Glossaire

cellule convective

  Curieux  

On appelle cellule convective (ou de convection ), en météorologie, une région de l'atmosphère dans laquelle l'air est animé de mouvements convectifs, donc verticaux, se traduisant par la persistance de courants ascendants et de courants descendants qui s'entretiennent mutuellement grâce à des échanges d'énergie et de parcelles d'air limités à la région concernée et à son environnement immédiat.

Il s'agit là, en fait, d'un processus très général en mécanique des fluides. Ainsi, quand sur une table de laboratoire on emplit d'un fluide donné (l'eau peut convenir) l'espace compris entre deux surfaces horizontales de température uniforme, le chauffage de la surface inférieure entraîne des mouvements verticaux du fluide ; or, il peut arriver que ces mouvements de convection perdent leur aspect chaotique pour s'organiser en cellules régulièrement distribuées, appelées cellules de Bénard — du nom du physicien français Henri Bénard (1874-1939).

Il se trouve que des phénomènes semblables de structuration accompagnent fréquemment la convection atmosphérique. Alors s'établit verticalement une circulation d'air en cycle fermé, qui s'organise autour de l'ascendance générée par une instabilité convective et se manifeste par un mouvement interne à une zone atmosphérique. Pareil mouvement peut être maintenu pendant un certain laps de temps (par exemple la journée, dans les cellules convectives dites d'évolution diurne) sans que se modifie sa configuration, qui est celle d'une cellule convective ; et tant que celle-ci s'entretient, il ne se produira que peu d'échanges de matière et d'énergie entre la zone en question et les zones atmosphériques avoisinantes.


  Initié  

Mouvement et pression dans les cellules convectives

Le phénomène des cellules convectives se retrouve à toutes les échelles spatio-temporelles en météorologie, depuis les microéchelles — de façon analogue aux cellules de Bénard — jusqu'à l'échelle globale — celle du globe terrestre, où se maintient en permanence le cycle des cellules de Hadley. Parmi ces échelles, certaines sont davantage en rapport avec la prévision météorologique que ne l'est l'échelle globale : on peut par exemple citer dans ce cas l'échelle subsynoptique (de quelques centaines à un millier de km de dimension horizontale) en rapport avec les cyclones tropicaux, ou bien les échelles moyennes (quelques dizaines de km) en rapport avec les orages. Détaillons le processus de formation et d'entretien d'une cellule convective et ses liens avec la pression atmosphérique à des échelles de cet ordre.

Au début d'un tel processus, de l'air s'élève selon une spirale de plus en plus étroite en tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pour l'hémisphère Nord, dans le sens contraire pour l'hémisphère Sud, et ce mouvement provoque naturellement à la base de l'ascendance une dépression, donc un appel d'air et une convergence de vents soufflant à basse altitude en provenance de zones voisines. À une certaine altitude, cette ascendance est bloquée par une couche d'air qui instaure à son sommet une diminution de la dépression, voire une surpression, mais le mouvement spiralé acquis par l'ascendance dépressionnaire est porté par des courants suffisamment énergiques pour maintenir son sens de rotation lors de la divergence des vents qui s'en extraient alors. Dans ces conditions, il suffit qu'existe dans les parages de la base de l'ascendance une région anticyclonique, même diffuse, pour que la divergence des vents au sommet de la zone dépressionnaire et leur convergence à sa base commencent à s'organiser dans des directions préférentielles.

Dans le cas idéal, un anticyclone se trouve à proximité de la base de l'ascendance : il engendre alors dans le voisinage de celle-ci une subsidence dont les courants descendants s'engagent dans une spirale de plus en plus large en tournant lentement dans le sens des aiguilles d'une montre pour l'hémisphère Nord, dans le sens contraire pour l'hémisphère Sud. En altitude, cette subsidence entraîne au sommet de l'anticyclone une baisse de la surpression, voire une dépression, qui favorise par appel d'air une convergence de vents soufflant des zones voisines ; à l'inverse, la surpression est maximale à la base de l'anticyclone, d'où les vents s'extraient en se disposant en une divergence. Dans ce cas simple, qui est par exemple celui des thermiques et des brises, les vents de surface soufflant de la zone de divergence anticyclonique à la zone de convergence dépressionnaire et les vents d'altitude soufflant du sommet de l'ascendance à celui de l'anticyclone complètent la cellule convective, dans laquelle l'ascendance reste alimentée à la fois en matière — par l'apport d'air que peut fournir la zone anticyclonique grâce à la subsidence qui y règne — et en énergie — par l'instabilité convective et, éventuellement, par la condensation — jusqu'à ce que cette instabilité se résorbe.


L'asymétrie entre ascendance et subsidence

Le processus physique produisant une cellule convective n'implique en rien une symétrie de comportement entre l'ascendance dépressionnaire — dont le mouvement vers le haut exige un apport d'énergie pour contrecarrer le poids de l'air — et la zone de subsidence qui lui est appariée, et dont le caractère anticyclonique peut rester peu marqué : en particulier, dans la couche élevée qui bloque l'ascendance, il suffit que la pression au sein de cette zone "anticyclonique" soit à peine inférieure à celle du sommet de l'ascendance pour que s'enclenche l'organisation en altitude de la "boucle" de convection, de même qu'une faible différence de pression à la base la clôt près de la surface terrestre.

D'autre part, les zones anticycloniques ont tendance à s'étaler plus largement que les zones dépressionnaires, car les isohypses des surfaces isobares sont plus resserrées dans les dépressions qu'à l'intérieur des anticyclones, ce qui est l'indice de vitesses du vent plus importantes. Ainsi, même si la subsidence et l'ascendance contiennent une même masse et tournent (en sens inverse) avec la même énergie, la première se distinguera de la seconde par une moindre vitesse de rotation autour de l'axe (généralement oblique) et par un plus grand étalement autour de cet axe. Tel est du moins le cas dans le type de cellule convective que nous avons présenté plus haut : car ces considérations très générales peuvent être démenties dans nombre de circonstances, comme celles où certains orages développent des courants descendants atteignant eux aussi des vitesses importantes.

Par ailleurs, il est fréquent que la configuration de la zone que nous avons qualifiée d'anticyclonique ne corresponde pas à la représentation habituelle d'un anticyclone de forme approximativement ovale, développé autour d'un centre unique, mais se démultiplie en une sorte de quadrillage où alternent subsidences et ascendances (la partition de certains nuages en éléments régulièrement disposés révèle ce genre de structure multicellulaire). La zone anticyclonique peut aussi s'allonger en une dorsale, ou encore se répartir suivant un disque adoptant presque une symétrie circulaire : ce dernier cas est celui des cyclones tropicaux, où l'énergie nécessaire à l'entretien de la cellule convective est empruntée à l'instabilité générée par la température très élevée des eaux de surface océaniques.

Quoi qu'il en soit, les cellules associées à l'ensemble des phénomènes qui viennent d'être évoqués sont à distinguer des "boucles" formées à partir du couplage d'une ascendance et d'une subsidence dans les habituelles perturbations des régions tempérées, à l'échelle synoptique (de l'ordre du millier ou de quelques milliers de km) : lors de ces perturbations, l'énergie nécessaire à la circulation de l'air est empruntée principalement à un courant-jet soufflant à haute altitude, cela jusqu'à ce que l'instabilité barocline qui produit la perturbation ait été résorbée.