De nombreux accidents aériens se sont produits à proximité des orages. Il est souvent dit que la turbulence peut être extrême à l'intérieur d'un cumulonimbus et déchiqueter un aéronef. Cependant ce type d'accident est relativement rare. En général la turbulence sous un orage peut être assez faible voire nulle. En pratique, la plupart des crashs se produisent près du sol lorsqu'un pilote se fait surprendre par des sautes de vent qui provoquent un décrochage. En général, les accidents liés aux orages n'impliquent pas une rupture de l'aéronef mais sont la conséquence d'effets secondaires des orages, par exemple un avion cabossé par la grêle ou dont la peinture a été « nettoyée » (par abrasion) par une pluie diluvienne.
Ainsi, les cumulonimbus sont réputés extrêmement dangereux pour la navigation aérienne et il est recommandé de les éviter autant que possible. Ils peuvent être extrêmement sournois et un pilote inattentif peut se retrouver dans une situation très dangereuse tout en volant dans un air absolument calme en apparence.
Malgré tout, il existe une gradation au niveau de la sévérité des orages. Il y a peu de différence quantitative entre une méchante averse engendrée par un cumulus congestus et un petit orage avec 3 coups de tonnerre engendré par un petit cumulonimbus. C'est la raison pour laquelle les pilotes de planeur ont pu exploiter des orages. Cependant, la prévision de la sévérité d'un orage n'est pas une science exacte et il existe de nombreux cas où les pilotes se sont fait piéger en sous-estimant la violence de l'orage, qui s'est brutalement renforcé.
Dangers pour les aéronefs en général vignette|droite|Cumulonimbus supercellulaire ayant entraîné de lourds dégâts au Nouveau-Mexique. Il avait la capacité de détruire n'importe quel aéronef. Même les plus gros avions de ligne modifient leur route afin d'éviter de croiser le chemin d'un cumulonimbus. Ainsi, deux effets dangereux des cumulonimbus ont été avancés pour le crash du vol AF447, qui s'est abîmé en mer le à au nord-est du Brésil après avoir rencontré un système convectif de méso-échelle dans la zone de convergence intertropicale (appelée par les marins le « pot au noir »), où les cumulonimbus s'élevaient à plus de d'altitude. Toutefois, l'appareil ne s'étant pas désintégré en vol, une autre hypothèse impliquant le gel des sondes Pitot de l'appareil a été vérifiée. L'incohérence entre les vitesses mesurées par les différentes sondes fait partie des causes de l'accident selon le rapport final.
La FAA américaine recommande aux aéronefs, dont les planeurs, de ne pas s'approcher à moins de d'un orage sévère, alors qu'un pilote de planeur pourrait essayer d'utiliser les courants ascendants existant dans ou sous ce type de nuage.. Il existe deux sortes de dangers pour ce type d'appareil. Le premier est lié aux effets de cisaillement entre les zones ascendantes et subsidantes dans le nuage qui peuvent briser le planeur : ce cisaillement engendre une instabilité de Kelvin-Helmholtz qui est à l'origine de sous-tourbillons extrêmement violents. Le second est plus sournois : les forts courants ascendants sous un cumulonimbus supercellulaire peuvent couvrir un large diamètre et être relativement peu ou pas turbulents, comme il est expliqué ci-dessous. Dans ce cas, le planeur peut être aspiré dans le nuage et le pilote se retrouve en mauvaise posture à cause de la perte des repères visuels par rapport au sol, les conditions de vol devenant rapidement IMC. La FAA décrit la situation de la manière suivante :
Dans ces conditions (si l'aéronef n'est pas équipé pour le vol aux instruments ou si son pilote n'a pas suffisamment d'expérience de vol aux instruments), l'aéronef entrera dans une spirale descendante (graveyard spiral en anglais) et se brisera à cause du facteur de charge imposé à la structure. Dans ces conditions, ce ne sont pas les turbulences à l'intérieur du nuage qui seront à l'origine de l'accident, mais seulement l'incapacité du pilote à maîtriser l'aéronef à la suite de la perte des repères visuels. Dans le cas d'un vol aux instruments (vol IFR), les cumulonimbus peuvent surprendre le pilote lorsqu'ils sont noyés dans une masse nuageuse d'un type plus bénin. Par exemple des nimbostratus peuvent provenir de l'étalement d'un cumulonimbus (nimbostratus cumulonimbogenitus), rendant probable la présence de cellules convectives encore actives dans le voisinage. Les petits avions de tourisme ne sont généralement pas équipés de radars météorologiques et lors d'une approche IFR peuvent être envoyés accidentellement par le contrôle aérien vers des cellules actives peu évidentes.
Physique des cumulonimbus Anciennes théories concernant les cumulonimbus Un modèle hyper-simplifié (et discutable) divise un orage en 3 phases : La phase dite de cumulus où il n'y aurait que des courants ascendants sous le cumulonimbus en formation (son sommet atteignant une hauteur de ) La phase dite de maturité où les courants ascendants seraient présents au sommet du nuage et des courants descendants sous le nuage entraînant le début des précipitations. Leur hauteur serait d'environ La phase dite de dissipation où ne seraient plus que présents des courants descendants et où la hauteur du nuage atteindrait .
Un tel modèle appelle à plusieurs remarques : La loi de conservation de la masse est violée. Il est impossible que les courants ascendants ou descendants ne soient pas compensés par des courants de sens opposé. Dans ce cas, un creux de pression se formerait ; Un « cumulus » atteignant est un cumulonimbus car la température est de l'ordre de et donc le sommet de ce nuage est constitué uniquement de cristaux de glace. Il est dit que « Severe updrafts and downdrafts occur in the mature stage » (traduction : « Des courants ascendants et descendants violents se produisent lors de la phase de maturité »). Ceci est vrai en ce qui concerne les courants descendants qui peuvent engendrer des rafales descendantes d'une rare intensité, mais cela est beaucoup moins vrai pour les courants ascendants situés sous le nuage qui peuvent extrêmement doux et sournois (cf infra).
