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Le Cumulonimbus et les
phénomènes associés
Le CB
Le CB et les phénomènes significatifs
description
le CB au stade de maturité
organisation
les phénomènes significatifs
les régions tropicales
tornade ou trombe
les régions tempérées
le front de rafales
dynamique des nuages convectifs
la rafale descendante
cellule ordinaire
le foudroiement
cellule vigoureuse
la grêle
cellule géante et système
précipitations et visibilité,
multicellulaire
contamination de la piste,
Orage
cisaillement du vent, givrage,
définition
turbulence
électrisation d'un nuage orageux (3)
éclairs et tonnerre
QUITTER
Le cumulonimbus
Première
diapositive
2
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
Première
diapositive
3
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)
Première
diapositive
4
Organisation (2/3)
• Les régions tropicales
en lignes de convections ou en forme
d’ondes (tendance ordonnée)
amas nuageux (à tendance grégaire),
lignes, avec déplacements et
évolutions rapides en quelques
heures
en forme caractéristique de
tourbillon tropical

Première
diapositive
5
Organisation (3/3)
• Les régions tempérées
F
– 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
3
C
F
1
2
3
C
1 CB d'air froid (traîne) parfois organisés en ligne  front froid secondaire
2 CB d'air chaud noyés  frontaux
3 CB d'air chaud, peuvent s'organiser en ligne de grains
Première
diapositive
6
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
Première
diapositive
7
Dynamique des nuages convectifs (2/4)
• Evolution d'une cellule ordinaire
Z Profil du vent
5 km
Vent
CU
Nuages
précipitations
Courants
verticaux
TCU
CB calvus
1-2 m/s  15-30 m/s
Stades
d'évolution
Formation
Durée de vie
Première
diapositive
CB capillatus SC-CU-AC
cumulonimbogéntus
(SH)
(RA)
15-30 m/s
1-5 m/s
10-15 m/s
Maturité
Dissipation
45/60'
8
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
Première
diapositive
9
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
Première
diapositive
10
Orage
Première
diapositive
15
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
Première
diapositive
tonnerre
Orage (TS)
16
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.
Ionosphère
++++
100 à 150 V/m
Terre
-----
La répartition des charges électriques à
l'intérieur d'un CB est liée à la distribution
des éléments constitutifs du nuage
+24C
+ +++ + +
(gouttelettes, et cristaux), des
précipitations, de la température, des
++ +
- - -20C
courants verticaux (frottement,
- - collision…).
0°C
++ + + +4C
Le début d'intensification du champ
+
+
électrique suit l'apparition dans le nuage
Distribution moyenne des charges
de fortes précipitations sous forme de
électriques à l'intérieur d'un CB.
neige roulée ou de grêle
(1 Coulomb = 3600 A.h)
Première
diapositive
17
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
Cette décharge relâche des électrons
libres qui neutralisent la petite poche de
charges >0, 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.
Arrivé à 10/100 m du sol un traceur de
connexion (étincelle glissante) part du
sol pour venir à sa rencontre.
0°C
0°C
+ +++ + +
++ +
- - - - ++ + +
+
+
+ +++ + +
++ +
- - - - +- - - +
+
+
progression
par bonds de
50 en 50 m
1/100es
+ ++
Première
diapositive
18
+++ + +
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.
Si des électrons sont fournies au
sommet de la précédente décharge, 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
Première
diapositive
0°C
++ +
- - - - + -- +
+ +
1/10es
+ ++
0°C
intensité 1 à 2 104 A
- - - - +
+
+
+
+ ++
19
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
Première
diapositive
20
Le CB et les phénomènes significatifs
Première
diapositive
Le CB au stade de maturité
Courants ascendants :  6000'/mn
Courants descendants :  3000'/mn
Fortes précipitations (visibilité)
Grêle
Orage
Turbulence
0°
Givrage
2
Première
diapositive
1
Front de rafales
2
Rafale descendante
3
Tornade
1
3
22
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
Première
diapositive
23
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
Première
diapositive
25
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
microburst
– étendue horizontale de 4 km ou moins
– vent de surface pouvant atteindre 120 kt
– durée de vie de 5 à 30 mn
– vent de surface pouvant atteindre 150 kt
– durée de vie de moins de 10 mn
2000'/mn
2000'/mn
4000'/mn
4 km
4 à 40 km
Première
diapositive
26
Le foudroiement (1/3)
Sortie finale
Entrée finale
Balayage
Sortie initiale
Entrée initiale
Dans 95% des cas c’est l ’avion qui déclenche le foudroiement.
Pour les 5% restant, il intercepte un leader.
Première
diapositive
27
Le foudroiement (2/3)
foudroiement
intra-nuage
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.
Première
diapositive
foudroiement nuage-nuage
foudroiement nuage-sol
28
Le foudroiement (3/3)
Première
diapositive
29
La grêle (1/3)
– 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)
suivant structure et densité
– particule de neige roulée ou grésil
– 1 neige roulée : congélation
3
1
rapide de petites gouttelettes  -20°
aspect opaque avec bulles d'air
emprisonnées,  = 0,1 à 0,7
– 2 grésil : congélation plus lente
de gouttelettes aspect
0°
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
Première
diapositive
30
60
50
vitesse en m/s
La grêle (2/3)
éjection verticale (b)
vent
40
30
20
v  14. D
10
2
(c)
3
0 (a)
éjection latérale
1
4
5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
diamètre en cm
Relation approchée liant vitesse de
chute (m/s) et diamètre (cm) à une
pression voisine de 1000 hPa
couches concentriques alternées
opaque et transparente
Première
diapositive
11
31
12
La grêle (3/3)
Conséquences aéronautiques :
dégâts sur la structure de l’avion,
pare-brise cassé, problèmes moteur,
ingestion de grêlons…
Première
diapositive
32
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.
WS
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.
Première
diapositive
33
Le Cumulonimbus et les
phénomènes associés
Première
diapositive
FIN