Prévision des orages violents

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La prévision des orages violents est la partie de la météorologie opérationnelle qui essaie de prévoir le développement, l'intensité, le type de danger et les zones affectées par des orages pouvant donner de la grosse grêle, des vents destructeurs, des tornades et des pluies torrentielles. Tempête de grêle sous orage violent (Source: NOAA)
Prévision des orages violents

La prévision des orages violents est la partie de la météorologie opérationnelle qui essaie de prévoir le développement, l'intensité, le type de danger et les zones affectées par des orages pouvant donner de la grosse grêle, des vents destructeurs, des tornades et des pluies torrentielles. Tempête de grêle sous orage violent (Source: NOAA)

Définition d'un orage violent

La définition des critères des différents phénomènes associées avec un orage violent varie d'un pays à l'autre et parfois même d'une région à l'autre à l'intérieur de certains pays. Ceci est dû à la morphologie du terrain, au type d'occupation des sols, à la concentration de la population et tous autres facteurs pouvant influencer la vie humaine, animale et végétale. En général, on considère qu'un orage est violent s'il donne un ou plusieurs des items suivants:
- Grêle de 2 cm de diamètre ou plus ce qui est la cause de graves dommages aux habitations, cultures, personnes et animaux.
- Vents de 90 km/h ou plus en rafales soudaines qui peuvent endommager les structures.
- Tornades
- Pluies diluviennes soudaines qui causeraient des inondations. Exceptions:
- Certains pays considèrent le taux d'éclairs comme étant un critère d'avertissement mais comme n'importe quel orage produit de la foudre, ce critère n'est pas vraiment indicateur de la violence de l'orage.
- Certaines régions considèrent que de la grêle de moins de 2 cm est également un critère d'avertissement à cause des risques potentiels aux cultures: arbres fruitiers, vigne, etc.
- Le critère de quantité de pluie est variable selon la géographie et le type de végétation puisque l'écoulement des eaux varie grandement selon les endroits. Certains pays coordonnent la prévision des orages avec leur système de mesures hydrologiques. Ils ne considèrent envoyer une alerte météorologique que lorsque la pluie a fait atteindre des niveaux critiques aux cours d'eaux d'une région et non avec le passage d'un orage violent.