Il est aussi dit que : « Pilots flying outside the thundersorm cell, but near the storm area, can encounter hail and extreme turbulence. » (traduction : « Des pilotes volant en dehors d'une cellule orageuse, mais à proximité de l'orage peuvent rencontrer de la grêle et une turbulence extrême »). Cette affirmation correspond à la présence d'une goutte froide qui peut s'étaler en dehors de la zone orageuse (cf infra).
Il convient donc de raffiner ce modèle.
Caractéristiques des courants ascendants
vignette|upright=2|Figure 2 : Zone avant d'un cumulonimbus violent se déplaçant vers l'ouest. Cette zone sans précipitations est le siège d'ascendances généralisées. Les courants ascendants sous un cumulonimbus peuvent être extrêmement laminaires, étendus et réguliers, surtout au début de la formation de l'orage. Ceux-ci peuvent durer plus d'une heure et correspondent à un état d'équilibre du cumulonimbus.. En effet, l'ascendance sous le nuage est due en plus grande partie à la poussée d'Archimède, mais il s'y ajoute un fort différentiel de pression entre la base et le sommet du cumulonimbus et des soulèvements mécaniques locaux à bas niveau, comme celui de la goutte froide. Les deux derniers phénomènes peuvent aider à vaincre une zone d'air stable en surface en soulevant les parcelles d'air au niveau où elles deviennent finalement plus chaudes que l'environnement. Le résultat total est que l'air est aspiré à l'intérieur du nuage à l'instar d'un aspirateur ; il provient d'une large zone, ce qui minimise les différences latérales. Dans ces conditions, les turbulences sont minimisées.. Ainsi, il est dit :
En fait le papier d'Ellrod et Marwitz est plus général. Ces auteurs affirment qu'en général, la flottabilité des parcelles d'air en dessous de la base d'un cumulonimbus est souvent négative. Ceci explique pourquoi les ascendances sous la base d'un cumulonimbus sont souvent laminaires. Ce phénomène est très connu des pilotes expérimentés de planeur (voir infra). Le phénomène est amplifié sous la voûte d'échos faibles d'un orage supercellulaire, qui est extrêmement dangereux. À environ de hauteur ces ascendances douces se transforment subitement en ascendances fortement turbulentes.
En général, les courants ascendants atteignent leur vitesse maximale à environ du sol. À cette altitude, il se produit un changement de phase où les gouttelettes d'eau se transforment en cristaux de glace et par conséquent libèrent de l'énergie sous forme de chaleur latente et donc les courants ascendants s'accélèrent. Les orages supercellulaires ou de derechos peuvent y avoir des courants ascendants gigantesques, dont la vitesse dépasse les (). Une telle vitesse correspond à celle du vent d'un petit ouragan. Elle peut même atteindre plus de (ou ). Dans l'échelle de Beaufort, un vent de force 12 (ouragan) est un vent de plus de 64 nœuds. Si l'échelle de Beaufort pouvait être étendue, ces courants ascendants auraient une force de 14 dans le sens de la verticale ! La turbulence est alors extrême à cette altitude. Le modèle simplifié de Schmidt prévoirait un facteur de charge de 21 G pour un planeur.. Cela est plus que suffisant pour désintégrer n'importe quel aéronef. De plus, le diamètre des colonnes ascendantes est compris en général entre (orage de masse d'air) et (orage supercellulaire). La hauteur de la base d'un cumulonimbus est extrêmement variable. Elle peut varier de quelques dizaines de mètres au-dessus du sol à 4000 m ou plus au-dessus du sol. Dans ce cas, soit les ascendances partent à partir du sol si l'air est très sec (cas typique des déserts) ; ou les ascendances ne proviennent pas du sol dans le cas où des altocumulus castellanus ont dégénéré en cumulonimbus. Dans ce cas, on parle de convection en altitude. ( en anglais).
Dangers liés aux rafales descendantes
vignette|upright=2|Figure 3 : Étalement de la goutte froide donnant les rafales descendantes Les rafales descendantes sont extrêmement dangereuses pour plusieurs raisons. Tout d'abord les courants descendants sous les cumulonimbus peuvent être intenses et étendus. Un planeur qui rencontre un courant descendant de et volant à aura une finesse approximative de 3. En supposant que le planeur soit à la base du nuage à de hauteur, il ne pourra parcourir que et devra « vacher » dans des conditions difficiles et dangereuses. Même en cas d'atterrissage correct du planeur, le planeur pourra être détruit ultérieurement par une rafale de vent. Lorsqu'un rideau de pluie matérialise une rafale descendante, il faut absolument éviter de se poser dans cette région.
Des courants descendants de sont possibles qui pourront provoquer des rafales de vent de ou plus. L'atterrissage d'un aéronef léger dans ces conditions est simplement impossible. De plus, à proximité du sol, un pilote de planeur ou d'avion à moteur pourra se faire surprendre par une brusque inversion de la direction du vent et passer d'une situation de vent de face à une situation de vent arrière. Si sa vitesse est insuffisante, il décrochera et s'écrasera au sol. Des cas célèbres d'écrasements se sont produits aux États-Unis qui ont conduit à la mise sur pied d'un réseau de profileur de vents et de radars météorologiques spéciaux près des aéroports pour surveiller ces cisaillements. D'après les règles de la FAA américaine, tout pilote est tenu de s'assurer de la direction et de la vitesse du vent au sol avant de se poser.