Le cisaillement du vent est une difference de la vitesse ou de la direction du vent entre deux points suffisamment proches dans l' atmosphere . Selon que les deux points de reference sont a des altitudes differentes ou a des coordonnees geographiques differentes, le cisaillement est dit vertical ou horizontal . Il provoque une instabilite de Kelvin-Helmholtz qui se traduit par de fortes turbulences au niveau de la couche de friction.

Il s'agit d'un phenomene differentiel dont la cause peut aussi bien etre de micro-echelle , comme une eolienne , que d' echelle synoptique comme une zone frontale . Il est aussi implique dans le developpement des orages multicellulaires et supercellulaires , dans la cyclogenese tropicale . Il est communement observe pres des rafales descendantes d'orages, des courants-jets , des montagnes, des zones d'inversion de temperature des batiments, des eoliennes, des navires a voile,  etc. C'est un des dangers majeurs pour les avions au decollage et a l'atterrissage sur certains aeroports.

Definition [ modifier | modifier le code ]

A grande echelle le mouvement de l'air au sein de l'atmosphere se repartit suivant des couches superposees ou la vitesse du vent horizontal est beaucoup plus grande que celle du vent vertical. Cependant, dans des regions donnees et durant un certain temps, des changements notables et persistants de la direction et de la vitesse de deplacement de l'air sont observes. De telles variations locales du vent sont appelees des cisaillements. On parle de cisaillement vertical lorsque la vitesse ou la direction du vent changent en se deplacant verticalement dans une couche atmospherique, et de cisaillement horizontal lorsque ces variations se produisent le long d'une trajectoire voisine de l'horizontale ^{[ 1 ]} .

Le video ci-contre montre un cisaillement des vents dans la verticale. Les nuages se deplacant avec les vents, ils sont un bon traceur de la force et la direction a differents niveaux. Quand on modelise la meteo ou le deplacement d'un panache de pollution , ou qu'on se deplace en ballon dirigeable , une bonne prise en compte des effets de cisaillement est essentielle.

Les pilotes d'avion considerent generalement qu'un cisaillement du vent important correspond a une variation horizontale de la vitesse de 30 nœuds ( 15 m/s ) pour les avions legers et de pres de 45 nœuds ( 23 m/s ) pour les avions de ligne a l'altitude de vol ^{[ 2 ]} .

Occurrences [ modifier | modifier le code ]

On retrouve des cisaillements verticaux et horizontaux partout ou des differences de masses d'air ou des changements dus au relief terrestre se produisent. Ceux-ci comprennent ^{[ 1 ]}  :

• A la rencontre de fronts meteorologiques , lorsque la difference de temperature entre les deux masses d'air en collision est de plus de 5   °C , ou lorsque le front se deplace a plus de 7,5   m/s , des vents cisaillants sont susceptibles d'etre observes. Etant donne la nature tridimensionnelle des fronts, ce genre de cisaillement peut etre note a toutes altitudes entre la surface et la tropopause  ;
• Pres des obstacles orographiques alors que le vent souffle de la montagne , du cisaillement peut etre observe au-dessus du versant sous le vent . De facon inverse, le vent remontant la pente produira un cisaillement vertical au vent  ;
• Au sommet d'une couche d'inversion , particulierement lors de des nuits calmes et claires, une couche d'inversion peut se former au niveau du sol par radiation . Etant donne 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'a 20 m/s). Rarement, il peut meme se former un courant-jet de bas niveau pouvant causer de severes difficultes a la navigation aerienne  ;
• Dans les regions cotieres ou les vallees en regime de brise , il y a cisaillement horizontal a la limite de la zone de brise ;
• A la rencontre d'une rafale descendante et de l'air environnant, dans les mesocyclones contenus dans certains orages,  etc.

Cisaillement vertical [ modifier | modifier le code ]

Equilibre du vent thermique [ modifier | modifier le code ]

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

Effet sur les cyclones tropicaux [ modifier | modifier le code ]

Les cyclones tropicaux sont des moteurs thermiques dont la source chaude est la surface oceanique tropicale et la source froide une tropopause tropicale tres froide. Les cyclones tropicaux necessitent des cisaillements de vent verticaux faibles de facon que le cœur chaud puisse rester au-dessus du centre de la circulation en surface et permette un renforcement du cyclone. Un cisaillement de vent casse ce mecanisme, et les cyclones presentant un fort cisaillement de vent faiblissent rapidement, le centre de circulation en altitude se trouvant ecarte du centre de circulation au sol.

Effet sur les orages [ modifier | modifier le code ]

Les orages severes, qui peuvent produire des tornades et des averses de grele, beneficient d'un cisaillement de vent vertical qui allonge leur duree de vie en separant la region de convection de la zone de precipitations qui se trouve alors dans la region subsidante . Un jet de basse couche peut aggraver un orage en augmentant le cisaillement de vent vertical a basse altitude. Un orage sans cisaillement de vent faiblit des que l'air subsidant atteint le sol et se repand dans toutes les directions, coupant ainsi l'alimentation chaude de la convection. Au contraire, avec un cisaillement vertical suffisant, nous ne sommes plus en presence de cellules orageuses simples mais de multicellules ou de supercellules .

