Orages : formation, organisation - MCS, lignes de grains, orages supercellulaires

L'orage est sans doute le phénomène météorologique le plus spectaculaire : de loin la plus intense des manifestations du ciel, il mêle, au bruit du tonnerre, la lueur des éclairs et le déchaînement du vent et de la pluie. A lui seul, il met en mouvement l'ensemble des météores et concentre toute la puissance de l'énergie atmosphérique. Il recèle encore en cela de nombreux mystères, mais sa formation, sa structure et son évolution sont désormais bien connues. Les quelques éléments qui suivent esquissent une synthèse qui se veut la plus claire possible des connaissances actuelles sur les orages.

Comment se forme un orage ?

L'orage se définit en météorologie comme l'observation auditive de tonnerre sur un lieu donné. Un seul grondement de tonnerre suffit ainsi à définir un jour d'orage. Plus généralement, on parle d'orage lorsque l'on peut observer une activité électrique dans un nuage (éclairs, chutes de foudre).

Pour "fabriquer" un orage, il est indispensable que l'atmosphère présente un état d'instabilité. Qu'entend-t-on par là ?

On considère qu'une masse d'air est stable lorsque la température d'une parcelle d'air soulevée diminue plus rapidement avec l'altitude que celle de l'air environnant.

A l'inverse, une masse d'air est dite instable lorsque la température de cette parcelle d'air soulevée diminue plus lentement avec l'altitude que celle de l'air environnant. Cette parcelle d'air sera donc plus chaude que l'air ambiant, plus légère et aura donc tendance à s'élever, à la façon d'une montgolfière. On parle ainsi d'instabilité notamment lorsque de l'air chauffé près du sol est surmonté par de l'air plus frais en altitude. Dans ce cas-là, l'air chaud qui s'élève depuis le sol va lentement se refroidir en prenant de l'altitude, au point de déclencher la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air. Des gouttelettes se forment alors : un nuage se forme. Ce nuage continuera de se développer en altitude aussi longtemps que l'air qu'il contient sera plus chaud que l'air environnant. Ce mécanisme, appelé convection, donne naissance aux nuages du genre Cumulus.

Ces Cumulus, s'ils se développent à l'extrême (instabilité forte), finissent par voir leurs sommets atteindre le sommet de la troposphère. Cette limite, dénommée tropopause, qui sépare la troposphère de la stratosphère, se caractérise par une inversion de température. On entend par là le fait que la température de l'air s'accroît avec l'altitude au lieu de s'abaisser. Cette inversion est infranchissable pour les nuages : les Cumulus, ne pouvant plus s'étendre vers le haut, s'étalent horizontalement. A ce stade, on ne parle plus de Cumulus, mais de Cumulonimbus.

DU CUMULUS AU

CUMULONIMBUS

Cumulus humilis

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Cumulus mediocris

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Cumulus congestus

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Cumulonimbus

PRINCIPAUX NUAGES PRE-ORAGEUX

Le Cumulonimbus est ainsi un Cumulus qui a pris des dimensions colossales. Un Cumulus de petite taille (Cumulus humilis) ne fait ordinairement qu'un kilomètre d'épaisseur ; un Cumulus de taille moyenne (Cumulus mediocris) peut se développer sur 3 à 4 km de hauteur ; un Cumulus très développé (Cumulus congestus) pourra bourgeonner sur plus de 6 km d'épaisseur. Le Cumulonimbus, pour sa part, se développe sur 7 à 12 km d'altitude sous nos latitudes.

Un nuage de ces dimensions possède des caractéristiques réellement impressionnantes. Ce sont ainsi plusieurs millions de tonnes d'eau sous forme liquide ou de glace qui sont contenues dans un Cumulonimbus, pour un poids total de plusieurs milliards de tonnes. Pour maintenir en vie un nuage de cette envergure, ce sont 700.000 tonnes d'air qui sont aspirées chaque seconde par le nuage orageux, soit près de 600.000 tonnes de vapeur d'eau chaque minute. Cette gigantesque usine nuageuse produit en moyenne 4.000 tonnes de précipitations chaque seconde, qui s'abattent au sol sous forme de pluie ou de grêle.

