Le cumulonimbus, de la famille des cumulus, est le nuage qui présente la plus grande extension verticale... Sa base se situe en général de quelques centaines de mètres à mètres du sol.. Son sommet dépasse parfois la tropopause ; il peut donc culminer à des altitudes allant de à . . . voire .. En fin d'évolution, sa partie supérieure ressemble à une enclume, et l'on parle alors de cumulonimbus capillatus, par opposition au cumulonimbus calvus (étape de transition entre le cumulus congestus et le cumulonimbus capillatus). Par extension, l'expression « enclume du Cb » désigne généralement sa partie supérieure, qui persiste souvent après la perte d'activité du nuage. Cette enclume devient alors un cirrus spissatus cumulonimbogenitus (cirrus épais né d'un cumulonimbus).
Le cumulonimbus est associé à des phénomènes météorologiques qui peuvent être violents : fortes averses, foudre, tornades, très fortes ascendances, rafales descendantes et grêle... Ce nuage présente le plus d'extension verticale et l'énergie qu'il renferme peut être impressionnante, les plus gros pouvant rivaliser avec l'énergie de la bombe atomique de Nagasaki. La quantité d'eau qui condense par refroidissement peut atteindre . et les courants ascendants pour les plus intenses. Ce sont donc, dans le cadre du cycle de l'eau, des supertankers...
Formation
vignette|gauche|Photo de cumulonimbus. Les cumulonimbus sont des nuages d'origine convective, membres de la classe des cumulus. Il s'agit en fait de cumulus de très forte extension verticale dont la partie supérieure est constituée de cristaux de glace. Leur formation est favorisée par des conditions chaudes et humides près de la surface, mais plus froides et sèches en altitude.
Les cumulonimbus dits de masse d'air, typiquement les orages en été de fin d'après-midi et qui sont relativement bénins, se forment à la suite de la convection causée par le réchauffement solaire de l'air près du sol, en l'absence de forçages dynamiques. La présence de forçages dus à la dynamique atmosphérique peut déstabiliser davantage l'atmosphère, ce qui augmente la probabilité de formation de cumulonimbus et la sévérité des orages qui en résultent. Ces derniers se développent en général à l'approche d'un front froid ou par soulèvement orographique. La plupart des orages violents sont de ce type.
L'apparition de l'enclume est la conséquence de l'étalement du cumulonimbus au niveau de la tropopause (nom donné à la limite entre la troposphère et la stratosphère). Les courants ascendants à l'intérieur du nuage sont stoppés ou ralentis en arrivant dans cette zone de l'atmosphère particulièrement stable, et ils se transforment alors en courants horizontaux.
vignette|Formations de cumulus précurseurs d'un orage. En cas d'orage sévère, la différence entre la température de la masse d'air ascendante et celle de l'air extérieur peut entraîner une propagation du courant ascendant dans la stratosphère, il se forme alors un sommet protubérant appelé en anglais overshooting dome.
Les courants ascendants sous un cumulonimbus peuvent être extrêmement laminaires, étendus et réguliers. En effet, l'ascendance sous le nuage peut ne pas être due à la poussée d'Archimède mais être due à un fort différentiel de pression à l'intérieur du cumulonimbus. L'air est alors aspiré à l'intérieur du nuage à l'instar d'un aspirateur. La masse d'air en ascension est alors plus froide que l'air environnant et a une flottabilité négative. Dans ces conditions, les turbulences sont annihilées.. En général, les courants ascendants atteignent leur vitesse maximale à environ du sol. Les orages supercellulaires ou de derechos peuvent avoir des courants ascendants gigantesques à cette altitude dont la vitesse dépasse les (). Une telle vitesse pour un courant ascendant correspond à la vitesse du vent d'un petit ouragan. De plus, le diamètre des colonnes ascendantes est compris en général entre (orage de masse d'air) et (orage supercellulaire)..
L'altitude de la base d'un cumulonimbus est extrêmement variable. Elle peut varier de quelques dizaines de mètres au-dessus du sol à 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) ; soit 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. (elevated convection. en anglais). Le sommet des cumulonimbus se trouve à des hauteurs très variables. Par temps froid, il peut se limiter à de hauteur ; dans les régions tropicales, la hauteur caractéristique des cumulonimbus est de . ; dans les cas extrêmes, les cumulonimbus peuvent monter à ou plus..
Dangers
Général
Ce type de nuage donne les orages. En fonction de son développement, il peut être le siège de manifestations électriques comme la foudre, de chutes de grêle, de pluie, de fortes précipitations, de rafales descendantes et dans les cas les plus extrêmes, de tornades. À cela s'ajoute le risque de givrage (présent lorsque la température de l'air extérieur est comprise entre -40 et 0 degrés Celsius) et de forts cisaillements des vents dans le nuage. En général, les courants ascendants et descendants sous un cumulonimbus correspondant à un orage de fin d'après-midi d'été sont modestes (de l'ordre de ). Par contre, les orages supercellulaires ou de derechos peuvent avoir des courants ascendants dépassant à l'intérieur du nuage.
Aviation et vol à voile
vignette|redresse=0.65|Vue aérienne d'un cumulonimbus avec pileus, volant à au-dessus du Brésil. Il est généralement admis que les aéronefs devraient éviter de voler à proximité des cumulonimbus qui développent une énergie considérable. Le principal danger lié aux cumulonimbus est la présence de rafales descendantes et d'une très forte turbulence dans les hautes couches du nuage dues à un effet de cisaillement entre les courants ascendants et descendants. Il existe d'autres dangers plus sournois comme la perte de repères visuels lorsqu'un aéronef est aspiré dans le nuage, le foudroiement, le givrage dû à la présence d'eau surfondue en grande quantité et les hydrométéores comme la grêle.
