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Cisaillement de vitesse et type d'orages

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ORAGE31   
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Bonjour,

 

Je voudrais savoir qu'elles étaient les valeurs de cisaillements de vitesse ( et entre quels niveaux on doit les retrouver) pou produire un QLCS et un dérécho.  Il me semble qu'il faut au moins du 25/30 m/s sur la tranche  0-6 km et du 10/15 m/s entre 0 et 3 km pour le dérécho. Je me trompe ?

 

Et concernant les QLCS et bow échos ?

 

Merci d'avance ;)

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kami   

Question complexe à laquelle le cisaillement ne peut répondre seul.

 

Déjà, le QLCS englobe toutes les organisations linéaires (ou pseudo-linéaires) donc on ne peut donner des valeurs pour cela. Après, si tu entends ligne de grains, là, cela restreint le type d'organisation.

 

Dans la "philosophie", avant de partir sur le cisaillement, pour avoir une structure linéaire active, les américains insistent sur le fait d'avoir un forçage linéaire = anomalie en altitude et/ou convergence en basses couches (ou plus complexe : courant de densité d'une autre structure).

 

Ensuite, tout est lié à la CAPE et au cisaillement. Plus les 2 sont élevés et plus on risque d'aboutir à une structure linéaire active avec généralement dans l'ordre (j'entends par là des cas nécessitant le "moins" de CAPE / CIS aux cas avec le plus) : ligne de grains, échos arqués, LEWP et derechos (qui n'est pas une organisation en soi mais plutôt un système orageux ayant provoqué des rafales violentes sur un vaste domaine sur une certaine période).

 

Sinon, pour le CIS, tu peux normalement préférer le 0-3 km pour les structures en ligne (0-6 pour les supercellules). A partir du seuil 15 m/s (30 KT), tout devient possible en fonction des valeurs de CAPE.

 

Voilà pour les grandes lignes en espérant que cela réponde à ta question. Mais plus de détails rendrait la réponse plus complexe !!!

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Damien49   

Le cisaillement n'est pas affaire de quantité, mais de qualité.

 

Un cisaillement peut aussi être déstructurant.

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Arkus   

Il faudrait que tu détailles, Damien, je ne suis pas sûr de bien comprendre. Dans quelles conditions tu considères qu'un cisaillement est déstructurant ?

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ORAGE31   

Bonjour,

 

Merci de vos réponses ;). Entre temps, une personne qui s'y connait très bien a pu me détailler les critères empiriques:

 

QLCS: CAPE > 1000 J/kg,  cisaillement 0-3 km > 20kt, cisaillement 0-6 km > 30kt

Derecho: CAPE > 1500J/kg, cisaillement 0-3 km  > 30kt,  cisaillement  0-6 km  > 40 kt 

 

Avec une convergence et forçage de tropopause linéaire. Bien sur, là, on parle des systèmes orageux estivaux.  

 

Sinon effectivement, si on n'a les memes valeurs de cisaillement, avec une convergence peu profonde et structurée, et une forçage d'altitude relativement anarchique et non linéaire, on n'aurait plutôt à faire des amas multicellulaires.

 

Après, si je ne dis pas bêtise, il me semble que ces valeurs de cisaillement pris dans un environnement de type marais barométrique, peuvent donner des monocellulaires qui auraient tendance à se déstructurer ( c'est ce que dont parle Damien peut-être). 

Modifié par ORAGE31

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Il y a 18 heures, Arkus a dit :

Il faudrait que tu détailles, Damien, je ne suis pas sûr de bien comprendre. Dans quelles conditions tu considères qu'un cisaillement est déstructurant ?

 

Le cisaillement présente à la fois des effets néfastes et des effets bénéfiques pour la convection. C'est en ce sens qu'il parle de qualité du cisaillement, c'est pour souligner qu'il faut un bon compromis entre la dynamique propre aux ascendances convectives (effets de flottabilité) et l'environnement de plus grande échelle. Par exemple, pour des poussées convectives relativement faibles par rapport au cisaillement, l'environnement a tendance à devenir "hostile" et celles-ci n'interagissent pas avec de manière constructive. Dans l'ouvrage de Paul M., on a une belle illustration d'ascendance qui va se coucher, broyée par son environnement :

 

70460243fz.png

Modifié par Higurashi

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kami   

Dans l'esprit, le cisaillement va avoir pour effet bénéfique de dissocier ascendances et subsidences au sein de la cellule orageuse. Ainsi, au lieu que les subsidences se fassent là où ont lieu les ascendances (schéma de l'orage monocellulaire qui n'a que 30-45 min de durée de vie), elle seront séparées et auront au contraire tendance à se renforcer mutuellement. On arrivera donc à des structures plus vigoureuses et plus durables.