Une telle usine fourmille de collisions innombrables entre les gouttes d'eau, les grêlons et les cristaux de glace qui circulent dans le nuage. Cette agitation finit par créer des charges électrostatiques, généralement positives pour les cristaux de glace qui, légers, se concentrent surtout dans la partie supérieure du nuage, généralement négatives pour les gouttes d'eau qui, plus lourdes, tendent à descendre vers les parties inférieures du nuage. Cette répartition est toutefois, encore aujourd'hui, sujette à discussion dans la mesure où une organisation plus complexe des charges électriques dans les Cumulonimbus est probable, avec une superposition de plusieurs "couches" de polarités opposées.

Ces champs opposés qui coexistent au sein du Cumulonimbus finissent par dépasser les limites tolérables pour l'atmosphère... des décharges électriques surpuissantes se déclenchent au coeur du nuage : les éclairs zèbrent le ciel et le tonnerre gronde... l'orage est né !

Si les Cumulus et les Cumulonimbus sont la manifestation visible d'un état instable de l'atmosphère, d'autres nuages peuvent également trahir cette instabilité et précéder de quelques heures les développements orageux proprement dits. Ce sont les nuages pré-orageux, dont l'apparition est souvent un bon indice d'orage pour les heures à venir, notamment en été.

Cirrus floccus

Nuages élevés rassemblés en petits grumeaux.

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Altocumulus castellanus

Nuages moyens constitués en alignement

de petites tourelles.

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Altocumulus floccus

Nuages moyens rassemblés

en petits boules cotonneuses.

Comment s'organisent les orages ?

Les orages peuvent survenir isolément ou au contraire se présenter dans des structures bien organisées. On distingue ainsi deux catégories d'organisation de la convection. Soit l'orage résulte d'une cellule convective isolée et indépendante de toute autre cellule convective éventuellement en activité à un autre endroit au même moment : on parlera dans ce cas d'orage monocellulaire (1). Soit il résulte d'un ensemble de plusieurs cellules convectives interagissant les unes avec les autres : on parlera alors d'orage multicellulaire (2).

1. Les orages monocellulaires peuvent se présenter sous trois formes différentes : sous une forme "ordinaire", sous une forme "à pulsation" ou sous une forme "supercellulaire".

Les orages monocellulaires "ordinaires" sont des orages à courte durée de vie, condamnés dès leur formation à une dissipation rapide. En effet, ce type d'orage dure généralement une demi-heure, au plus une heure, durant laquelle se succèdent trois phases : la phase de croissance, durant laquelle le Cumulus prend de l'ampleur et se développe en altitude ; la phase de maturité, durant laquelle le Cumulus, devenu Cumulonimbus, commence à former son enclume et, simultanément, constitue un courant descendant d'air plus froid en liaison avec le début des précipitations orageuses ; la phase de dissipation, durant laquelle l'orage ne parvient plus à s'alimenter en air chaud près du sol, en raison du refroidissement de l'air par les courants descendants. Un orage monocellulaire reste ainsi, dans sa forme la plus commune, un orage bref, souvent peu intense, qui se trouve rapidement asphyxié par son propre courant descendant d'air froid.

Les orages monocellulaires sont fréquents en été dans les situations de forte chaleur, notamment dans les régions de relief, où ils se déclenchent préférentiellement en fin d'après-midi ou en début de soirée. On peut également les rencontrer en plaine, où leur survenue est souvent liée à la présence d'éléments locaux favorables (présence d'un lac ou d'une zone de convergence des vents de surface). C'est également ce type de structure qui est majoritaire dans les orages de masses d'air froid (traîne active).

