cisaillement

Lorsqu'on l'observe à des échelles spatio-temporelles suffisamment grandes, le mouvement de l'air au sein de l'atmosphère tend à se répartir suivant des couches superposées, de direction générale horizontale, et où le vent, par sa vitesse, prédomine nettement sur la valeur de la vitesse verticale. Cependant, les variations de la direction et de la vitesse du vent à ces échelles ne sont pas systématiquement lentes et continues : il peut en effet se produire en une région donnée de l'atmosphère, au moins durant un certain temps, des changements notables et persistants dans la répartition spatiale des déplacements de l'air, qui parfois prennent même la forme d'une discontinuité ; ces changements affectent tantôt la valeur de la direction du vent (par exemple au passage d'un front au niveau moyen de la mer), tantôt celle de sa vitesse (par exemple aux frontières d'un courant-jet), tantôt l'une et l'autre (par exemple entre deux couches d'air adjacentes). De telles variations locales du vent sont appelées des cisaillements.

On parle de cisaillement vertical en cas de variations sensibles de la vitesse ou de la direction du vent le long des verticales d'une couche atmosphérique, et de cisaillement horizontal lorsque ces variations du vent se constatent sur une surface voisine de l'horizontale (par exemple une surface isobare). Une forme fréquente de cisaillement horizontal, relative à la direction du vent à l'échelle synoptique, est caractérisée par les lignes de cisaillement que tracent au sol les zones frontales d'une perturbation en région tempérée.

La notion de cisaillement s'étend, à l'évidence, au vent vertical pour ce qui est des variations horizontales ou verticales de sa valeur numérique à des échelles suffisamment petites ; plus généralement, elle peut s'appliquer aux champs respectifs des vitesses horizontale et verticale de déplacement d'un fluide autre que l'air, comme dans l'écoulement de l'eau par exemple. Mais on doit souligner que les expressions "cisaillement horizontal" et "cisaillement vertical", en météorologie, ne se réfèrent qu'aux variations horizontales ou verticales du vent, donc de la composante horizontale de la vitesse de l'air ; de même le "cisaillement" y est-il entendu comme une variation spatiale de cette seule composante — sauf précision contradictoire — , alors que dans un contexte non météorologique, le cisaillement apparaissant à un instant donné entre deux points voisins dans un fluide sera a priori la résultante des variations spatiales subies respectivement à cet instant par les vitesses horizontale et verticale d'écoulement du fluide lorsqu'on passe de l'un à l'autre point.

Une des formes prises par le cisaillement horizontal consiste en une variation sensible de la vitesse du vent perpendiculairement au sens de l'écoulement, lequel donne alors naissance à des tourbillons dont le sens de rotation dépend du sens de variation de la vitesse par rapport à celui du courant : dans le cas d'un cisaillement anticyclonique , cette dernière augmente de droite à gauche pour l'hémisphère Nord, dans le sens contraire pour l'hémisphère Sud, tendant ainsi à développer une dorsale ; dans le cas d'un cisaillement cyclonique , au contraire, la vitesse du vent augmente de gauche à droite pour l'hémisphère Nord, dans le sens contraire pour l'hémisphère Sud, faisant naître ainsi un thalweg.

Il faut souligner que l'expression "cisaillement cyclonique" est plus fréquemment employée avec une autre signification, qui s'applique au cisaillement vertical du vent : il y a alors cisaillement cyclonique si le vent, en montant verticalement de la limite inférieure de la couche à sa limite supérieure, tourne verticalement dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pour l'hémisphère Nord, dans le sens contraire pour l'hémisphère Sud. Au contact de la surface terrestre, le frottement induit de la sorte, dans la couche d'Ekman, un cisaillement cyclonique suivant la verticale. Plus généralement, le vent subit dans l'ensemble de la couche limite planétaire un cisaillement vertical qui fait croître sa vitesse d'une valeur nulle près de la surface terrestre à la valeur correspondant au bas de l' atmosphère libre ; de même, un cisaillement vertical tend à accroître la vitesse avec l'altitude à l'approche de la tropopause, particulièrement dans les zones traversées par des courants-jets : on constate alors que l'importance du cisaillement vertical dans l'une ou l'autre de ces deux régions limitant la troposphère peut contribuer à la cyclogénèse d'une perturbation, voire d'une tempête.

La présence d'un cisaillement vertical le long de la surface séparant deux couches atmosphériques contiguës génère quant à elle des ondes de cisaillement se maintenant sous la forme de rotors régulièrement espacés, qui finissent par déferler à la manière de rouleaux turbulents. Il est à noter que des rotors isolés peuvent être suscités aussi par des variations locales de la vitesse verticale de l'air , lorsque cette dernière, dans deux régions adjacentes, présente des directions ascendantes d'un côté, descendantes de l'autre.