Rouleaux convectifs horizontaux - Horizontal convective rolls
Les rouleaux convectifs horizontaux , également connus sous le nom de tourbillons de rouleaux horizontaux ou de rues nuageuses , sont de longs rouleaux d'air contrarotatifs qui sont orientés approximativement parallèlement au sol dans la couche limite planétaire . Bien que les rouleaux convectifs horizontaux, également connus sous le nom de rues nuageuses, aient été clairement visibles sur les photographies satellites au cours des 30 dernières années, leur développement est mal compris, en raison d'un manque de données d'observation. Depuis le sol, ils apparaissent comme des rangées de cumulus ou de nuages de type cumulus alignés parallèlement au vent de basse altitude. La recherche a montré que ces tourbillons sont importants pour le transport vertical de la quantité de mouvement, de la chaleur, de l'humidité et des polluants atmosphériques à l'intérieur de la couche limite. Les rues nuageuses sont généralement plus ou moins droites ; rarement, les rues nuageuses adoptent des motifs cachemire lorsque le vent entraînant les nuages rencontre un obstacle. Ces formations nuageuses sont connues sous le nom de rues vortex von Kármán .
Caractéristiques
Les rouleaux horizontaux sont des rouleaux vortex contrarotatifs qui sont presque alignés avec le vent moyen de la couche limite planétaire (PBL). Ils peuvent être provoqués par la convection en présence d'un vent modéré et/ou des instabilités dynamiques des points d'inflexion dans le profil de vent moyen. Les premières théories sur les caractéristiques prédisent que les tourbillons peuvent être alignés jusqu'à 30° vers la gauche pour les environnements stratifiés de manière stable, 18° vers la gauche pour les environnements neutres, et presque parallèles au vent moyen pour les environnements (convectifs) stratifiés instables. Cette théorie a été étayée par des observations d'avions provenant de plusieurs expériences sur le terrain.
La profondeur d'un vortex est généralement la profondeur de la couche limite, qui est généralement de l'ordre de 1 à 2 km. Une paire de vortex a généralement un rapport de dimension latérale à verticale d'environ 3:1. Des études expérimentales ont montré que le rapport hauteur/largeur (un rapport de la longueur d'onde du rouleau à la profondeur de la couche limite) varie entre 2:1 et 6:1, cependant, dans certaines situations, le rapport hauteur/largeur peut atteindre 10:1. . La durée de vie d'un rouleau convectif peut durer de quelques heures à plusieurs jours.
Si l'air ambiant est proche de la saturation, de la condensation peut se produire dans les courants ascendants produits par la rotation du vortex. Le mouvement de descente produit entre des paires de rouleaux alternés va évaporer les nuages. Ceci, combiné aux courants ascendants, produira des rangées de nuages. Les pilotes de planeur utilisent souvent les courants ascendants produits par les rues nuageuses leur permettant de voler en ligne droite sur de longues distances, d'où le nom de « rues nuageuses ».
Développement et conditions environnementales requises
Le processus exact qui conduit à la formation de rouleaux horizontaux est compliqué. Le mécanisme de contrainte de base dans le PBL est le flux turbulent de quantité de mouvement, et ce terme doit être approché dans les équations dynamiques des fluides du mouvement afin de modéliser l'écoulement et les flux de la couche d'Ekman.
L'approximation linéaire, l'équation de diffusion de Foucault avec un coefficient de diffusion de Foucault K, a permis à Ekman d'obtenir une solution spirale logarithmique simple. Cependant la présence fréquente des tourbillons de roulis horizontaux dans le PBL, qui représentent une organisation de la turbulence (structures cohérentes), indique que l'approximation de la diffusivité n'est pas adéquate. La solution d'Ekman a un profil de vent flexionnel intrinsèque qui s'est avéré instable pour les vagues longues correspondant à l'échelle des grands tourbillons organisés. La théorie non linéaire a montré que la croissance de ces ondes de perturbation finies modifie le flux moyen, éliminant l'énergie d'instabilité flexionnelle dynamique de sorte que l'équilibre est obtenu. Le débit moyen modifié correspond bien aux observations. Cette solution pour la couche contenant la longueur d'onde du rouleau à l'échelle PBL nécessite une modification des transports de flux pour s'adapter à la modélisation du mouvement d'advection des grands vortex.
Les conditions les plus favorables à la formation des rouleaux se produisent lorsque la couche d'air la plus basse est instable, mais est coiffée par une inversion d'une couche d'air stable. Il doit y avoir un vent modéré. Cela se produit souvent lorsque l'air en altitude s'affaisse, comme dans des conditions anticycloniques, et se rencontre également fréquemment lorsque le brouillard de rayonnement s'est formé pendant la nuit. La convection se produit en dessous de l'inversion, l'air s'élevant en thermique sous les nuages et descendant dans l'air entre les rues.
L'énergie turbulente dérivée des instabilités dynamiques est produite à partir de l'énergie de cisaillement du vent. Un vent plus élevé favorise ce développement de roulis tandis que l'énergie convective le modifie. La convection en présence d'une faible vitesse produit des rouleaux car la croissance de l'instabilité en cisaillement est supprimée. La convection dans des environnements à vent très faible produit généralement une convection cellulaire.
Bien que cette solution ait été vérifiée avec de nombreuses observations, elle est compliquée, impliquant les mathématiques de la théorie du chaos, et n'a pas été largement utilisée. Cependant, lorsqu'il est incorporé dans les modèles de prévision du NCEP à l'aide de données satellitaires sur les vents de surface, il a considérablement amélioré les prévisions. La solution non linéaire, avec description explicite des rouleaux de structure cohérente à perturbation finie, constitue une contribution significative à la théorie du Chaos pour l'organisation de la turbulence.
Voir également
Les références
Lectures complémentaires
- Dunlop, Storm (2002) Le manuel d'identification météorologique Guilford, Connecticut : The Lyons Press. ISBN 1-58574-857-9
- Buteur, Verkaik (1989) Ciels spacieux David & Charles ISBN 0-7153-9139-9
- "Les rues des nuages ouvrent la baie d'Hudson" . Observatoire de la Terre de la NASA . Archivé de l'original le 2006-10-01 . Récupéré le 2006-05-01 .
- "Les rues de nuages photographiées au-dessus du golfe du Mexique : galerie d'images de rues de nuages" . Actualités de la météorologie . Récupéré le 29-10-2009 .