Soutenance mémoire
La « microburst » ou la « microrafale »
Plus dangereuses parce qu’elles ne s’accompagnent souvent d’aucune manifestation météorologique visible. La microrafale est définie comme un rabattant qui entraîne, à la surface du sol, une brusque expulsion de vent horizontal dévastateur sur une étendue horizontale de 0,4 à 4 km. Elle provoque la présence des deux cisaillements verticaux et horizontaux qui peuvent être extrêmement dangereux pour tous les types et les catégories d’avions, surtout à basse altitude. En raison de leur petite taille, courte durée de vie, et le fait qu’ils peuvent se produire sur des zones sans précipitations en surface, les microrafales ne sont pas facilement détectables par les radars météorologiques ou des systèmes d’alerte de cisaillement de vent conventionnel. La gerbe de vent s’étend sur moins de 4 km mais les vitesses maximales horizontales peuvent atteindre 150 kt pendant une durée de l’ordre de 5 minutes. Il semble qu’au sein des microrafales existent des structures encore plus concentrées, et de plus forte intensité, dont les dimensions sont de quelques centaines de mètres, la vitesse du vent y atteindrait 180 kt. Parce que ses dimensions sont réduites, le diamètre du courant descendant est de l’ordre de 1 km, un avion traverse une microrafale en quelques secondes ou dizaines de secondes. Il va donc subir pendant ce laps de temps : un vent de face puis un courant descendant et enfin un vent arrière. Dans un tel système on a observé des variations de vent de 95 kt sur une distance de 2 km. On peut très approximativement se représenter la microrafale comme un gros champignon renversé, comme on peut voir sur la figure I.3.1.2 [18]. Les microrafales sont observées en association avec des averses (par exemple au sein d’une macrorafale) mais aussi en l’absence de précipitation au sol. Dans ce cas des virga en seraient à l’origine (accélération du courant descendant par refroidissement consécutif à l’évaporation de l’averse).
Le cisaillement associé à une inversion de température
Dans une situation météorologique d’air stable, le vent est généralement plus fort et souffle davantage en rafales le jour que la nuit. Le jour, le réchauffement par le soleil provoque un brassage convectif qui transporte le vent fort en altitude vers la surface et les mélanges avec le vent de surface plus faible. Il s’ensuit que le vent près de la surface augmente de vitesse et souffle en rafales alors que le vent en altitude dans la couche de mélange voit sa vitesse réduite. Après le coucher du soleil, le sol se refroidit, ce qui refroidit l’air près de la surface et fait apparaître une inversion de température. Cette inversion s’épaissit à mesure que le refroidissement se poursuit, ce qui éventuellement met fin au brassage convectif et ralentit le vent de surface. Si le vent relativement fort se développe juste au-dessus de l’inversion, la turbulence de cisaillement de vent peut en résulter. La figure I.3.5 montre une zone de cisaillement de vent et la turbulence qui se sont développées entre l’air calme et le vent plus fort au-dessus de l’inversion. En décollant ou en débarquant dans de vent plutôt calme sous le ciel clair dans quelques heures du lever de soleil, on peut observer une inversion de la température près de la surface. Si le vent à 2000 à 4000 ft d’AGL est 25 nœuds ou plus, il faut s’attendre à une zone de cisaillement associé à une inversion.
Les précautions et les consignes générales
Les pilotes ne disposent que d’un temps très limité pour reconnaître les phénomènes de cisaillement de vent, environ 10 secondes. Malheureusement plusieurs facteurs peuvent entraver, une bonne reconnaissance du phénomène, ce sont : La présence de conditions météorologiques marginales ; Une charge de travail équipage importante ; Une illusion de normalité, il semble à l’équipage que tout se déroule normalement, durant le très court laps de temps de l’entrée de l’avion dans le cisaillement de vent. De la même manière les limites d’un phénomène très violent peuvent ne pas offrir à l’équipage des indications immédiates correspondant à une situation éventuellement dangereuse. La réaction normale de l’équipage doit être la suivante : Contrôler la trajectoire en vérifiant l’assiette de l’avion ; en maîtrisant les changements d’assiette et en résistant à la tentation de changer d’assiette pour une assiette à piquer de l’avion ; alors que la vitesse indiquée tend à diminuer ; Des efforts physiques plus importants que d’habitude peuvent être nécessaires sur les commandes de vol pour maintenir l’assiette, lorsque la vitesse indiquée varie de part et d’autre de la valeur normale ; Si cela est nécessaire, les moteurs pourront être utilisés à leur régime maximum, et audelà à condition qu’un contrôle de ces derniers soit effectué le plus tôt possible suite à une telle procédure. Comme pour le givrage, la turbulence et de nombreux phénomènes, la meilleure précaution est encore d’éviter les zones où on reconnaît l’existence de phénomènes de cisaillement de vent. Dans le cas où un cisaillement de vent imprévu et sévère serait rencontré au cours du décollage, ou au cours de l’approche, des techniques mettant en œuvre des précautions spéciales doivent être appliquées par l’équipage dans le but de pouvoir minimiser les effets du phénomène à savoir les précautions suivantes doivent être prises en considération :
