Cisaillement (météorologie)

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Nuages de type cirrus avec des signes de vents cisaillants en haute altitude

Le cisaillement du vent est une différence de la vitesse ou de la direction du vent entre deux points suffisamment proches de l'atmosphère. Selon que les deux points de référence sont à des altitudes différentes ou à des coordonnées géographiques différentes, le cisaillement est dit vertical ou horizontal. Il provoque une instabilité de Kelvin-Helmholtz qui se traduit par de fortes turbulences au niveau de la couche de friction.

Le cisaillement peut être décrit par ses composantes horizontales et verticales. Le cisaillement du vent horizontal observé à proximité des côtes (brise de mer/brise de terre) et des fronts de perturbation, et les cisaillement du vent vertical apparaissant typiquement près du sol, quoiqu'il puisse aussi apparaître dans le voisinages de jets de tropopause ou dans le haut des zones frontales.

Il s'agit d'un phénomène différentiel, donc de microéchelle, mais sa cause peut aussi bien être de microéchelle comme une éolienne ou d'échelle synoptique comme un front de perturbation. Il est communément observé près des rafales descendantes d'orages, des jets de basse couche, des montagnes, des zones d'inversion de température des bâtiments, des éoliennes et des navires à voile. C'est un des dangers majeurs pour les avions au décollage et à l'atterrissage sur certains aéroports. Par exemple, l'Aéroport international de Hong Kong sur l'ile de Lantau cumulant plusieurs des causes ci-dessus (zone de montagne, zone côtière, zone tropicale) a été conduit à s'équiper d'un dispositif très lourd et complet de suivi des vents pour protéger le trafic aérien comprenant pas moins de deux lidars, deux profileurs, un radar météorologique et une centaine de bouées qui mesurent le vent en mer. Le cisaillement du vent vertical dans la troposphère a tendance à inhiber les cyclones mais favorise le développement des orages en orages multicellulaires ou supercellulaires.

Occurrences

À la rencontre de fronts météorologiques.

Lorsque la différence de température entre les deux masses d'air en collision est de plus de 5 Kelvins, ou lorsque le front se déplace à plus de 7,5 m/s, des vents cisaillants sont susceptibles d'être observés. Étant donné la nature tridimensionnelle des fronts, ce genre de cisaillement peut être noté à toutes altitudes entre la surface et la tropopause.

Près des obstacles orographiques.

Lorsque le vent souffle de la montagne, du cisaillement peut être observé au-dessus du versant sous le vent.

Au sommet d'une couche d'inversion.

Lors des nuits calmes et claires, une couche d'inversion peut se former au niveau du sol par radiation. Étant donné que la friction n'affecte plus le vent au-dessus de la couche, ce dernier peut changer de direction (parfois plus de 90°) et de vitesse (jusqu'à 20 m/s). Rarement, il peut même se former un courant-jet de bas niveau, ce qui peut causer de sévères difficultés à la navigation aérienne.

À la rencontre d'une rafale descendante et de l'air environnant.

Cisaillement vertical

Équilibre du vent thermique

Article détaillé : Vent thermique.

Le vent thermique est la forme la plus connue de cisaillement de vent. Il s'agit de la variation avec l'altitude du vent géostrophique sous l'effet de la baroclinie, c'est-à-dire d'un gradient horizontal de température.

Effet sur les cyclones tropicaux

Article détaillé : Cyclogénèse tropicale.

Les cyclones tropicaux sont des moteurs thermiques dont la source chaude est la surface océanique tropicale et la source froide une tropopause tropicale très froide; Les cyclones tropicaux nécessitent des cisaillements de vent verticaux faibles de façon que le cœur chaud puisse rester au-dessus du centre de la circulation altitude et permette un renforcement du cyclone. Un cisaillement de vent casse ce mécanisme, et les cyclones présentant un fort cisaillement de vent faiblissent rapidement, le centre de circulation en altitude se trouvant écarté du centre de circulation au sol.

Effet sur les orages

Article détaillé : Orage.

Les orages sévères, qui peuvent produire des tornades et des averses de grêle, bénéficient d'un cisaillement de vent vertical qui allonge leur durée de vie en séparant la région de convection de la zone de précipitations qui se trouve alors dans la région subsidante. Un jet de basse couche peut aggraver un orage en augmentant le cisaillement de vent vertical à basse altitude. Un orage sans cisaillement de vent faiblit dès que l'air subsidant atteint le sol et se répand dans toutes les directions, coupant ainsi l'alimentation chaude de la convection. Au contraire un cisaillement vertical suffisant, nous ne sommes plus en présence de cellules orageuses simples mais de multicellules ou de supercellules.

Effets

Les vents cisaillants sont connus pour perturber les aéronefs, plus particulièrement lors du décollage et de l'atterrissage en perturbant la vitesse du vent relatif ou en produisant des turbulences.
Ils sont un facteur clé régissant l'intensité des orages violents (orages supercellulaires) et des orages tornadiques.
Ils inhibent le développement des cyclones tropicaux.

Vents cisaillants et sécurité aérienne

Effets de vents cisaillants lors d'une approche d'aéroport

Les vents cisaillants sont très dangereux pour l'aviation lorsque l'aéronef est proche du sol à faible vitesse, c'est-à-dire, à l’atterrissage ou au décollage. Cela peut entraîner une perte soudaine de portance, autrement dit provoquer un décrochage de l'avion et le faire s'écraser au sol, si le pilote n'a pas eu le temps de réagir ou si ses manœuvres ont été vaines.

Entre 1964 et 1985, le cisaillement du vent a été directement ou indirectement relié à 26 catastrophes aériennes civiles majeures aux États-Unis, causant 620 morts et 200 blessés. De ces accidents, 15 se sont produits pendant le décollage, 3 pendant le vol et 8 lors de l'atterrissage. Depuis 1995, le nombre d'incidents reliés au cisaillement du vent ont pu être réduits à un peu moins d'un par décennie, grâce aux dispositifs intégrés aux aéronefs et aux radars Doppler plus précis.