 

Mais après, un cisaillement trop fort sera un frein lors du déclenchement de la convection comme l'illustre bien Markowski.

 

Et si l'atmosphère est assez sèche, c'est encore pire que cela va entraîner de l'air extra-nuageux dans la colonne ascendante. De l'évaporation va se produire et cela a pour effet de refroidir cette colonne ascendante et donc la rendre moins instable.

 

Il y a 12 heures, ORAGE31 a dit :

Après, si je ne dis pas bêtise, il me semble que ces valeurs de cisaillement pris dans un environnement de type marais barométrique, peuvent donner des monocellulaires qui auraient tendance à se déstructurer

 

Dans ta remarque, il y a juste une petite incohérence : tu peux difficilement avoir du cisaillement modéré à fort, alors que le champ de Pmer (et donc le flux) est mou à la surface. Cela peut arriver mais c'est assez rare...

 

Par contre, pour les critères d'organisation en ligne, la priorité est le cisaillement 0-3 km.

 

Et ensuite, on ne parle même pas si c'est unidirectionnel ou tournant ;)

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Arkus   

Ok je vois, c'est effectivement à ça que je pensais aussi pour un cas déstructurant. Conceptuellement, on peut supposer que c'est problématique si le cisaillement allonge l'ascendance plus vite que l'air ne monte à l'intérieur. Mais on constate que le problème ne vient pas du cisaillement à lui seul mais d'autres conditions défavorables : dans l'illustration, je présume qu'il y a une forte inhibition, ça peut être un air trop sec ou tout simplement pas assez d'instabilité. Au final, dans ces conditions, est-ce qu'on peut vraiment imaginer avoir des développements plus importants si on a juste un cisaillement plus faible ?

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ORAGE31   

Merci pour les réponses. 

 

Donc les cisaillements 0-6 km ne sont pas intéressant pour les structures de type QLCS/Derecho ? 

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Il y a 1 heure, Arkus a dit :

Mais on constate que le problème ne vient pas du cisaillement à lui seul mais d'autres conditions défavorables : dans l'illustration, je présume qu'il y a une forte inhibition, ça peut être un air trop sec ou tout simplement pas assez d'instabilité.

 

Oui, d'où l’intérêt de regarder si l'on a un bon compromis entre les poussées convectives et l'environnement dans lequel elles évoluent. Il n'y a pas vraiment de valeur type d'un bon ou d'un mauvais cisaillement, ça dépend de pas mal de facteurs et sur ce point je rejoins absolument Damien. Il agit en synergie avec le reste. 

 

 Au final, dans ces conditions, est-ce qu'on peut vraiment imaginer avoir des développements plus importants si on a juste un cisaillement plus faible ?

 

On peut supposer que si l'on réduit le cisaillement dans le cas illustré, ça pourrait être favorable au sens ou l'air environnant serait moins entraîné dans l'ascendance et que cette dernière serait moins inclinée (on aurait ainsi moins d'énergie perdue en mouvement horizontal). Mais c'est évidemment impossible de savoir ce qu'il serait advenu de cette ascendance dans ce cas.

Au passage, on distingue sur la dernière image une zone orageuse qui semble plus organisée vers l'horizon. 

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kami   
Le ‎11‎/‎07‎/‎2017 à 23:42, ORAGE31 a dit :

Donc les cisaillements 0-6 km ne sont pas intéressant pour les structures de type QLCS/Derecho ?

Oui, selon les américains, pour les structures en ligne, le cisaillement est concentré sur 0-3 km alors que pour avoir un environnement favorable aux supercellules, le cisaillement doit être considéré sur une plus grande épaisseur (0-6 km).

 

Mais après, cela n'exclut rien car s'il y a un forçage linéaire, 0-3 ou 0-6 km la réponse se fera en ligne.

 

Le ‎12‎/‎07‎/‎2017 à 01:11, Higurashi a dit :

d'où l’intérêt de regarder si l'on a un bon compromis entre les poussées convectives et l'environnement dans lequel elles évoluent

C'est exactement cela et c'est toute la complexité de la prévision à cette échelle. A très fine échelle, il doit y avoir équilibre entre les tourbillons à axe horizontal générés par le cisaillement vertical de vent d'un côté et par la différence de flottabilité entre plage froide et environnement de l'autre...

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ORAGE31   

Merci ;)

 

On peut se rattraper sur du cisaillement 0-6 km si jamais cela n'est pas très important entre 0-3 km; mais bon, en général, il me semble que le flux à 700hPa est quand meme marqué lorsque celui à 500HPa l'est également. 

 

Par contre, sans forçage linéaire mais avec des cisaillements importants, plutôt de petits lignes multicellulaires ?