– L’affichage de la puissance : La puissance maximale utilisable au décollage doit être affichée pour le décollage, afin de réduire la durée de la course au décollage et d’offrir de meilleures performances de montée. Au cours d’une approche dans une situation de cisaillements de vent, les diminutions de puissances doivent être minimisées, et ce jusqu’à l’arrondi ;
– Une piste d’atterrissage assez longue : Nonobstant les limitations de vent traversier et/ou de vent arrière, les limitations relatives aux obstacles dans la trouée d’envol et ceux localisés dans la trajectoire d’approche, la piste la plus longue doit être utilisée, lorsque des conditions de cisaillement de vent sont connues ;
– Un faible braquage des volets : A l’atterrissage, afin de conserver une meilleure capacité d’accélération, pour autant que la distance d’atterrissage soit compatible avec la longueur de piste utilisable, il est conseillé le plus faible braquage certifié à l’atterrissage ;
– Une vitesse accrue : L’accroissement de la vitesse améliore la trajectoire du vol. Une vitesse d’approche accrue doit donc être conservée jusqu’à l’arrondi ;
– L’utilisation du pilote automatique et du directeur de vol
En condition de cisaillement de vent :
• au cours de décollage en condition de cisaillement de vent, les informations des directeurs de vol ne doivent être suivies que si ceux-ci intègrent une fonction de guidage en « wind shear ».
• au cours de l’approche en condition de cisaillement de vent, le directeur de vol, les pilotes automatiques, et tout autre système d’automatisme de pilotage doivent être utilisés au maximum de leurs capacités, et ce dans le but de réduire la charge de travail des équipages, afin qu’ils puissent contrôler l’ensemble des paramètres de l’approche. Si l’usage d’un automatisme se révèle inadéquat, il revient alors à l’équipage de la désactiver.
Le cisaillement horizontal
Le courant d’air descendant au sein d’une cellule orageuse de cumulonimbus, par exemple, à son arrivée près du sol s’étale dans tous les sens en un vent horizontal. Entre deux points très proches sur le plan de descente de l’avion, un vent debout commence par s’ajouter à celui du face auquel atterrit normalement l’avion, d’où un gain momentané d’altitude. Puis, dès l’instant où l’avion passe le centre du courant d’air descendant, il est brusquement soumis à un fort vent arrière, d’où une perte soudaine de portance et donc d’altitude. Le phénomène se produisant près du sol, l’avion risque de percute ce dernier avant la piste. S’il est au décollage, il peut être plaqué au sol juste après avoir pris l’air.
Interprétations
Le cisaillement de vent maximum se passe le 30 mars 2009 vers 22 heures 30 minutes. Comparons d’abord les résultats du 30 mars 2009 à 18 TU et les résultats du 31 mars 2009 à 00 TU. Pour une pression 850 hPa le résultat reste à peu près le même, le vent minimum est de 2 à 3 kt, le vent maximum est de 25 kt et le vent vient du Sud-est en moyenne, donc on a un cisaillement de vent de changement de vitesse de 2 ou 3 kt à 25 kt. La température et le vecteur de circulation restent les mêmes. Pour une pression 700 hPa le résultat reste toujours à peu près le même, le vent minimum est de 2 à 3 kt, le vent maximum est de 20 kt et presque tout le vent vient du Sud-est en moyenne, donc on a un cisaillement de vent de changement de vitesse de 2 ou 3 kt à 20 kt. La température et le vecteur de circulation restent toujours les mêmes. Ensuite, comparons les résultats du 30 mars 2009 à 18 TU pour une pression 850 hPa et ceux du même jour pour une pression 700 hPa, le vent minimum pour les deux est de 2 à 3 kt mais le vent maximum est différent. A 850 hPa le vent maximum est de 25 kt contre 20 kt à 700 hPa, donc on a un cisaillement de vent de changement de vitesse de 20 kt à 25 kt. Enfin, comparant les résultats du 31 mars 2009 à 00 TU pour une pression 850 hPa et ceux du même jour pour une pression 700 hPa, le vent minimum dans les deux cas est de 2 à 3 kt mais le vent maximum est différent. A 850 hPa le vent maximum est de 25 kt contre 20 kt à 700 hPa, donc on a un cisaillement de vent de changement de vitesse de 20 kt à 25 kt.
