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Le 21.07.2018: Comment prévoir des orages violents,les explications en détail.

Prévision des orages violents.

 

La prévision des orages violents est la partie de la météorologie d'exploitation qui tente de prévoir le développement, l'intensité, le type de danger et les zones affectées par les orages pouvant donner de la grosse grêle, des vents destructeurs, des tornades et des pluies torrentielles.

La tâche du météorologue est d'appréhender tout d'abord comment se développe un orage violent, puis d'analyser le potentiel actuel et futur de l'orage au-dessus des régions sous sa responsabilité et enfin d’appliquer des techniques diagnostiques et des simulations informatiques pour prévoir leur développement. Suivre l'évolution des orages implique divers moyens, allant du signalement par un observateur local jusqu'à des systèmes de télédétection comme le radar météorologique. Les populations doivent aussi être alertées, au moyen de bulletins diffusés par les médias et les autorités locales lorsque les orages s'approchent des seuils de développement violent.

 

Histoire du développement de la prévision

Au-delà du folklore des oracles de l'Antiquité, la recherche pour prédire la formation des orages se développa à partir de la Renaissance par des observations. Par exemple, un fidèle adepte de la prise de données météorologiques, le gouverneur britannique John Winthrop, écrivit 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 être le premier signalement dans l’histoire d’une tornade. En juillet 1759, à la suite d’une terrible tornade passant à Leicester, Massachusetts, un descendant du gouverneur Winthrop écrivit : « 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 ».

Cependant, les tentatives de compréhension de ces phénomènes et le développement de techniques de prévision ne se sont pas arrêtées à ces premières constatations. Les recherches en météorologie, ainsi que les travaux sur l'explication des orages, devinrent plus systématiques à partir du xixe siècle. Dans les années 1880, le Corps des signaux de l’armée américaine était chargé du service météorologique naissant des États-Unis3. Il organisa une équipe de 2 000 volontaires pour documenter tous les cas de tornades sur le centre et l’est des États-Unis. Ceci a permis d'établir différentes conditions (ou patrons) favorables à la génération d'orages avec tornades, et le Corps essaya ensuite de faire les premières prédictions. La précision des données n'étant pas satisfaisante, le Weather Bureau, qui succéda au Corps, décida que les météorologistes à la prévision des orages ne devaient pas mentionner la possibilité de tornades dans leurs alertes météorologiques. Cette décision n'a été levée qu'en 1938.

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 permit de reconnaître les facteurs thermodynamiques et les déclencheurs synoptiques d’altitude nécessaires au déclenchement des nuages convectifs. Ces informations ont été rassemblées et interprétées par des chercheurs comme A. K. Showalter et J. R. Fulks aux États-Unis. En utilisant ces travaux ainsi que leurs propres observations, les officiers météo E. J. Fawbush et 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  en soirée.

Depuis, la recherche mondiale en météorologie a permis de mieux comprendre les orages et la façon de les prévoir5. 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 (c'est-à-dire précise) et la résolution des modèles actuels 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.

 

Histoire du développement de la prévision

Au-delà du folklore des oracles de l'Antiquité, la recherche pour prédire la formation des orages se développa à partir de la Renaissance par des observations. Par exemple, un fidèle adepte de la prise de données météorologiques, le gouverneur britannique John Winthrop, écrivit 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 être le premier signalement dans l’histoire d’une tornade. En juillet 1759, à la suite d’une terrible tornade passant à Leicester, Massachusetts, un descendant du gouverneur Winthrop écrivit : « 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 ».

