stratosphère ¾ "Jet bleu" (Blue jet) – éclair bleu et conique émanant du centre d'un orage atteignant l'atmosphère. © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology Les conséquences de la foudre ¾ A l'aéronef ¾ Perturbe les communications ¾ Dégats structuraux très limités ¾ Enflamme le carburant, en particulier lors des opérations au sol ¾ Aux personnes ¾ Electrocution ¾ Choc, désorientation, aveuglement temporaire © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 25 Le tonnerre ¾ Le tonnerre correspond à l'onde de pression sonore provoquée par la détente de l'air chauffé instantanément jusqu'à 30 000°C. Cet air surchauffé se détend rapidement, et se contracte lorsqu'il se refroidit. Cette rapide expansion/contraction génére des ondes sonores, provoquant un son appelé tonnerre. © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology air humide Modèle conceptuel de microrafales sèches (microburt) micro-rafale sèche front de rafales air sec poussière © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 27 Mise en évidence des micro-rafales au cours d'observation en vol ¾ Les descendances accompagnant les micro-rafales percutent le sol et s'étalent horizontalement en s'éloignant du coeur du jet descendant ¾ Les pilotes doivent surveiller l'apparition à la surface du sol d'anneaux et de panaches ascendants de poussière au voisinage du front de rafale © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 28 Micro-rafales sèches typiques ¾ Environnement: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ Basses couches sèches (chaude & séche sous les nuages) Niveaux moyens humides Faible cisaillement au niveau du sol Peuvent se développer en dehors des orages Cumulus à bases élévées ou altocumulus accompagnent souvent les micro-rafales les plus conséquentes ¾ Précipitations? ¾ Soit très faibles ou n'atteignent pas le sol (virga) ¾ Initialisées par le refroidisssement du à l'évaporation: ¾ L'évaporation des précipitations refroidit l'air ¾ Cela conduit à une densité accrue, et par la même une flottabilité négative (vers le bas) © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 29 Micro-rafales descendantes sèches © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 30 Modèle conceptuel des microrafales humides air sec micro-rafale humide air humide intrusion d'une descendance pluie micro-rafale pluie initialisation de la micro-rafale © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 31 Micro-rafale humide typique ¾ Precipitation? ¾ La micro-rafale accompagne un chute de pluie importante ¾ Environment ¾ Se produit en association avec des orages ¾ Faible cisaillement vertical du vent ¾ Couche humide surmontée d'une couche séche ¾ Initialisée par ¾ Les goutellettes qui s'évaporent dans l'air sec le refroidissent et il se retrouve descendant au sein du nuage ¾ L'air froid et dense accompagne alors l'entraînement par les précipitations qui produit des vents descendants violents © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 32 Micro-rafale descendante humide Le front de rafales est présent © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 33 Les branches correspondant aux micro-rafales dans un arbre de décision/système expert ¾ Fixer l'existence de micro-rafales en utilisant l'arbre de décision de John Colquhoun : ¾ Colquhoun, J. R., 1996, “A Decision Tree Method of Forecasting Thunderstorms, Severe Thunderstorms and Tornadoes Revisited” in Proceedings of the Australian Severe Thunderstorm Conference, 28 July - 2 August 1996, Avoca Beach, New South Wales, Bureau of Meteorology, Melbourne, Australia >>>> © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 34 Micro-rafale sèche Micro-rafale humide © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 35 Micro-rafale humide © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 36 Ligne de grains ¾ Une ligne allongée d'orages ¾ Des orages côte à côte ou proches et formant une ligne ¾ Se développent au départ par un méchanisme de forçage en alignement ¾ Ce forçage peut-être d'origine frontale mais plus fréquemment réalisé sur une convergence pré-frontale ¾ Souvent associé à de fortes rafales de vent © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 37 Convection profonde ¾ Phénomènes tropicaux; ¾ Tempêtes tropicales, cyclones tropicaux, typhons et ouragans ¾ Exemple: Cyclone tropical Rosita ¾ http://www.bom.gov.au/weather/wa/cyclone/about/broome/rosita.shtml ¾ Amas convectifs d'échelle moyenne ¾ Dépend de la divergence de haute troposphère, important facteur de convection © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 38 Tempêtes tropicales ¾ Exemple ¾ Tempête tropicale Dan - ~ 11:04 UTC, 6 Juillet 1996 ¾ Etait-ce un cas de turbulence forte associé à de la convection profonde? ¾ Situation: ~ 25º N et 142º E ¾ Trajectoire de la tempête: ¾ http://www.metoffice.com/sec2/sec2cyclone/tctracks/nhem96/dan.gif ¾ Imagerie satellite de l'Université du Wisconsin: ¾ http://cimss.ssec.wisc.edu/tropic/archive/1996/storms/dan/dan.html © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 39 Cyclone tropical, Rosita 17 – 22 Avril 2000 © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 40 Orages noyés dans d'autres nuages ¾ Des orages qui se développent au sein de vastes zones de nuages stratiformes ¾ Consulter l'imagerie satellitaire ¾ Consulter les cartes du temps significatif © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 41 Orages noyés dans d'autres nuages terre Air sec Air humide Nuages orageux sommets 40 000 pieds région de convergence du vent © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 42 Ensembles convectifs d'échelle moyenne ¾ Un grand nombre de cellules orageuses très proches ¾ Un amas de Cb avec des facteurs propres qui entretiennent son existence ¾ Un tel amas peut excéder un diamètre de 500 km ¾ Entretenu par de la divergence de haute troposphère © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 43 Résumé ¾ Peu importe le type d'orage ¾ Tous les aéronefs doivent éviter la rencontre avec un orage ¾ Orage fort ou faible ¾ Tous les aéronefs doivent éviter tous les types d'orage ¾ Tous les orages sont la source de nombreux phénomènes significatifs réunis par une seule cause © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 44 Se poursuit par : Impact des situations orageuses pour les opérations aériennes © Copyright Commonwealth of Australia 2006, Bureau of Meteorology 45