Histoire

Les orages violents sont aussi vieux que le monde et les hommes ont toujours essayé de se prémunir contre leurs effets. Si l'on passe par dessus les incantations et autres lectures d'oracles de l'Antiquité, la recherche plus organisée pour comprendre les orages se produit à partir de la Renaissance par des observations. Par exemple, un fidèle adepte de la prise de données météorologiques, le gouverneur britannique John Winthrop , écrit dans ses notes de juillet 1643, qu’un soudain coup de vent dans le nord-est du Massachusetts et sur la côte du New Hampshire déracina des arbres, remplit l’air de poussières, souleva un édifice public de Newbury et tua un amérindien. Même si cette description pourrait être reliée à une rafale descendante ou à une ligne de grain, elle pourrait bien être le premier signalement dans l’histoire d’une tornade. La population se perd en conjecture à propos de ces « terribles tourbillons ». En juillet 1759, à la suite d’une terrible tornade passant à Leicester, Massachusetts, un descendant du gouverneur Winthrop écrit : ::Il me semble difficile de trouver une cause adéquate pour ce phénomène, de démontrer comment un petit volume d’air peut être mis en rotation si rapide. Je n’oserais pas m’aventurer à émettre une hypothèse. Le 14 août 1773 , le professeur Samuel Williams est le premier en Amérique à donner non seulement une description mais des données objectives de vents. Il écrit qu’une trombe marine s’est formée sur le fleuve côtier Merrimack, au sud de Salisbury (Massachusetts), et se transforma en tornade en touchant terre. Juste avant son apparition, de violentes rafales de vents venant du sud-ouest soufflèrent sur la région durant 4 minutes avant un changement rapide à l’ouest-nord-ouest. Deux minutes plus tard, le vent devenait calme et le ciel devint très sombre. Les recherches en météorologie devinrent plus systématiques à partir du XIXe siècle ainsi que les travaux sur l’explication des orages. Dans les années 1880 , le Corps des ingénieurs de l’armée américaine, qui était en charge du service météorologique naissant de ce pays, organisa une équipe de 2000 volontaires pour documenter tous les cas de tornades sur le centre et l’est des États-Unis. On en tira les patrons météorologiques de surface favorables à la génération des orages tornadiques et le Corps essaya de faire les premières prédictions. Ce ne fut pas très concluant et le National Weather Service, qui succéda au Corps, décida de ne pas mentionner jusqu’en 1938 la possibilité de ce phénomène dans ses alertes météo d’orages violents. Avec la naissance de l’aviation, la recherche des conditions nécessaires à la formation de tornades et d'orages violents fut remise à l’ordre du jour dans les années 1920 et 1930. Le développement du radiosondage commença à donner plus d’informations sur la structure verticale de l’atmosphère ce qui permis de reconnaître les facteurs thermodynamique et les déclencheurs synoptiques d’altitude nécessaires au déclenchement des nuages convectifs. Toutes les informations ainsi réunies ont été colligées et interprétées par des chercheurs comme A. K. Showalter and J. R. Fulks aux États-Unis. Utilisant ces travaux et leurs propres observations, les officiers météo E. J. Fawbush and R. C. Miller, de la base aérienne Tinker (Tinker Air Force Base) de la US Air Force à Oklahoma City, ont pu prédire pour la première fois avec succès l’occurrence d’une tornade sur la base le 25 mars 1948 en soirée. Depuis ce temps, la recherche mondiale en météorologie a permis de mieux comprendre les orages. La venue des modèles de prévision numérique du temps a permis de simuler le comportement de l'atmosphère à une échelle de plus en plus fine et nous avons maintenant des modèles dont la résolution s'approche de celle des orages (moins de 10 km de diamètre). Les modèles permettent également de produire des algorithmes qui donnent une idée du potentiel violent des orages. La prévision reste cependant encore une interaction entre les données informatiques et l'expérience du météorologiste.

Anatomie d'un orage

Diagramme thermodynamique qui montre que T soulevé adiabatiquement à rapport de mélange constant nous permet de trouver le NCA

Thermodynamique

Les nuages convectifs se forment dans une masse d'air instable où il y a disponibilité de chaleur et d'humidité à bas niveau et de l'air plus sec et froid en altitude. Une parcelle d'air qu'on soulève diminue de température (T) et de pression (P) avec l'altitude selon la loi des gaz parfaits (PV = nRT). Dans une atmosphère instable, elle atteint un niveau où elle devient plus chaude que l'air environnant: le « niveau de convection libre » (NCL). Elle subie alors la poussée d'Archimède et s'élève librement jusqu'à ce que sa température soit de nouveau en équilibre avec la température environnante. Quand la parcelle s'élève, elle se refroidit jusqu'à son point de rosée, à un niveau appelé « niveau de condensation par ascension » (NCA) et la vapeur d'eau qu'elle contient commence à se condenser. Ce niveau peut être atteint avant ou après le NCL. La condensation libère une certaine quantité de chaleur, la chaleur latente, fournie à l'eau au moment de son évaporation. Il en résulte une diminution notable du taux de refroidissement de la masse d'air ascendante ce qui augmente la poussée d'Archimède en augmentant la différence de température entre la parcelle et l'environnement. La base du nuage convectif se situera au NCA alors que son sommet sera au niveau d'équilibre ou légèrement plus haut à cause de l'inertie de la percelle. Ce mouvement ascendant, que l'on appelle la convection libre, est un processus libérateur d'énergie, et l'énergie potentielle (Énergie Potentielle de Convection Disponible) emmagasinée dans l'atmosphère instable se transforme en énergie cinétique de déplacement. On obtient des orages quand l'énergie cinétique libérée permet d'atteindre au moins une altitude où la température est sous -20 °C alors qu'elle est au-dessus de zéro près du sol. En effet, le mouvement des gouttelettes de nuages et de précipitation permet d, arracher des électrons par collision et crée une différence de potentiel électrique en la bas et le sommet du nuage ce qui donnera éventuellement de la foudre.

