PHÉNOMÈNES DANGEREUX

CISAILLEMENT ET MICRO-RAFALES

- Définition du cisaillement
- Micro-rafale ou Micro-burst
- Danger du cisaillement du vent
- Système d'alerte

Avant-Propos

Certaines définitions des phénomènes météorologiques de cette page proviennent du site Wikipedia.org, pour la simple raison que ces définitions sont correctes, claires et précises, il n'était donc pas nécessaire d’en réinventer d’autres.

Introduction

Le cisaillement du vent, appelé Wind shear aux États–Unis, est une différence de la vitesse ou de la direction du vent entre deux points suffisamment proches de l'atmosphère. Selon que les deux points de référence sont à des altitudes différentes ou à des coordonnées géographiques différentes, le cisaillement provoque une instabilité qui se traduit par de fortes turbulences au niveau de la couche de friction.
Le cisaillement du vent est également appelé en aéronautique gradient du vent, terme général pour désigner la diminution graduelle de la vitesse horizontale du vent entre deux altitudes différentes. Le terme cisaillement habituellement employé par les météorologistes convient mieux au phénomène puisqu’il implique des variations, souvent associées à deux paramètres : vitesse et direction du vent.
Par la suite dans cette page, seul le terme cisaillement sera utilisé.

Définition du cisaillement

Le cisaillement du vent peut être vertical ou horizontal, ou un mélange des deux types. L'OACI définit les composantes verticales et horizontales de cisaillement du vent comme suit :
a - Le cisaillement vertical est défini comme le changement de direction du vent horizontal et/ou de la vitesse avec la hauteur, qui serait déterminé au moyen de deux ou plusieurs anémomètres montés à des hauteurs différentes sur un seul mât.
b- Le cisaillement horizontal est défini comme le changement de direction du vent horizontal et/ou de la vitesse avec la distance horizontale, telle qu'elle serait déterminée par deux ou plusieurs anémomètres montés à la même hauteur le long d'une piste.
Dans le monde de l’aviation, on s’intéresse surtout au caractère abrupt du changement. S’il est graduel, un changement de direction ou de vitesse n’occasionnera qu’un changement mineur de la vitesse sol. Si le changement est abrupt, il y aura un changement rapide de la vitesse propre ou de la trajectoire.
Les cisaillements les plus dangereux sont souvent causés par des microrafales sous des cellules orageuses.

Microrafale

Une microrafale - microburst (en anglais) ou rafale descendante - downbrurst (en anglais) est un courant aérien descendant intense sous un orage, dont l'écrasement en surface produit des vents violents, divergents et turbulents. Il est formé par la descente de la précipitation et d'air plus froid qui s'infiltre dans le cumulonimbus, ce qui donne une goutte froide s'étendant en éventail sous le nuage en arrivant au sol. Les rafales descendantes peuvent se produire sous des orages individuels ou avec des cellules particulières dans une ligne orageuse.
Ces microrafales sont capables de générer des vitesses de vent supérieures à 75 m/s (270 km/h) et des vitesses verticales dépassant 720 ft/min voire 1200 ft/min à 300 m au-dessus du sol. Cette petite cellule provoque par son étalement au niveau du sol des changements rapides du vecteur vent dans les trois dimensions, qui peuvent dépasser nettement les capacités de réactions de l’avion, tant dans le plan horizontal (accélération) que dans le plan vertical (taux de chute).

Ces microrafales sont de courte durée, elles durent habituellement de 5 à 15 minutes environ, et sont relativement compactes, affectant généralement une zone d’environ 1 à 4 km (0,5 à 2,5 miles) de diamètre. Elles sont souvent, mais pas toujours associées à des orages ou de fortes pluies.

Dessin de microrafale stationnaire (sans vent)

Dessin de microrafale avec vent

Schéma représentant la vie d'une microrafale
Commençant sous les nuages, la microrafale descend vers le sol au bout de quelques minutes, puis se renforce pour atteindre son intensité maximale, quelques minutes après la phase de dissipation commence. Les temps donnés ci-dessous sont à titre indicatif et peuvent varier d'une microrafale à une autre. Lorsqu'une microrafale commence, il n'est pas rare de rencontrer plusieurs microrafales dans la même zone.

Deux situations extrêmes peuvent produire des microrafales.
D’une part, un environnement extrêmement sec dans lequel la matérialisation de la convection par les nuages est à peine visible, ce phénomène est appelé microrafale sèche.
Et d’autre part, une atmosphère extrêmement humide qui peut produire des microrafales incluses dans de la pluie très forte, c’est la microrafale humide.