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Table des matières
INTRODUCTION
Partie I : LE CISAILLEMENT DE VENT
I.1 Définitions
I.1.1 Cisaillement de vent
I.1.2 Cisaillement horizontal
I.1.3 Cisaillement vertical
I.2 Cisaillement du vent dans les basses couches
I.2.1 Définitions
I.2.2 Unité de mesure pour le cisaillement de vent
I.2.3 Intensité de cisaillement de vent
I.2.4 Critères de cisaillement du vent dans les basses couches
I.2.5 Types de cisaillement du vent dans les basses couches
I.2.5.1 Cisaillement du vent non transitoire
I.2.5.2 Cisaillement du vent transitoire
I.3 Les Phénomènes favorables à l’apparition de cisaillement de vent
I.3.1 Le cisaillement associé au cumulonimbus et à de fortes averse, Downburst
I.3.1.1 La « macroburst » ou la « macrorafale »
I.3.1.2 La « microburst » ou la « microrafale »
I.3.1.2.1 Les caractéristiques de la microrafale
I.3.2 Le front de rafales
I.3.3 Le cisaillement par effet de brise de mer ou de terre
I.3.4 Le jet de basse couche
I.3.5 Le cisaillement associé à une inversion de température
I.4 Les signes annonciateurs du cisaillement
I.5 Les caprices de la météo qui font atterrir les avions avant ou après la piste
I.5.1 Les orages
I.5.2 Les fronts de rafales
I.5.3 La masse frontale
I.5.4 L’effet de brise
I.6 La succession des décisions et réaction du pilote. Les précautions et les consignes
I.6.1 La succession des décisions et réaction du pilote en cas de cisaillement de vent
I.6.2 Les précautions et les consignes générales
I.7 La prévision et le message de cisaillement de vent
I.7.1 Les TAF (Terminal Aerodrome Forecast)
I.7.1.1 Définition
I.7.1.2 Exemple
I.7.1.3 Temps
I.7.2 PIREP (PIlot REPort)
I.7.2.1 Définition
I.7.2.2 Remarques
I.7.2.3 Exemples
Partie II : L’ETUDE ET L’ANALYSE DE CISAILLEMENT DU VENT DANS LES BASSES COUCHES
II.1 Le calcul de cisaillement de vent
II.2 L’analyse de cisaillement du vent dans les basses couches à l’aéroport d’Ivato
II.3 Le facteur du risque de cisaillement de vent
II.3.1 Les équations aux mouvements
II.3.2 La détermination du facteur F
II.4 L’application du facteur F pour le cas d’aéroport d’Ivato
II.5 L’interprétation du facteur F sur l’énergie de l’avion
II.6 Les effets du cisaillement du vent dans les basses couches
II.6.1 L’effet de cisaillement du vent sur la vitesse propre
II.6.2 L’effet de cisaillement de vent sur l’angle d’attaque
II.6.3 L’effet de cisaillement du vent traversier
II.7 Les cisaillements de vent et leurs conséquences
II.7.1 Le cisaillement du vent vertical
II.7.2 Le cisaillement vertical (à ne pas confondre avec le précédent)
II.7.3 Le cisaillement horizontal
II.7.4 La « microburst »
Partie III : LES SYSTEMES DE DETECTION DE CISAILLEMENT DE VENT ET LE MODELE WRF
III.1 Notion sur la télédétection par radar
III.1.1 Définition de la télédétection
III.1.2 Le principe de fonctionnement d’un radar
III.1.2.1 L’émetteur
III.1.2.2 L’antenne
III.1.2.3 Le récepteur
III.1.2.4 L’effet doppler
III.2 Les systèmes de détection de cisaillement de vent
III.2.1 Low Level Wind Shear Alert Systems (LLWAS)
III.2.2 Terminal Doppler Weather Radar (TDWR)
III.2.3 Weather System Processor (WSP)
III.2.4 Aspects opérationnels de la LLWAS, TDWR et WSP
III.2.4.1 Alerte « microburst »
III.2.4.2 Alerte cisaillement de vent
III.2.4.3 Alertes plusieurs cisaillement de vent
III.3 Le modèle WRF
III.3.1 Généralités
III.3.2 Principe de base pour l’exécution du modèle WRF
III.3.2.1 Données météorologiques et données statistiques géographiques
III.3.2.1.1 Données météorologiques
III.3.2.1.2 Données statistiques géographiques
III.3.2.2 WPS (WRF Preprocessing System)
III.3.2.2.1 Geogrid
III.3.2.2.2 Ungrib
III.3.2.2.3 Metgrid
III.3.2.3 WRF
III.3.2.4 Outil de visualisation graphique (RIP4)
III.3.3 Résultats et interprétations pour le cas de cisaillement du vent dans les basses couches
III.3.3.1 Résultats
III.3.3.2 Interprétations
CONCLUSION
ANNEXES
LEXIQUE
REFERENCES
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