Bouchon

Une atmosphère instable comporte souvent une zone d'inversion de température, c'est-à-dire une mince couche d'air où la température augmente avec l'altitude qui inhibe temporairement la convection. Une parcelle d'air s'élevant à travers cette couche sera plus froide que l'air qui l'entoure et aura tendance à être repoussée vers le bas. L'inversion est donc très stable, elle empêche tout mouvement ascendant et rétablit l'équilibre. L'énergie nécessaire pour vaincre cette inversion est appelée Énergie d'inhibition de la convection. Au cours de la journée, lorsque le sol est chauffé par le soleil, l'air emprisonné sous cette inversion se réchauffe encore plus et peut également devenir plus humide du fait de l'évaporation. Si la zone d'inversion est localement érodée par des mélanges avec la couche inférieure ou si des phénomènes à grande échelle la soulèvent en bloc, la couche de surface devenue très instable jaillit violemment à certains endroits. L'air à la surface du sol s'écoule alors horizontalement vers ces points d'éruption et forme de hauts nuages d'orage.

Déclencheurs dynamiques

Carte composite des éléments favorables au déclenchement d'orages: 1) Courant-jet d'altitude(flèches bleues) 2) Courant-jet de bas niveau (flèches rouges) 3) Creux d'altitude (tiretés bleus) 4) Fronts et Dépressions (noirs) 5) Langue d'humidité (zig-zags verts) 6) Bordure d'air sec en altitude (tiretés rouges) (Source: La première prévision de tornade avec succès le 26 mars 1948, archives de NOAA) Même en présence de facteurs thermodynamiques favorables, un courant ascendant n'apparaît que si l'air instable au voisinage du sol est poussé jusqu'à la convection libre. Dans une masse d'air uniforme et sans mouvement, le réchauffement seul peut suffire mais en général il existe des déclencheurs qui vont permettre de concentrer l'activité orageuses:
- Une inversion locale peut s'atténuer ou même disparaître complètement si un courant courant-jet d'altitude passe dans le secteur car à l'intérieur du courant-jet, des vents particulièrement intenses, soufflant à plusieurs centaines de kilomètres par heure, se déplacent dans le sens du courant en refoulant vers le bas l'air devant eux et en aspirant vers le haut l'air derrière eux. Ce phénomène d'aspiration ascendante, s'il est suffisamment fort, peut dissiper une inversion et favoriser la formation d'orages ou l'intensification des orages en cours.
- La même chose peut se produire avec un courant-jet de bas niveau mais dans ce cas, il s'agit de convergence de masse à gauche du jet qui force l'air empilé à monter comme un pot qu'on presse à sa base.
- Des effets locaux comme l'ascension forcée de l'air le long d'une pente par des phénomènes météorologiques à grande échelle ou des brises de mer qui amène de l'air humide vers une zone instable.
- Le passage d'un front froid, où de l'air froid et dense s'avance dans une région plus chaude, se frayant un chemin sous l'air chaud en le soulevant. On repère les zones de potentiel d'orages en analysant d'abord le potentiel thermodynamiques de la masse d'air à l'aide de diagrammes comme le téphigramme ou de coupes à travers les cartes d'analyse produites par les modèles de prévision numérique du temps. Ensuite, le prévisionniste repère la position où on obtient le maximum de déclencheurs dynamiques dans la masse d'air. La carte de droite est l'analyse des éléments dynamiques à 00 heure TU, le 26 mars 1948 (carte historique), qui montre qu'un très grand nombre d'entre eux se retrouvent au-dessus de l'Oklahoma à ce moment (contour grisé).

Analyse du potentiel violent

Diagramme montrant les différents types d'orages violents selon leur EPCD et leur cisaillement des vents Une fois repéré la zone de développement d'orages, le prévisionniste doit évaluer le potentiel de ces orages. Ce dernier dépend de trois choses:
- L'humidité disponible.
- L'énergie potentielle de convection disponible (EPCD).
- Le cisaillement des vents dans et sous le nuage. En effet, c'est la combinaison de ces trois items qui déterminera le type d'orage ainsi que son potentiel de produire du temps violent. On voit dans le tableau de droite comment les différents types d'orages se situent en rapport avec l'énergie disponible et le cisaillement linéaire. Il manque cependant dans ce diagramme l'effet du changement de direction du vent avec l'altitude et l'humidité dont il faut tenir compte pour certains des phénomènes.