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En lisant les propos de kami, ça m'a rappelé les différents modules du MetEd et notamment un qui correspond bien au thème de ce sujet. Il consiste en une matrice d'une vingtaine de simulations faites par un modèle de très fine échelle (modèle non-hydrostatique de Klemp-Wilhelmson) et ou le rôle du cisaillement sur l'organisation des MCS est isolé. Donc on peut le faire varier en choisissant les différents scénarios et ainsi mieux visualiser son rôle. L'environnement thermodynamique est homogène et fixé, et donc en ce sens parfois assez loin du monde réel, mais ce module apporte néanmoins des résultats qui peuvent se généraliser à des situations plus complexes. Le lien du module : https://www.meted.ucar.edu/convectn/mcsmatrix_fr/index.htm (il faut s'inscrire pour le consulter par contre, mais c'est gratuit). 

 

J'illustrerais juste avec deux exemples qui viendront compléter ce qui s'est déjà dit plus haut. 

 

-Le premier exemple présente l'effet que peut avoir la répartition verticale du cisaillement (et l'importance de regarder aussi au-dessus des premiers kilomètres). Il sera présenté 2 simulations pour illustrer. Dans la première, l'environnement est caractérisé par le profil présenté ci-dessous. Une CAPE de 2200 J/kg, un LI de -7, un cisaillement de 20 m/s sur les 2,5 premiers kilomètres et un cisaillement nul sur les 5 premiers kilomètres (le cisaillement s'annule au-dessus de 2,5 km). Celui-ci est également perpendiculaire au système orageux.

 

98430593ma.png

 

Avec ces conditions, le modèle produit une ligne de grain faible comme résumé dans le module : Au début, ce système produit des cellules de convection fortes et organisées en une ligne principale, mais développe rapidement une structure orientée vers l'amont du cisaillement. Elle s'affaiblit rapidement lorsque les cellules de convection sont advecté vers l'arrière, au-dessus du bassin d'air froid en réaction au cisaillement environnemental inversé au-dessus de deux kilomètres et demi. Cette dégénérescence du système est visible sur la visualisation des échos de basses couches :

 

53124021fg.png

 

Dans la seconde simulation, l'environnement présente les mêmes valeurs de CAPE (2200 j/kg) et LI (-7) mais la structure du cisaillement est différente. Le cisaillement est plus faible dans les 2,5 premiers kilomètres (15 m/s) mais plus fort sur les 5 premiers kilomètres (30m/s). Il est toujours perpendiculaire au système orageux.

 

37355833df.png

 

Avec ces conditions, le modèle produit une ligne de grain forte (sur les animations on voit que toute la structure du système en est modifiée). Le résumé indique : Dans l'ensemble, ce cas maintient de fortes cellules de convection, formant une ligne principale avec une structure orientée entre la verticale et l'aval du cisaillement pendant la majeure partie des six heures de simulation, ainsi que de faibles précipitations stratiformes. La convection initiale est plus faible que dans le cas d'un cisaillement  sur une couche plus mince, étant donné qu'elle perd de l'énergie en essayant de se développer contre le cisaillement plus profond. Cependant, les cellules de convection secondaires présentent des caractéristiques supercellulaires, et les supercellules qui se déplacent vers la gauche et vers la droite, qui se divisent de façon symétrique et entrent en collision sont bien visibles sur les animations. Un fort écho en arc se développe entre quatre et cinq heures de simulation, lorsque les bassins d'air froid des différentes cellules se regroupent et se renforcent au fil du temps. 

 

223086mat.png

 

On voit ainsi que le cisaillement de basse couche (2,5 km) n'a pratiquement pas bougé entre les deux cas, mais son extension sur la verticale oui et conduit à des structures très différentes. Il a été montré dans des conditions plus réalistes que le cisaillement supérieur pouvait détériorer ou accentuer les effets du cisaillement de basse couche. Il est donc important d'en tenir compte.

 

-Le deuxième exemple présente les effets de l'orientation du vecteur cisaillement par rapport au système orageux (encore un paramètre important à surveiller donc). Il sera présenté 2 simulations ici également afin d'illustrer cet effet. On a vu précédemment deux cas ou le cisaillement était perpendiculaire au système orageux. On reprendra les caractéristiques de l'environnement de la ligne de grain forte, mais en faisant cette fois tourner le vecteur cisaillement à 45° par rapport à la ligne. Vous pouvez vérifier ci-dessous que seule son orientation est différente (visible sur l'hodographe).