En présence d'une instabilité forte et d'une tropopause élevée, certains orages monocellulaires peuvent s'avérer violents (chutes de grêle, très fortes rafales de vent) et présenter une durée de vie un peu moins brève qu'un monocellulaire ordinaire. Ces orages à formation très rapide sont constitués d'une poussée convective unique, soudaine et très virulente : on parle dans ce cas d'orage à pulsation (pulse storm). Ce type d'orage, que l'on rencontre exclusivement par temps très chaud et en présence de vents faibles dans toute l'épaisseur de la troposphère, se constitue à partir d'une colonne convective particulièrement vigoureuse, qui présente souvent sur des balayages radar verticaux une zone de formation des précipitations plus élevée que dans le cas d'un monocellulaire ordinaire. Les orages à pulsation se caractérisent visuellement par un bouillonnement convectif très marqué, accompagné souvent d'un sommet pénétrant et parfois d'une enclume qui présente partiellement une progression rétrograde. Un orage à pulsation présente au début de sa phase de dissipation un risque élevé de downburst (rafales de vent destructrices).

MONOCELLULAIRE ORDINAIRE

MONOCELLULAIRE A PULSATION

Orage monocellulaire ordinaire

Cellule isolée avec enclume bien formée.

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Orage à pulsation

Bouillonnement convectif intense et sommet

pénétrant dans un contexte très peu cisaillé.

LA SUPERCELLULE

Les orages monocellulaires peuvent adopter une troisième forme qui, si elle est rare, constitue la structure orageuse la plus virulente et la plus dangereuse de toutes : la supercellule.

Un orage supercellulaire a en commun avec un monocellulaire ordinaire la présence d'une cellule convective unique et autonome. En revanche, contrairement au monocellulaire ordinaire dont la durée de vie est brève, la supercellule a pour particularité de pouvoir conserver une activité intense durant parfois plusieurs heures.

D'où provient cette longévité remarquable ? Il faut aller en chercher l'origine dans un décalage spatial entre le courant ascendant principal et le courant descendant d'air froid. Alors que ce courant froid descendant va venir se mêler au courant chaud ascendant dans un monocellulaire ordinaire (et donc asphyxier la convection), il présente dans le cas d'une supercellule un décalage qui, non seulement, permet à l'air chaud ascendant de ne pas subir le refroidissement du courant descendant, mais qui, en constituant un pseudo front froid, vient même dynamiser ces ascendances en favorisant le soulèvement de l'air chaud par un renforcement local de la convergence des flux près du sol. Ce décalage au sein d'une même cellule orageuse est rendu possible par l'inclinaison du courant ascendant, qui vient donc s'alimenter à une distance respectable de la zone où se produisent les précipitations liées au courant descendant d'air froid. Cet aspect caractéristique des supercellules est lié à la présence d'un profil de vent fortement cisaillé qui, d'une part, incline la colonne convective d'alimentation de l'orage et qui, d'autre part, transporte verticalement une vorticité primitivement d'axe horizontal générée par le cisaillement présent dans l'environnement. Ainsi, en plus d'être incliné, le courant ascendant d'une supercellule est rotatif, élément qui est visuellement très spectaculaire et qui trahit la présence d'un mésocyclone au sein de la colonne convective d'alimentation de l'orage. C'est la mise en évidence de cette rotation mésocyclonique qui définit à lui seul la supercellule et qui la distingue de tous les autres types d'orages. Elle se manifeste sur un radar Doppler de manière très évidente par la juxtaposition de vents de directions contraires dans la zone d'ascendance de l'orage ; sur un radar classique à balayage horizontal, la supercellule se distingue par la présence d'un écho en crochet sur le flanc sud-est de l'orage.

Ce subtil équilibre entre les flux entrants et sortants de l'orage impose un environnement atmosphérique très particulier, où sont présents simultanément une forte instabilité et un cisaillement vitesse et directionnel des vents. Ces conditions sont assez rarement réunies au même moment et au même endroit, ce qui fait toujours d'un orage supercellulaire un phénomène remarquable et particulièrement dangereux. En effet, par sa structure et sa longévité, une supercellule est toujours associée à des ascendances extrêmement violentes, qui dans certains cas peuvent excéder 200 km/h (vent vertical ascendant), et à une production de météores particulièrement intense : violentes chutes de grêle, précipitations diluviennes, fortes tornades, rafales de vent extrêmes. Visuellement, une supercellule est souvent un orage aux dimensions impressionnantes, dont la tour d'alimentation convective, inclinée, rotative et excessivement bouillonnante, se prolonge vers le bas par un nuage-mur et vers le haut par un sommet fortement pénétrant. Un véritable mur de précipitations est généralement visible à quelques kilomètres de là et constitue la manifestation visible du courant descendant d'air froid.