Cisaillement horizontal [ modifier | modifier le code ]

Le cisaillement horizontal consiste en une variation de la vitesse et/ou de la direction du vent perpendiculairement au sens de l'ecoulement. Il donne naissance a des tourbillons dont le sens de rotation depend du sens de variation de la vitesse par rapport a celui du courant. Ceci donne ^{[ 1 ]}  :

• A grande echelle de la convergence dans les creux barometriques (ou thalweg) , permettant la cyclogenese de nuages, et de la divergence dans les cretes (ou dorsales) ou les nuages de dissipent ;
• A meso-chelle, la formation de tourbillons de poussiere et de l'initiateur de tornades et trombes marines .

Le cisaillement horizontal peut aussi avoir un effet lineaire comme a la sortie d'une vallee par vent de couloir , le long du front de brise ou le long d'un front de rafales . Le changement donne un vent de travers localise parfois dangereux.

Dangers [ modifier | modifier le code ]

Les vents cisaillants sont connus pour perturber les aeronefs, plus particulierement lors du decollage et de l'atterrissage en perturbant la vitesse du vent relatif ou en produisant des turbulences .

Vents cisaillants et securite aerienne [ modifier | modifier le code ]

Les vents cisaillants sont tres dangereux pour l'aviation lorsque l'aeronef est proche du sol a faible vitesse, c'est-a-dire a l’ atterrissage ou au decollage . Cela peut entrainer une perte soudaine de portance , autrement dit provoquer un decrochage de l'avion et le faire s'ecraser au sol, si le pilote n'a pas eu le temps de reagir ou si ses manœuvres ont ete vaines. Ces cisaillements peuvent etre relies a des effets de relief, de fortes brises, des vents de couloir , le passage de cumulonimbus violents ^{[ Note 1 ]} ,  etc.

Ainsi, l' Aeroport international de Hong Kong sur l'ile de Lantau cumulant plusieurs des causes de cisaillement (zone de montagne, zone cotiere, zone tropicale) a ete conduit a s'equiper d'un dispositif tres lourd et complet de suivi des vents pour proteger le trafic aerien comprenant pas moins de deux lidars , deux profileurs , un radar meteorologique et une centaine de bouees qui mesurent le vent en mer.

Entre 1964 et 1985, le cisaillement du vent a ete directement ou indirectement relie a 26 catastrophes aeriennes civiles majeures aux Etats-Unis , causant 620 morts et 200 blesses. De ces accidents, 15 se sont produits pendant le decollage, 3 pendant le vol et 8 lors de l'atterrissage. Depuis 1995, le nombre d'incidents relies au cisaillement du vent ont pu etre reduits a un peu moins d'un par decennie , grace aux dispositifs integres aux aeronefs et aux radars Doppler plus precis. Exemples d'accidents auxquels des cisaillements ont contribue :

• Vol 191 Delta Air Lines (1985) ;
• Vol Avianca 52 (1990) ;
• Vol 269 One-Two-Go Airlines en Thailande (2007) ;
• Vol 80 de FedEx Express le 23 mars 2009, a Tokyo [video] [1]  ;
• Vol 981 Flydubai le 19 mars 2016 a Rostov-sur-le-Don .

Effets du rechauffement climatique sur le cisaillement synoptique [ modifier | modifier le code ]

Le gradient de temperature de l'air entre l’ equateur terrestre et les poles influe sur certaines caracteristiques des courants de jets au niveau de la troposphere ^{[ 4 ]} . Or le rechauffement climatique modifie ce gradient (et d'autres caracteristiques de l'atmosphere, notamment au-dessus de l'Atlantique nord ^{[ 5 ]} ). Le dereglement climatique anthropique semble a cette altitude ne pas avoir eu durant l'histoire des mesures satellitaires (fin ses annees 1970 et 2015), d'effets sur la vitesse du vent par zone dans le courant-jet polaire de l’Atlantique Nord a 250   hPa , mais il a en revanche significativement modifie l'effet de cisaillement vertical (evolution de la vitesse du vent en fonction de l’altitude), qui a augmente de 15 % durant cette periode (avec une amplitude de 17 %) ^{[ 6 ] , [ 7 ] , [ 8 ] , [ 9 ]} .

Cela se traduit notamment par des effets plus importants que prevu du changement climatique sur le courant-stream de l'Atlantique Nord (dont une tendance a augmenter la turbulence de l'air par beau temps pour les avions et autres aeronefs dans le corridor des vols transatlantiques ^{[ 9 ] , [ 10 ] , [ 11 ]} ). Ce type d'effets du changement climatique et de la variabilite sur le jet-stream en altitude avaient en partie ete caches par une tendance a focaliser les mesures sur la vitesse du vent plutot que sur le cisaillement ^{[ 4 ]} .

Notes et references [ modifier | modifier le code ]

Notes [ modifier | modifier le code ]

References [ modifier | modifier le code ]

Voir aussi [ modifier | modifier le code ]

Articles connexes [ modifier | modifier le code ]

• Rafale descendante
• Hodographe
• Profileur de vents
• Cumulonimbus et aviation

Liens externes [ modifier | modifier le code ]

• (en) National Science Digital Library - Cisaillement du vent

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