Microrafale sèche

Une rafale descendante sèche se produit dans un environnement très sec dans les bas niveaux sous des cumulus à base élevée et dans une atmosphère qui n’est saturée qu’à environ 10 000 ft. Les précipitations descendantes s'évaporent alors avant d'atteindre le sol. La parcelle d'air qui contenait ces précipitations est alors plus froide que l'environnement, par perte de chaleur due à l'évaporation, et s’accélère vers le bas. Il y a donc rafale sans pluie. Dans certains cas extrêmes, cette rafale descendante sèche peut provoquer un accroissement rapide de la température et un abaissement du point de rosée (humidité).

Sur la photographie ci-dessus, le ciel paraît clément. La seule indication du développement potentiel d'une microrafale est la combinaison du nuage d'apparence fibreuse et la naissance de virga à la base du nuage.
Les enclumes d’orages secs étendus peuvent aussi produire des virga à haute altitude, engendrant elles-mêmes des micro-rafales à des distances relativement élevées de la chute de grêle qui en est à l’origine.

La virga désigne en météorologie toute forme de précipitation n'atteignant pas le sol. Selon la température, il est formé de cristaux de glace qui se subliment ou de gouttes liquides qui s'évaporent sous un nuage en passant dans une couche épaisse d'air non saturé.

Microrafale humide

Une rafale descendante humide se produit quand l'air est humide dans toute la couche, entre le sol et les niveaux moyens de l'atmosphère, où la descente se produit. De plus, l'air des hauts niveaux, qui peut entrer dans l'orage, est plus froid que celui-ci. Il est donc en équilibre négatif et va-lui aussi descendre. Le vent ainsi rabattu s'accompagne alors de pluie.
Une micro-rafale humide peut apparaître d'abord comme une masse noire de pluie descendant à travers une zone de faible précipitation. Une masse concentrée de pluie est un indicateur visuel d'une microrafale potentielle.
Les nuages convectifs bas produisant également de fortes pluies avec à la base une forme de pied caractéristique témoignent de la présence de microrafale. Un violent courant descendant transporte la pluie vers le sol à un débit supérieur à celui d’une pluie tombant à travers une masse d’air calme.

Ci-dessus, microrafale humide. Noter la forme de pied sur le côté gauche à la base de l'averse qui matérialise l'étalement d'une microrafale sur le sol.

Danger du cisaillement

Le cisaillement du vent dû aux micro-rafales est un des dangers majeurs pour l'aviation lorsque l'aéronef est proche du sol à faible vitesse, c'est-à-dire à l’atterrissage ou au décollage. Cela peut entraîner une perte soudaine de portance, autrement dit provoquer un décrochage de l'avion et le faire s'écraser au sol, si le pilote n'a pas eu le temps de réagir ou si ses manœuvres ont été vaines.

Microrafale au décollage
- le décollage paraît normal
- rencontre du cisaillement après le lift-off
- chute de vitesse indiquée entraînant une diminution d'assiette
- impact avec le sol dans le prolongement de la piste

À la rencontre du cisaillement, la diminution de vitesse entraîne un couple à piquer dû à la stabilité naturelle de l'avion. Cette tendance peut être accentuée par une action du pilote amenée instinctivement à diminuer l'assiette pour maintenir la vitesse initiale. Cette réaction normale dans tous les autres cas est malheureusement inadaptée lors de la rencontre avec un cisaillement sévère près du sol et peut devenir franchement catastrophique.

Microrafale en approche
- début d'approche semble normal
- augmentation du courant descendant et du vent arrière
- chute de vitesse indiquée entraînant une diminution d'assiette
- impact avec le sol avant la piste

Comme dans le cas du décollage, la chute de vitesse entraîne un couple à piquer. Lorsqu'elle n'est pas décelée et contrée rapidement, la modification de trajectoire peut amener l'avion à toucher avant la piste ou à faire un atterrissage très dur. Seule une approche stabilisée en trajectoire, vitesse et poussée, peut permettre de déceler assez tôt un cisaillement subi.

Cisaillement orographique

La zone sous le vent d'un relief peut être le siège de forts cisaillements et de turbulence, sans nécessairement qu'une nébulosité associée puisse, dans tous les cas, permettre de les anticiper. Bien que les conditions générales liées à cet effet orographique soient connues, il n'est pas toujours possible de prévoir avec précision son intensité et la tranche d'altitude où il peut se manifester.