A l'instar des monocellulaires classiques et des monocellulaires à pulsation, les supercellulaires se forment généralement à distance respectable de leurs congénères. La présence d'autres orages actifs à proximité, notamment en aval dans le flux, a en effet tendance à réduire sensiblement l'énergie convective disponible, essentiellement en raison du brassage de la masse d'air (dispersion de la chaleur humide en réserve près du sol). Les supercellules ont ainsi tendance à se former à l'avant des dégradations orageuses organisées et constituent souvent des orages pré-frontaux. Leur structure totalement autonome tend à créer un vent relatif à l'orage qui conduit la supercellule à ne pas suivre le flux atmosphérique des couches moyennes (ce que font habituellement les orages), mais à dévier sur la droite du vent moyen atmosphérique avec un angle d'environ 25 degrés et à adopter une vitesse de déplacement supérieure à celle du vent moyen mesuré à l'altitude du niveau de contrôle habituel pour un orage. Un tel comportement atypique constitue souvent l'un des éléments importants dans la mise en évidence d'un orage supercellulaire.

Les orages supercellulaires répondent aux caractéristiques communes qui précèdent ; néanmoins, comme tout orage, ils présentent des morphologies différentes en fonction de leur environnement, ce qui conduit à en distinguer quatre types différents :

1. les supercellules classiques, qui présentent un mésocyclone sur le flanc sud-est de l'orage et une zone de précipitations concentrée dans la partie nord et nord-ouest de l'orage ; ces supercellules sont particulièrement propices à la formation de tornades de forte intensité ;

2. les supercellules diluviennes, dites supercellules HP (high precipitation), caractérisées par un mésocyclone positionné davantage sur le flanc est de l'orage et par une zone de précipitations qui concerne désormais, en plus de la partie nord de l'orage, sa partie ouest et sud, ce qui conduit les précipitations à envelopper une grande partie du mésocyclone. Les supercellules HP sont productrices de tornades faibles à modérées, mais parfois fortes, et sont associées à des précipitations excessivement intenses, notamment sur leur flanc sud-ouest. Elles peuvent ainsi provoquer des crues-éclairs, des destructions liées à la grêle, des rafales de vent extrêmes et une très forte activité électrique (forte propension aux chutes de foudre de forte intensité). Cette catégorie de supercellules est excessivement dangereuse dans la mesure où les tornades générées par le mésocyclone sont souvent cachées par des rideaux de pluie et de grêle.

3. les supercellules sèches, dites supercellules LP (low precipitation), qui présentent un mésocyclone positionné sur le flanc sud de l'orage et une zone de précipitations assez diffuse sur le flanc nord et nord-ouest de l'orage. Ces supercellules, qui se forment dans des environnements secs, se distinguent par une structure très dessinée, très visuelle et particulièrement nette. En effet, la faible humidité environnante conduit la structure de la cellule à apparaître au grand jour, sans être dissimulée par des rideaux de pluie, ce qui toutefois complique leur détection par les radars de précipitations. Le peu de précipitations significatives généré par les supercellules LP se concentre au nord immédiat du mésocyclone et se matérialise par une zone étroite de pluies fortes mêlées à de violentes chutes de grêle. Les supercellules LP sont ordinairement associées à des chutes de grêlons géants, à une activité électrique essentiellement intranuageuse, à de violentes microrafales et à des tornades qui peuvent se révéler de forte intensité. La durée de vie d'une supercellule HP est souvent plus brève que celle de ses consoeurs qui se forment dans des environnements plus humides.