Cependant, les tentatives de compréhension de ces phénomènes et le développement de techniques de prévision ne se sont pas arrêtées à ces premières constatations. Les recherches en météorologie, ainsi que les travaux sur l'explication des orages, devinrent plus systématiques à partir du xixe siècle. Dans les années 1880, le Corps des signaux de l’armée américaine était chargé du service météorologique naissant des États-Unis3. Il organisa une équipe de 2 000 volontaires pour documenter tous les cas de tornades sur le centre et l’est des États-Unis. Ceci a permis d'établir différentes conditions (ou patrons) favorables à la génération d'orages avec tornades, et le Corps essaya ensuite de faire les premières prédictions. La précision des données n'étant pas satisfaisante, le Weather Bureau, qui succéda au Corps, décida que les météorologistes à la prévision des orages ne devaient pas mentionner la possibilité de tornades dans leurs alertes météorologiques. Cette décision n'a été levée qu'en 1938.

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 permit de reconnaître les facteurs thermodynamiques et les déclencheurs synoptiques d’altitude nécessaires au déclenchement des nuages convectifs. Ces informations ont été rassemblées et interprétées par des chercheurs comme A. K. Showalter et J. R. Fulks aux États-Unis. En utilisant ces travaux ainsi que leurs propres observations, les officiers météo E. J. Fawbush et 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  en soirée.

Depuis, la recherche mondiale en météorologie a permis de mieux comprendre les orages et la façon de les prévoir5. 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 (c'est-à-dire précise) et la résolution des modèles actuels 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.

 

Analyse et repérage du potentiel d’orages violents

Le météorologue travaillant à la prévision des orages violents, aussi appelé prévisionniste, doit évaluer les éléments qui favorisent le développement des orages. Il doit ensuite estimer l’intensité de ces données tant du point de vue thermodynamique que de celui des déclencheurs dynamiques afin de déterminer les régions où ces paramètres atteignent des niveaux critiques pouvant causer des dommages. Ce travail suit essentiellement la même technique que Fawbush et Miller de 1948 mais avec des éléments plus récents sur la combinaison des différents déclencheurs pour déterminer le type de phénomène violent susceptible de se produire. Ces derniers éléments sont tirés des recherches en modélisation des orages.

 

Formation des orages

Thermodynamique

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

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 altitude7. Une parcelle d’air qu’on soulève diminue de température {\displaystyle T} et de pression {\displaystyle P} avec l’altitude selon la loi des gaz parfaits ({\displaystyle P=\rho RT}). {\displaystyle \rho } est la masse volumique de l'air, {\displaystyle R=C_{p}-C_{v}} où Cp et Cv sont respectivement les capacités calorifiques à pression constante et à volume constant de l'air. Dans une atmosphère instable, elle atteint un niveau où elle devient plus chaude que l’air environnant : le « niveau de convection libre » (NCL)8. Elle subit 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 d'air 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 différence de température entre la parcelle et l’environnement, et accroît ainsi la poussée d’Archimède. 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 parcelle.

Ce mouvement ascendant, appelé convection libre, est un processus libérateur d’énergie : 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 nuageset de précipitations permet d’arracher des électrons par collision8. Ceci est plus efficace lorsque les gouttelettes se changent en glace, ce qui statistiquement est plus probable à des températures inférieures à −20 °C. Le transport de charges crée une différence de potentiel électrique entre la bas et le sommet du nuage, ainsi qu’entre le nuage et le sol ce qui donnera éventuellement de la foudre8.

 

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. Ce phénomène inhibe temporairement la convection atmosphérique. 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’éruptionet 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) Maximum de température à 850 
hPa (ligne de points rouges)
7) Ligne d'orages (ligne tiretées avec points en rouge)
(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 orageuses7,9 :

  • une inversion locale peut s’atténuer ou même disparaître complètement si un courant-jet d’altitude passe dans le secteur. En effet, des vents intenses (plusieurs centaines de kilomètres par heure) se déplacent dans le courant-jet, refoulant vers le bas l’air devant eux et 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 ;
  • un phénomène similaire peut se produire avec un courant-jet de bas niveau. Dans ce cas, il s’agit de convergence de masse à gauche du jet qui force l’air empilé à monter « comme la pâte à dents dans un tube 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.