Brise de mer

La brise de mer peut souffler à 180° des vents dominants. Ainsi, un décollage face au vent peut amener à rencontrer un vent arrière important dès le début de la montée.

Jets de basse altitude

Associés à une forte inversion de température due au rayonnement nocturne, ils peuvent, lors du franchissement de la zone de transition, se traduire par une variation de l'ordre de 60 kt dans une tranche d'altitude inférieure à 3000 ft.

Système d'alerte

Au sol

Entre 1964 et 1982, 27 accidents ou incidents graves ont été causés par des cisaillements du vent dans les basses couches.
En 1976, en réponse à ces accidents, la Federal Aviation Administration FAA développe le LLWAS (Low level windshear alert system).
Le LLWAS est un système au sol utilisé pour détecter le cisaillement du vent et les phénomènes météorologiques associés, tels que micro-rafales, à proximité d'un aéroport, en particulier le long des pistes.
Il se compose d'un certain nombre d'anémomètres placés stratégiquement autour et à l'intérieur d'un aérodrome. Des systèmes plus anciens utilisaient un minimum de 6 anémomètres (un central et 5 en périmètre), le tout dans les limites de l'aérodrome, alors que les nouveaux systèmes peuvent avoir plus de 30 anémomètres placés jusqu'à 3 miles nautiques le long des trajectoires d'approche et de départ.
L'objectif du système est de fournir des alertes visuelles et sonores à l'ATC afin qu'ils puissent transmettre des informations et des avertissements sur le cisaillement du vent et des micro-rafales aux pilotes et aux autres services d'aérodromes concernés.

À bord des avions

Actuellement, un avertisseur de cisaillement du vent est disponible en option sur la plupart des avions modernes. L'avertissement de cisaillement du vent est basé sur l'évaluation de la performance actuelle de l'avion (paramètres de vol et accélérations). L'avertissement de cisaillement du vent est généré chaque fois que le niveau d'énergie de l'avion tombe en dessous d'un seuil prédéterminé.
Le système d'avertissement de cisaillement du vent associé au mode SRS (Speed reference system) du directeur de vol constituent les systèmes de cisaillement du vent réactifs RWS (Reactive Windshear), puisque les deux composants réagissent instantanément aux variations des paramètres de l'aéronef.
Fonctionnement du RWS
Une alerte se déclenche, lorsque l'aéronef rencontre des cisaillements de vent pendant le décollage et l'atterrissage.
L'alerte de cisaillement du vent se compose :
- d'un message rouge qui s'affiche sur les deux PFD Voir E.F.I.S PFD et clignote pendant 9 s, puis reste allumé, aussi longtemps que le cisaillement du vent est détecté.
- d'une alerte sonore WINDSHEAR (cisaillement)

Pour compléter le système de cisaillement du vent réactif et de fournir un avertissement précoce de cisaillement potentiel, certains radars météorologiques comportent la capacité de détecter les zones de cisaillement du vent en avant de l'aéronef. Cet équipement est considéré comme un système préventif du cisaillement du vent PWS (Predictive windshear).
Si possible, il détecte les cisaillements de vent :
- au moins 10 s mais généralement 1 min avant une rencontre possible.
- à une distance entre 0,5 nm et 5 nm en avant de l'aéronef.
- déclenche des alertes.
Le PWS fonctionne en comparant l'effet Doppler des échos radar, de sorte qu'il détecte le cisaillement seulement quand il y a des précipitations d'eau. Cependant, les cisaillements de vent les plus forts sont souvent associés à des zones de pluies sévères (ou virga).
La fonction PWS peut détecter et afficher simultanément jusqu'à 8 cisaillements différents du vent. Le PWS est disponible, si le radar météo est opérationnel ou au décollage s'il est sur OFF.
En vol, si l'aéronef est à une altitude inférieure à 1500 ft AGL.

Le PWS sur un Airbus génère trois niveaux d'alerte pour le cisaillement du vent, en fonction de :
- la distance et la position angulaire entre l'aéronef et le cisaillement de vent
- l'altitude de l'aéronef
- la phase de vol.
L'illustration ci-dessus représente les informations en couleurs affichées sur le radar météorologique sur Navigation Display Voir E.F.I.S - ND pour indiquer les zones de cisaillement du vent.