M3 Systèmes de convection et de convection

Topique

La convection atmosphérique est le mécanisme par lequel l'air chaud et humide s'élève en courants verticaux intenses, libérant de la chaleur latente au cours de son ascension. Cette chaleur alimente la formation de cumulus et, lorsque cette croissance se poursuit, de cumulonimbus. C'est précisément cette libération de chaleur latente qui maintient l'air ascendant plus chaud que l'air environnant, l'obligeant à continuer de s'accélérer vers le haut au lieu de ralentir.

La convection atmosphérique ne se manifeste pas toujours à la même échelle : elle va des cumulus isolés, qui mesurent entre un et cinq kilomètres de diamètre et ne durent qu'une demi-heure à une heure, aux systèmes convectifs de méso-échelle, qui s'étendent sur plus de cent kilomètres et peuvent rester actifs pendant plus de six heures. L'ampleur et la durée d'un épisode de convection atmosphérique dépendent de deux conditions environnementales, et c'est cette dépendance qui explique les grandes variations d'échelle observées d'un épisode à l'autre.

Ces deux conditions environnementales sont l'énergie convective disponible et le cisaillement du vent, et elles déterminent la forme que prendra finalement la convection atmosphérique. Lorsque l'énergie convective disponible est élevée mais que le cisaillement du vent est faible, il en résulte une convection monocellulaire, isolée et de courte durée. En revanche, lorsque le cisaillement du vent est également élevé, cette même énergie convective disponible s'organise en structures beaucoup plus durables, telles que la supercellule ou le système convectif de méso-échelle. C'est donc le cisaillement du vent qui provoque la coalescence de l'énergie disponible en un orage organisé, au lieu de sa dissipation dans une cellule isolée.

L'élément fondamental de toute cette convection atmosphérique est le cumulonimbus : à l'intérieur, le courant ascendant qui maintient le nuage est alimenté par l'air riche en énergie convective disponible qui occupe la basse troposphère et atteint des vitesses comprises entre cinq et cinquante mètres par seconde. Parallèlement à ce courant ascendant apparaît le courant descendant, généré par l'évaporation de la pluie tombant à l'intérieur même du nuage. Cette évaporation refroidit l'air environnant, le rendant plus dense et le forçant à descendre avec force vers le sol.

Dans les supercellules, ce même courant ascendant remplit une fonction supplémentaire : il incline la vorticité horizontale de l’air environnant vers la verticale. Cette inclinaison, connue sous le nom de mécanisme de Rotunno-Klemp, induit la rotation du courant ascendant lui-même, donnant naissance au mésocyclone caractéristique de la supercellule. L’organisation d’un système convectif de méso-échelle ne dépend cependant pas de la rotation du courant ascendant, mais plutôt d’un cisaillement du vent suffisant pour séparer spatialement le courant ascendant du courant descendant. Ceci permet aux deux de coexister sans que l’un n’interfère avec l’autre, permettant ainsi au système de rester actif pendant de nombreuses heures. Lorsque ces systèmes convectifs doivent être représentés dans des modèles numériques à basse résolution qui ne peuvent pas les résoudre explicitement, des schémas d’ajustement sont utilisés. Ces schémas éliminent l’énergie convective disponible sur une période d’ajustement convectif d’une à deux heures, remplaçant ainsi le processus de convection atmosphérique lui-même par une approximation statistique de son effet.

Le comportement qui en résulte varie selon la forme que prend la convection atmosphérique : un cumulus ordinaire se forme, mûrit et se dissipe en une demi-heure à une heure seulement ; un nuage multicellulaire est alimenté par des cellules successives qui se renouvellent toutes les quinze à vingt minutes ; une supercellule maintient sa rotation de façon persistante pendant toute la durée de l’orage ; et un système convectif de méso-échelle peut se propager durant la nuit, propulsé par sa propre poche d’air froid – l’air dense et froid que ses courants descendants accumulent près du sol – ce qui peut amener l’orage à se déplacer très loin de son point d’origine. Ainsi, du plus simple amas de nuages ​​au système convectif de méso-échelle le plus étendu, toute cette hiérarchie de la convection atmosphérique réagit au même équilibre entre l’énergie convective disponible qui la motive et le cisaillement du vent qui détermine son organisation.

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