Pluie torrentielle

Plus la masse d'air est humide, plus la quantité de vapeur d'eau à condenser sera grande. Si l'EPCD est faible, le nuage généré sera de faible extension verticale et peu de cette humidité se changera en pluie. Si par contre, l'énergie disponible est grande mais le changement des vents avec l'altitude est fort, l'humidité condensée se retrouvera loin de son point de formation. Ainsi, les orages qui donnent des pluies torrentielles auront donc tendance à se retrouver dans une masse d'air instable et humide. Cependant, dans tous les cas, il y aura peu de cisaillement des vents. Le tout donne un orage très intense qui se déplace lentement. On peut calculer l'eau disponible pour condensation grâce aux équations de la thermodynamique dans ce cas et évaluer le potentiel d'accumulation de pluie sous l'orage. Un cas particulier d'orages à très forte pluviosité est celui des complexes convectifs de méso-échelle. Un CCM est un ensemble orageux se formant généralement en fin de journée à partir d'orages dispersés et qui atteint son apogée durant la nuit alors qu'il s'organise en une large zone circulaire. Après sa formation, il dérive dans le flux d'altitude et donne principalement des précipitations intenses causant des inondations sur de larges régions. Les CCM se développent sous une faible circulation atmosphérique anticyclonique, à l'avant d'un creux barométrique d'altitude, dans une masse d'air très instable et avec un cisaillement faible des vents avec l'altitude. La reconnaissance du patron de la circulation atmosphérique est donc importante dans ce cas, en plus du potentiel thermodynamique.

Grêle

Dans le cas des orages de grêle, l'EPCD doit être plus important que dans le cas des pluies torrentielles pour que les gouttes formées puissent atteindre un niveau où elles gèleront. Le cisaillement des vents doit être plus grand également de telle sortes que le grêlons passe le maximum de temps et de zones dans le nuage avant de retomber. Finalement, le niveau de congélation doit être à une hauteur où le grêlon ne fondra pas complètement avant d'atteindre le sol. Différents algorithmes permettent d'évaluer la grosseur du grêlon.

Tornade

Structure d'un orage supercellaire avec les mouvements de l'air par les flèches noires, incluant la très large circulation de mésocyclone en rouge et sous celle-ci la tornade de beaucoup plus faible diamètre Lorsque les vents subissent un fort changement ou cisaillement dans la verticale, en direction et en intensité, cela induit un mouvement de rotation autour d'un axe horizontal. Quand ce tube de vents en rotation entrent en interaction avec le fort courant ascendant d'un orage violent, cette rotation autour de l'axe horizontal va basculer et devenir une rotation autour d'un axe vertical et créer un mésocyclone. D'après une loi fondamentale de la physique, le moment cinétique d'une masse d'air par rapport à son axe de rotation vertical est conservé. Ce moment cinétique est égal au produit de la quantité de mouvement (la masse multipliée par la vitesse) par la distance à l'axe. Le courant ascendant en étirant verticalement le tube d'air en rotation augmente donc la rotation en diminuant le diamètre du mésocyclone à environ deux à six kilomètres. Ce mésocyclone, dont le pied est à une altitude d'un kilomètre et le haut presque au sommet de l'orage, sera encore plus concentré par des raisons locales de vents dans le nuage à un diamètre n'excédant pas un kilomètre. Si le cisaillement des vents sous l'orage est favorable, on assistera à une dernière concentration qui peut donner une tornade de seulement quelques centaines de mètres mais avec des vents dépassant les 100 km/h. Pour prévoir un tel phénomène, il faut donc connaître le cisaillement dans les bas niveaux et la possibilité de sa concentration. On utilise pour cela le calcul de l'hélicité de la masse d'air sous les 3 kilomètres d'altitude et sa relation avec l'EPCD.

