Rue de nuages

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Rues de nuages au-dessus d'une étendue d'eau (partie inférieure de l'image) et dans la mer de Bering.

Les rues de nuages sont de longs alignements de nuages cumuliformes parallèles au vent dans la couche limite planétaire[1]. Ces nuages se forment lorsque la couche basse de l'atmosphère est instable et surmontée par une inversion de température alors qu’un vent soutenu est présent en altitude. Les nuages sont le plus souvent des cumulus mediocris mais peuvent être des nuages plus importants si la convection est plus profonde[1].

Ces rues de nuages sont associées à des rouleaux alternant de mouvement verticaux ascendants et descendants, les nuages se trouvant dans la partie ascendante. Les recherches montrent que ces tourbillons sont une source importantes de transport de mouvement, de chaleur, d'humidité et de polluants dans la couche limite[2].

Variantes et étendue[modifier | modifier le code]

Rues de nuages alignés par un fort vent d'ouest au-dessus de l’Angleterre et du Pays de Galles après passage d'un front froid.

Les rues de nuages sont en général plus ou moins rectilignes. Par contre les rues de nuages n'ont pas de formes bien définies (dites de paisley) lorsque le vent organisant ces rues rencontre un obstacle. Ces formations de nuages sont appelées allées de tourbillons de Karman. Bien que les rues de nuages conventionnelles soient nettement visibles du sol, les formations à grande échelle de nuages sont principalement observées à partir des satellites météorologiques[3].

Conditions de formation[modifier | modifier le code]

Principe[modifier | modifier le code]

Tourbillon créé par un cisaillement des vitesses dans l'environnement
Schéma simplifié de l'organisation des rues de nuages par les rouleaux de convection

La formation de rues de cumulus implique une combinaison d’instablité thermique et dynamique. La première condition de formation est atteinte quand de l'air de l'air froid et sec surmonte de l'air plus chaud et humide, ce dernier est moins dense que le premier et la poussée d'Archimède le fait s'élever en altitude. En s'élevant, la parcelle d'air diminue de température par détente adiabatique. La vapeur d'eau qu'elle contient se condense lorsque la parcelle atteint la température de saturation, donnant des cumulus.

La seconde condition de formation est remplie quand la variation des vents avec l'altitude, le cisaillement, est important mais presque unidirectionnel à partir d’une certaine hauteur au-dessus du sol et que le vent moyen dans la couche devient plus ou moins perpendiculaire au vent au sol. La cause de cette inflexion de l'axe du vent moyen est dû à la perte de friction au-dessus de la zone de la spirale d'Ekman. Le vent se déplaçant plus rapidement en altitude que près du sol, il engendre une rotation perpendiculaire au flux moyen dans la couche[4].

Nous pouvons imaginer ceci en pensant à la poussée sur les pales de l'hélice dans l'image de droite. Des perturbations dans le cisaillement permettent alors de générer des rouleaux parallèles de rotation, et non un seul vortex. Ceci crée une alternance de mouvements verticaux ascendants et descendants entre les rouleaux, le tout étant parallèles au vent de surface.

Conditions empiriques pour la formation de rues de nuages[modifier | modifier le code]

La formation de rues de nuages est un phénomène bien connu des vélivoles. Par expérience, ils ont remarqué que les les rues de nuages se forment lorsqu'il y a une couche d'inversion nettement définie au-dessus de la zone convective et lorsque la vitesse du vent augmente avec l'altitude atteint un maximum juste au-dessous de la couche d'inversion et que la direction du vent change peu en fonction de l'altitude[5], [6]. Dans ces conditions il se forme des rues de nuages parallèles au vent.

Après le passage d'un front froid, il peut se former des rues de nuages perpendiculaires à la direction du vent[7]. Ce phénomène est lié à la formation d'ondes de gravité. Dans les régions montagneuses, il peut aussi se former des rues de nuages parallèles à la chaîne de montagnes. Il peut aussi se former des rues de nuages dans zones de convergence[8].