Variétés
On distingue les types de cumulonimbus selon leur forme, celle-ci étant reliée au stade de maturité du nuage. Leurs caractéristiques dépendent de l'altitude atteinte dans un environnement spécifique de cisaillement des vents et d’humidité, quels que soient l'endroit et la saison.
Cumulonimbus calvus vignette|gauche|Cumulonimbus calvus entre un arcus (en bas) et un voile de cirrus, pendant la mousson à Mayotte.
Cumulonimbus calvus est le stade du cumulonimbus qui se situe entre le cumulus bourgeonnant et le cumulonimbus capillatus. Il atteint une extension verticale similaire à ce dernier mais n'a pas de sommet fibreux en forme d'enclume, le terme calvus signifiant chauve. Il se caractérise par un aspect de bulles rondes et blanches et un sommet bien défini.
Ce type de cumulonimbus est surtout formé de gouttelettes surfondues, seul le sommet commence à contenir des cristaux de glace. Il va donner des averses fortes et peut produire de la foudre nuage-nuage mais généralement pas de grêle. Il peut également produire un front de rafales qui pourra donner un arcus à sa base.
Cumulonimbus capillatus et incus vignette|Cumulonimbus capillatus avec incus. Le cumulonimbus capillatus est la dernière étape de la formation d'un cumulonimbus. Le nuage atteint alors sa plus grande extension verticale car les parcelles d'air humide, montant grâce à l'instabilité de l'air, ont dépassé le niveau d'équilibre et ralentissent leur ascension dans l'inversion de température de la tropopause. Les gouttelettes se transforment en cristaux de glace, selon la disponibilité des noyaux de congélation, et les vents de très haute altitude peuvent les entraîner loin du courant ascendant pour former un nuage de type cirrus au sommet lui donnant un aspect chevelu (capillatus en latin).
Lorsque ce cirrus forme un nuage plat semblable à une enclume, on parle de cumulonimbus capillatus incus (enclume en latin). Sa base très sombre s'accompagne fréquemment de nuages bas déchiquetés, soudés ou non avec elle, que l'on nomme pannus. Dans certains cas, des sommets protubérants en forme de dômes surmontent l'enclume, révélant la très grande intensité du courant ascendant.
Les cumulonimbus capillatus et incus peuvent donner toute la panoplie de phénomènes violents comme les pluies torrentielles, la grêle, les rafales descendantes, et même les tornades, surtout s'ils deviennent supercellulaires. Par exemple, des rafales jusqu'à à Charleville-Mézières le . et des grêlons de à Levier le sous un orage supercellulaire. ont été observés.
Cumulonimbus pileus vignette|Cumulonimbus calvus surmonté d'un pileus diaphane.
Un cumulonimbus pileus est un cumulonimbus surmonté d'un cirrus comme s'il avait un capuchon (pileus signifie capuchon en latin). Ce cirrus n'est pas directement relié au nuage convectif et se distingue de l'enclume du cumulonimbus incus en cela qu'il se forme plutôt au-dessus de l'orage à cause du courant ascendant. En effet, le mouvement ascendant interne induit un mouvement vertical dans toute la colonne d'air et si l'air en haute altitude est près de la saturation, l'humidité se condense pour former un cirrus par un effet similaire à l'effet de foehn.
La formation du pileus étant distincte du nuage sous-jacent, on peut en retrouver avec des cumulus ou des cumulus bourgeonnants. Leur formation cache souvent le vrai sommet du nuage convectif et peut induire en erreur sur le stade auquel il est rendu. Il indique cependant que le mouvement vertical est important et, dans le cas de cumulonimbus, peut être indicateur d'orages violents.
Cumulonimbus altocumulogenitus vignette|gauche|Orages à base élevée en voie de formation.
Ce nuage, officiellement appelé cumulonimbus altocumulogenitus.. et officieusement altocumulonimbus, se rencontre souvent lors du passage de fronts chauds. Il est engendré par des ascendances ne partant pas du sol et a pour origine le sur-développement d'un altocumulus castellanus. Ce nuage se produit lorsque l'atmosphère est conditionnellement instable aux niveaux moyens de l'atmosphère et est stable au sol. Il est souvent engendré par un forçage extérieur. Il évolue en général en un cumulonimbus standard qui est souvent plongé dans une masse de nimbostratus. Il engendre souvent des précipitations durables et soutenues.
La photographie ci-contre montre des altocumulonimbus en voie de formation qui provoqueront des orages à base élevée (elevated convection en anglais).
Pyrocumulonimbus
vignette|Pyrocumulonimbus déclenché par un feu de forêt près de Los Angeles en 2009. vignette|Cumulonimbus flammagenitus homogenitus (champignon atomique) en formation au-dessus de Nagasaki après le largage de la bombe atomique. Un pyrocumulonimbus (pyroCb), aussi appelé ., est un cumulonimbus qui se forme au-dessus d'une source intense de chaleur. Selon la nouvelle version de l'Atlas international des nuages paru en , le nom officiel du pyrocumulonimbus devient cumulonimbus flammagenitus.. Ils ont été découverts lors de feux de forêt... Ceux-ci créent des conditions d'instabilité similaires au réchauffement diurne, en plus d’ajouter des particules fines qui peuvent servir à la condensation de la vapeur d’eau en gouttelettes.. La source de chaleur est généralement un feu intense ou une éruption volcanique, mais il peut être simplement déclenché par la chaleur des rejets d’une cheminée industrielle si l'air est déjà très instable.