Rafales descendantes

Un dernier phénomène violent est celui des rafales descendantes. Lorsqu'un orage est gorgé de pluie et dans un environnement relativement sec en altitude, le cœur des précipitation peut attirer l'air sec dans le nuage en descendant. Ce dernier étant plus froid que le nuage, il subit la poussée d'Archimède vers le bas. Ce mouvement d'air froid et sec ainsi que la masse de pluie qui descend donnent des rafales qui peuvent atteindre les 200 km/h dans certaines conditions. L'analyse de l'humidité absolue, de l'EPCD et du téphigramme montrent le potentiel pour ce genre de temps violent. Si en plus, on remarque un courant-jet de bas niveau dans le secteur de l'orage, on peut penser à son rabattement par la rafale descendante, ce qui l'augmente d'autant.

Lignes de grain, grain en arc et Derecho

Vues en coupe verticale et horizontale des précipitations et de la circulation de l'air dans une ligne de grain Si le cisaillement des vents est important mais linéaire, c'est-à-dire que les vents augmentent avec l'altitude mais plus ou moins dans la même direction, les orages qui se formeront auront tendance à s'unir en formant une ligne. Si en plus, on a un courant-jet de bas niveau à angle de cette ligne, il sera rabattu vers le sol par le courant descendant des orages. Le front de rafales ainsi crée se propagera à l'avant de la ligne d'orages. C'est la structure verticale que l'on voit dans l'image de droite, à la partie du haut. Dans la partie du bas, on voit deux possibilités de forme de la ligne de grain. Si la direction du vent de surface (à l'avant) et celui du courant-jet (à l'arrière) sont symétriques mais opposés, on obtient une ligne d'orages droite. Lorsque l'EPCD dépasse 1000 J/kg, les fronts de rafales associés peuvent donner des vents violents. Par contre, si les flux sont assymétriques, on obtient une ligne en arc. Ce type de ligne peut comporter des points de rotation, comme montré dans la tête du diagramme, où des tornades peuvent se former en plus des rafales violentes le long de la ligne. Le prévisionniste doit donc évaluer l'énergie potentielle et la structure des vents pour reconnaître ce type d'orages violents.

Prévisions

Carte émise par le Service météorologique du Canada (région du Québec) pour le potentiel orageux. (Source: Environnement Canada) Une fois l'analyse du potentiel violent faite, le prévisionniste doit prévoir le déplacement des masses d'air et des déclencheurs d'orages. Jusqu'à l'avènement des ordinateurs et des modèles de prévision numérique du temps, il ne pouvait qu'extrapoler le déplacement de ces caractéristiques qu'avec l'histoire antérieure. C’est-à-dire qu'il suivait le déplacement des systèmes, des courant-jets, etc. à partir des données prises à toutes les 6 heures en altitude et des données de surface à toutes les heures. Depuis les années 1970, les modèles météorologiques sont apparus et se sont graduellement améliorés. Jusqu'à tout récemment, ces modèles avaient une résolution de plus de 10 km, ce qui ne permettait pas de résoudre l'échelle des orages. Ces modèles opérationnels permettent cependant de prévoir le déplacement des déclencheurs d'orages à plus long terme que la seule extrapolation. Depuis quelques années, des modèles semi-opérationnels à moins de 10 km de résolution permettent de paramétriser la convection, c’est-à-dire d'utiliser les équations de fines échelles qui simulent directement le comportement des masses d'air instables et des orages. Le prévisionniste peut donc voir les orages que le modèle développe comme s'il regardait une image en trois dimensions au radar. Cependant, ces modèles sont très coûteux en temps informatique et ne peuvent être roulés que pour de courtes périodes et des domaines limités. Le météorologiste fait donc son analyse, regarde où les modèles déplacent ses trouvailles et regarde les modèles à fine échelle pour raffiner sa prévision. Cependant, il doit toujours se méfier des résultats des modèles qui sont sujets à des erreurs de prévision. Finalement, il obtient ainsi une zone où les orages sont probables et des sous-zones où ils peuvent être violents. Il essaie ensuite de délimiter des zones plus petites à l'aide de sa connaissance des effets locaux qui peuvent concentrer la convection: brise de lac, réchauffement des pentes de montagnes, vallées convergentes, etc. Après tout ce travail, le prévisionniste enverra des cartes telle celle-ci pour prévenir la population des risques potentiels. Il enverra des des bulletins de type veille météorologique par la suite si la convection commence à se matérialiser.