Les zones de potentiel d’orages sont repérées en analysant d’abord le potentiel thermodynamique de la masse d’air à l’aide de diagrammes comme le téphigramme, des indices d’instabilité et de coupes à travers les cartes d’analyse produites par les modèles de prévision numérique du temps. 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

Le prévisionniste qui vient de repérer les zones favorables à la formation d'orages doit maintenant déterminer comment ces éléments peuvent donner les différents phénomènes météorologiques causant des dommages. Il doit donc d'abord connaître ces phénomènes violents, les critères à partir desquels ils sont considérés dangereux et finalement comment les déclencheurs doivent s'agencer pour les créer.

Définition d'un orage violent

La définition des critères des différents phénomènes associés avec un orage violent varie d'un pays à l'autre et parfois même d'une région à l'autre. 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 comporte un ou plus des phénomènes suivants:

  • Chute de grêlons d'au moins 2 cm de diamètre ou plus (causant de graves dommages aux habitations, cultures, personnes et animaux) ;
  • rafales convectives de 90 km/h ou plus sous forme de microrafales ou de macrorafales (pouvant endommager les structures) ;
  • tornades ;
  • pluies diluviennes soudaines (causant des inondations et/ou crues éclairs).

Il y a des exceptions :

  • certains pays considèrent le taux d'éclairs comme étant un critère d'avertissement. Cependant, tout orage produit de la foudre et ce critère n'indique pas réellement 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, comme les 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 de façon importante selon les endroits. Certains pays coordonnent la prévision des orages avec leur système de mesures hydrologiques. Ils n'émettent une alerte météorologique que lorsque la pluie a fait monter les cours d'eau d'une région à des niveaux critiques et non pour le simple passage d'un orage violent.
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Caractéristiques par types

 

Diagramme montrant les différents types d'orages violents selon leur EPCD et leur cisaillement des vents

Une fois la zone de développement d'orages repérée, le météorologiste doit évaluer le potentiel de ces orages. Ce dernier dépend de trois choses14,9,15 :

  • l'humidité disponible ;
  • l'instabilité donnant de 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 caractéristiques qui déterminera le type d'orage ainsi que son potentiel de produire du temps violent. Le tableau de droite montre comment les différents types d'orages se situent en rapport avec l'énergie disponible et le cisaillement linéaire. Il faut aussi tenir compte pour certains phénomènes du changement de direction du vent avec l'altitude et l'humidité (non indiqué dans le diagramme).

En plus de ces éléments, il faut naturellement ajouter un élément déclencheur comme le réchauffement diurne mais qui sera dans la plupart des cas une conjonction de facteurs dynamiques mentionnés dans la section précédente.

 

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, alors le nuage généré sera de faible extension verticaleet peu de cette humidité se changera en pluie. En revanche, si l'énergie disponible est grande mais le changement des vents avec l'altitude est fort, alors l'humidité condensée se retrouvera loin de son point de formation.

Ainsi, les orages qui donnent des pluies torrentielles auront tendance à se retrouver dans une masse d'air instable et humide mais où il y aura peu de cisaillement des vents. L'ensemble donne un orage très intense qui se déplace lentement16. On peut également avoir des orages à répétition qui suivent le même corridor donnant une accumulation totale de pluie très importante ce qui implique une configuration stable de la circulation atmosphérique.

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.

En plus du potentiel thermodynamique, la reconnaissance de la configuration typique de la circulation générale en de telles circonstances est donc primordiale. L'eau disponible pour condensation peut-être calculée par les équations de la thermodynamique qui nous donnent une estimation du potentiel d'accumulation de pluie sous le ou les orages.

 

Grêle

Mouvement de l'air et des grêlons dans un orage

Structure d'un orage supercellaire avec les mouvements de l'air par les flèches noires, incluant la très large circulatio

 

Vanessa Dimitri LAGNAU PAQUIER sur

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