Prévision des orages violents

Modèle:Ébauche météorologie La prévision des orages violents est la partie de la météorologie opérationnelle qui esssaie 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.

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 -20C 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.

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

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 le cas dans une masse d'air uniforme et sans mouvement, le réchauffement seul peut suffire mais en général il existe des déclencheurs qui vont permettrent 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 un 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.

En général, on repère les zones de potentiel d'orages en analysant le potentiel thermodynamiques de la masse d'air et la position où on obtient le maximum de déclencheurs dynamiques.

Analyse du potentiel violent

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 (EPDC).
• Le cisaillement des vents dans et sous le nuage.

En effet, c'est la combinaison des ces deux items qui déterminera le type d'orage ainsi que son potentiel de produire du temps violents. Quand on observe le sommet d'un orage de ce type par satellite on remarque généralement 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.

Pluie torrentielle

Plus la masse d'air est humide, plus la quantité de vapeur d'eau à condenser sera plus grande. Cependant, si l'EPDC 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 tendances à se retrouver dans une masse d'air instable et humide, plus instable si moins humide et vice-versa, mais avec peu de cisaillement des vents. Le tout donne un orage très intense qui se déplace lentement. On peu calculer l'eau disponible pour condensation grâce au équations de la thermodynamique dans ce cas et évaluer le potentiel d'accumulation de pluie sous l'orage. Ces bulles dénotent la présence, dans l'orage, d'un courant ascendant intense et très structuré.

Grêle

Dans le cas des orages de grêle, l'EPDC doit être plus important que dans le cas des pluie 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 un niveau ou 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

Un orage violent fournit le courant ascendant intense et durable qui donne naissance à une tornade. Cependant, une tornade ne se forme que si l'air du courant ascendant se met à tourner : c'est ce qui arrive quand ce courant ascendant concentre le mouvement de rotation des vents horizontaux de la troposphère.

Rotation horizontale

Tous les vents ne font pas l'affaire. Ils doivent être soumis à un cisaillement vertical très fort en direction et en intensité. La vitesse du vent doit augmenter avec l'altitude et son orientation doit virer du Sud-Est vers l'Ouest. Le cisaillement vertical du champ de vitesses du vent provoque un mouvement de rotation autour d'un axe horizontal.

Basculement de la rotation

Quand les vents entrent en interaction avec un fort courant ascendant, cette rotation autour d'un axe horizontal peut basculer et devenir une rotation autour d'un axe vertical. Le cisaillement de la direction du vent est ainsi une cause directe de la rotation verticale ; les vents qui tournent du Sud-Est vers l'Ouest engendrent une circulation cyclonique (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre) de l'air qui s'engouffre à la base du courant ascendant de la dépression.

Concentration

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. Donc le courant ascendat en étirant verticalement le tube d'air en rotation augmente cette dernière et ramène le diamètre du mésocyclone à environ deux à six kilomètres, ce qui renforce encore la vitesse des vents : le moment cinétique de l'air, qui tourne maintenant à une distance plus faible de l'axe, est conservé.

Le basculement, cet effet de tube dynamique, la convergence et l'étirement vertical sont des processus qui s'entraînent mutuellement et qui peuvent, par la suite, former un mésocyclone dont le pied est à une altitude d'un kilomètre et le haut presque au sommet de l'orage à environ 15 kilomètres. Pour des raisons locales de vents dans le nuage et à sa base, une zone de convergence et d'étirement renforcés, d'un diamètre n'excédant pas un kilomètre, peut cencentrer encore plus la rotation et donner une tornade de seulement quelques centaines de mètres mais avec des vents dépassant les 100 km/h.

Rafales descendantes

Un dernier phénmène violent est celui des rafales descendantes. Lorsqu'un orage est gorgé de pluie et dans un environnement relativement sec en altitude, le coeur des précipitation peu attirer l'airt sec dans le nuage en descendant. Ce dernier étant plus froid que le nuage subit un poussé 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 del'humidité, de l'EPDC 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.

Pour prévoir un tel phénomène, il faut donc connaêtre le cisaillement dans les bas niveau 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'EPDC.

Prévisions

Un fois l'analyse du potentiel violent et de sa position probable. Le prévisionniste enverra des cartes et des bulletins de type veille météorologique.

Surveillance

Par la suite, il suit la formation d'orage grâce aux radars météorologique, aux satellites et autres données d'observations et envoie des alertes lors que le potentiel donne des signes de se réaliser.

Voir aussi

Articles connexes

• Prévision météorologique
• Alerte météo