Surveillance

Par la suite, il suit la formation d'orages grâce aux radars météorologiques, aux satellites et autres données d'observations. Il envoie des alertes lorsque le potentiel donne des signes de se réaliser. Voici une liste des indices que le prévisionniste recherche sur les images satellaires : Orage supercellulaire vue par satellite : on remarque sur la partie arrière (près de Siren, Wisconsin) les sommets plus élevés faisant de l'ombre sur le reste du Cumulonimbus (Source : NOAA)
- Il observe le sommet d'un orage de ce type par satellite météorologique. Si on remarque une suite caractéristique de « bulles » ascendantes, constituées de nuages qui s'élèvent entre deux et quatre kilomètres au-dessus du niveau supérieur du nuage principal avant de retomber dans la masse nuageuse, cela indique que le courant ascendant dans le nuage est particulièrement intense. Tous les éléments atteindront alors un niveau exceptionnel.
- La température du sommet du nuage indique également son extension verticale. Le météorologiste peut en déduire le niveau de développement de l'orage en utilisant son analyse thermodynamique.
- Dans le cas de lignes d'orages, la forme de la bordure arrière avec des échancrures lui indique que le courant-jet des niveaux moyens est en train de descendre vers le sol ce qui augmentera les rafales descendantes.
- On peut également noter la position du front de rafales autour de l'orage grâce à la formation de cumulus qui pourront devenir de nouveaux cumulonimbus.
- On note également le dôme d'air froid qui descend de l'orage par le dégagement total derrière les cumulus. C'est une zone stable qui est défavorable à la convection. Voici une liste des indices que le prévisionniste recherche sur les images des radars: 5 et 6 novembre 2005 près de Saint Louis (Missouri), États-Unis. Remarquez la ligne intense avec arcs (Source: NOAA)
- Il regarde les données des radars et compare le patron vertical et horizontal des échos pour voir s'il correspond à la structure d'un orage supercellulaire, multicellulaire avec surplombs, ligne de grain, etc. (voir orage) .
- Il a également l'aide des algorithmes associés à son programme de traitement de données radar pour attirer son attention sur certains points plus difficiles à suivre comme la présence de mésocyclones. En plus:
- Il surveille le taux de foudre. S'il assiste à une forte variation du taux de foudre avec un groupe d'orages qui a du potentiel violent ou un changement de négatif à positif, il peut en conclure leur développement rapide (montée du taux) ou le moment de leur plus grand potentiel (descente du taux).
- Il regarde les stations de surface pour un indice sur la concentration de l'humidité, les sautes de vents, etc. afin de raffiner sa zone ou les orages devraient se diriger.
- Il note toutes les informations qu'il reçoit d'observateurs volontaires ou de chasseurs d'orages pour compléter son image mentale de la situation.

Alerte

Si le potentiel se réalise et que les orages commencent à s'organiser selon les patrons connus que le prévisionniste aura repéré grâce à sa surveillance, il enverra des alertes météorologiques pour des régions en val des orages. Celle-ci selon diffusée par les médias. Les personnes et les autorités, comme les services de police, prendront certains mesures qui peuvent aller jusqu'à l'évacuation.

Notes

Blibliographie

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- Davies, J.M., 2004: Estimations of CIN and LFC associated with tornadic and nontornadic supercells. Wea. Forecasting, 19, 714-726.
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- __, S.J. Weiss and R.H. Johns (1993): Tornado forecasting: A review. The Tornado: Its Structure, Dynamics, Prediction, and Hazards (C. Church et al., Eds), Geophys. Monogr. No. 79, Amer. Geophys. Union, 557-571.
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Voir aussi

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Sujets connexes
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