 

475643orien.png

 

Le modèle simule une ligne de grain modéré dans cet environnement. Tout comme dans la simulation précédente, cette simulation produit surtout de fortes cellules de convection formant une ligne principale avec une orientation prédominante vers l'aval du cisaillement jusqu'à six heures de simulation, bien que l'on constate plus de précipitations stratiformes que dans le cas avec cisaillement perpendiculaire, le cisaillement étant cette fois orienté à 45 degrés par rapport à la ligne initiale. Un écho en arc se développe également dans ce cas entre trois heures et demie et cinq heures , mais il est orienté du nord-ouest au sud-est plutôt que du nord au sud (comme dans la simulation précedente), comme le vecteur de cisaillement pointant vers le nord-est le laisserait présager. (Les échos en arc ont tendance à se développer de façon perpendiculaire à la direction du vecteur de cisaillement).

 

949014sic.png

 

Pour la seconde simulation, on oriente maintenant le vecteur cisaillement de façon à ce qu'il se retrouve parallèle au système convectif (visible sur l'hodographe de l'illustration). Encore une fois, aucun autre paramètre n'a été modifié, le but étant d'isoler son effet. 

 

538264parra.png

 

Dans cet environnement le modèle simule une ligne de grain faible. Les cellules initiales sont plus fortes dans ce cas par rapport aux cas perpendiculaire et au cas à 45°, mais maintenant, avec le cisaillement orienté de façon parallèle à la ligne de grain initiale (c.-à-d. qu'aucune composante du cisaillement dans les bas niveaux n'est perpendiculaire à la ligne), le front de rafales avance rapidement vers l'est et l'ouest, sans déclencher de nouvelles cellules importantes. Au lieu de cela, une région désorganisée de cellules faibles se régénère constamment au centre du système, au-dessus de l'air froid de surface.

 

69198039eg.png

 

On voit donc que l'orientation du vecteur cisaillement ou sa répartition sur la verticale, toutes choses étant égales par ailleurs, a le potentiel de défavoriser une ligne de grain organisée ou au contraire de la favoriser.On pourrait continuer longtemps, mais on se doute qu'il va falloir s'armer de bien plus que de valeurs arbitraires de cisaillement pour évaluer le potentiel des organisations convectives. Et on est loin d'avoir couvert tout le sujet. 

A mon sens, des gadgets comme ceux que met à disposition le MetED sont plus intuitifs et pédagogiques, ça permet de mieux cerner à la fois la dynamique de la convection mais également la complexité du sujet. 

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ORAGE31   

Super, merci pour ce module ! ;)

 

On voit bien qu'il fat prendre en compte les cisaillements sur 0-3 km et 0-6 km à la fois, que cela soit la vitesse et la direction. 

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kami   

Merci Higurashi pour tous ces "bons vieux" souvenirs ;)  J'avoue que j'avais un peu perdu de vue la partie cisaillement par rapport à l'axe de la ligne. On a eu pas mal de cas qui répondent à cela et vont donc s'organiser un peu différemment.

 

Ces cours sont vraiment géniaux et sont très riches d'informations même si le visuel commence à dater pour certains, alors que le contenu est au top !

 

Donc oui, il y a plein d'informations et dans les illustrations, on voit de façon sous-jacente l'importance de l'équilibrage du système entre sa plage froide et le cisaillement vertical de l'environnement. Cela se suit en temps réel entre le positionnement du front de rafales et la partie convective la plus active. Si les 2 sont proches, le système est équilibré et peut survivre longtemps, dans le cas contraire, il faut s'attendre à une déstructuration rapide.

 

Mais pour revenir au cisaillement et pour préciser les éléments, j'insiste pour dire que le fondamental sur l'organisation en ligne est le 0-3 km mais pour la sévérité, plus il y a de cisaillement (et sur une grande épaisseur) et mieux c'est !

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Damien49   

Ouch désolé j'avais un peu oublié ce sujet. Je vois que d'autres ont résumé ma pensée bien mieux que je ne l'aurais fait. Merci notamment Higurashi et kami pour tous ces précieux détails. Qu'est-ce que j'aurais aimé assister à ces cours. Très intéressant.

 

Je vais pas rajouter grand chose de plus intéressant du coup, mais quand j'avais écrit mes dossiers pédagogiques (il y a bien longtemps maintenant) j'avais résumé ça en 2 petits schémas très simple pour montrer que le cisaillement n'est pas qu'affaire de simple quantité (comme on le lit trop souvent) :

 

cisaillement_1.jpg

 

hodograph_supercell.jpg

 

Après je parlais plus de manière générale et générique  que spécifiquement sur le sujet des derechos, bow echos.

 

Pour le 1er schéma, ça marche aussi avec du cisaillement de vitesse trop important (alimentation coupé de sa base) et pour le second schéma, ça illustre qu'en matière d'organisation convective, il faut surtout se référer à la configuration spatiale du cisaillement (visible avec un hodographe).

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