Vol à voile[modifier | modifier le code]

Les rues de nuages sont d'un intérêt majeur pour les pilotes de planeur. En exploitant ces lignes d'ascendance, le planeur peut parcourir de longues distances sans avoir à spiraler. De plus, si la trajectoire du planeur fait un angle faible avec la direction des rues de nuages, le pilote suivra autant que peut une rue de nuages (où il sera en ascension) et effectuera une transition vers la prochaine rue de nuages lorsque cela est nécessaire. De plus, lorsque cela est autorisé, le pilote aura intérêt à voler juste à la base du nuage où les ascendances seront renforcées par un effet d'aspiration. Aux États-Unis, en règle générale cela est interdit; tout aéronef doit être à plus de 500 pieds au-dessous de la base des nuages.

Travaux académiques[modifier | modifier le code]

Pour que les nuages s'organisent en rues, il faut également que la convection soit limitée par une couche plus stable en altitude. Une convection plus importante risque de produire des nuages comme des cumulus bourgeonnants ou des cumulonimbus qui auront tendance à former des cellules isolés, surtout si le cisaillement des vents est faible[9].

La combinaison de ces deux facteurs a été définie par le rapport z_i/L, où z_i est l'épaisseur de la couche limite et L est la longueur de Monin-Obukhov. Ce dernier paramètre est égal à la hauteur où la turbulence causée par la convection est plus importante que celle due au cisaillement.

On peut démontrer que :

 - {z_i \over L} = \left(\frac{w_{\ast} } {u_{\ast}}\right)^3

w_{\ast} est la vitesse convective et u_{\ast} est la vitesse de frottement.

Il était admis[9] qu'en général, les rues de nuages apparaissaient quand -z_i/L est plus grand que 5 et plus petit que 25 (ou de manière équivalente -5 < - z_i/L < 25). Ceci survient en général juste après le passage d'un front froid, surtout s'il passe sur des eaux plus chaudes, une source d'humidité[2]. On peut aussi avoir des rues de nuages lorsque du brouillard de radiation s'est formé pendant la nuit, mais ces rues de nuages seraient plutôt des rouleaux transitoires de stratocumulus.

En fait, la dissipation des rouleaux de convection se produit lorsque soit le rapport w_*/u_* croît ou lorsqu'un autre paramètre non dimensionnel  \frac{d U}{d z} \frac{z_i}{w_*} croît, dU/dz étant l'expression du cisaillement du vent en fonction de l'altitude[10]. Les critères de dissipation des rouleaux de convection sont exprimés dans la figure 7 de la référence [10].

La distance moyenne entre deux rouleaux est égale à 3 fois l'épaisseur de la couche limite[11]. Ainsi, si l'épaisseur de la couche limite est de 2 km. la distance entre 2 rues de nuages sera de 6 km.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b Organisation météorologique mondiale, « Rue de nuages », Eumetcal (consulté le 2010-11-05)
  2. a et b (en) D. Etling et R.A. Brown, « Roll Vortices in the Planetary Boundary Layer: A Review », Boundary Layer Meterology, vol. 65,‎ 1993, p. 215–248 (DOI 10.1007/BF00705527, lire en ligne)
  3. (en) National Weather Service, « Clouds streets », Glossary, NOAA (consulté le 2010-11-06)
  4. (en) Service météorologique des Pays-Bas, « Cloud Streets - Meteorological Physical Background », Manual of synoptic Satellite Meteorology, ZAMG (consulté le 2010-11-06)
  5. (en) Reichmann, H, Cross-Country Soaring, Soaring Society of America,‎ 1978, 172 p. (ISBN 1-883813-01-8), p. 22
  6. Advanced soaring, p. 202
  7. Advanced soaring, p. 204
  8. Advanced soaring, p. 205
  9. a et b (en) T.M. Weckworth, « Determining the Environmental Conditions Supporting their Existence and Characteristics », Monthly Weather Review, vol. 125, no 4,‎ 1997, p. 505–526 (lire en ligne)
  10. a et b Qian Huang, « A Comparison of Roll and Nonroll Convection and the Subsequent Deepening Moist Convection: An LEM Case Study Based on SCMS Data », Monthly weather review, vol. 137,‎ 2009, p. 350-365 (lire en ligne)
  11. (en)Roland Stull, An Introduction to Boundary Layer Meteorology, Kluwer Academic Publishers,‎ 1988, 670 p. (ISBN 9027727694), p. 468

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]