4. les mini-supercellules, dites supercellules LT (low topped), qui possèdent généralement toutes les caractéristiques d'organisation des supercellules classiques, mais qui, en raison d'une instabilité limitée et d'une tropopause assez basse (moins de 10 km), ne présentent pas des dimensions aussi imposantes. Les signatures radar d'écho en crochet sont plus ténues dans le cas des mini-supercellules, mais elles n'en demeurent pas moins des structures orageuses périlleuses, particulièrement favorables à la formation de tornades et à la survenue de violentes précipitations, de chutes de grêle et de rafales destructrices.

Orage supercellulaire

On note la colonne d'air ascendant, très massive,

inclinée et en rotation

Coupes horizontales de supercellules :

Légende des schémas

Le "T" indique la zone sujette au risque de tornade.

Supercellule classique

Le mésocyclone est positionné

sur la pointe sud-est de l'orage

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Supercellule HP

Le mésocyclone est positionné

sur le flanc est / sud-est de l'orage

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Supercellule LP

Le mésocyclone est positionné

sur le flanc sud est de l'orage

En France, les monocellulaires ordinaires représentent près de 80% des orages monocellulaires, les orages à pulsation comptent pour un peu plus de 15% des orages monocellulaires, enfin les orages supercellulaires, de loin les orages les plus rares de tous, représentent à peine 2 à 3% des orages monocellulaires.

2. Si les orages monocellulaires sont des orages isolés qui n'interagissent pas avec d'autres cellules orageuses, les orages multicellulaires ont pour propriété inverse de constituer des ensembles interactifs de plusieurs cellules orageuses parvenues à des stades de maturité différents.

Ordinairement, on observe au début de la formation d'un système orageux multicellulaire des cellules orageuses séparées parfois de plusieurs kilomètres, qui finissent par s'agréger en un amas nuageux convectif, occupé dans sa partie centrale par les cellules parvenues à maturité. La constitution d'un tel agglomérat de cellules orageuses n'est permis que par la constitution d'un courant descendant d'air froid (courant de densité) suffisamment important et mobile pour générer dans l'environnement un forçage générateur du soulèvement en masse de l'air chaud stationné près du sol. C'est ce forçage qui, par ricochet, va provoquer la naissance de nouvelles cellules convectives. L'ensemble de ce mécanisme nécessite pour sa mise en place un cisaillement des vents au moins modéré et une masse d'air conditionnellement instable.

Dans un contexte où le cisaillement des vents demeure relativement faible, les orages multicellulaires ne parviendront pas à s'organiser : on observera alors un développement chaotique d'orages sur une région donnée, les uns se dissipant quand d'autres se forment juste à côté, sans progression définissable de l'activité orageuse dans une direction précise.

En revanche, en présence d'un cisaillement des vents modéré à fort, les orages multicellulaires auront tendance à s'organiser en suivant une direction de propagation déterminée, les cellules les plus jeunes étant générées en aval dans le flux par le courant d'étalement issu des cellules parvenues à maturité.

Compte tenu des conditions nécessaires à leur formation, les orages multicellulaires constituent assez souvent des orages au moins modérés, générateurs de phénomènes parfois destructeurs, notamment quand plusieurs cellules actives passent successivement au même endroit. Dans ces circonstances, les orages multicellulaires peuvent être notamment à l'origine de crues-éclairs. Néanmoins, un orage multicellulaire reste bien défini par l'identification de plusieurs cellules liées entre elles, et non par des critères d'intensité : un orage monocellulaire peut en effet dans certains cas s'avérer nettement plus virulent qu'un orage multicellulaire.

Les épisodes orageux

Les épisodes orageux qui concernent la France toute l'année prennent des ampleurs différentes en fonction de la dynamique atmosphérique du moment et de l'instabilité observée.

Certains épisodes orageux sont ainsi constitués uniquement de quelques orages monocellulaires ordinaires. Ils se rencontrent notamment dans les situations hivernales de traîne active, de novembre à mars, lorsque de l'air très froid envahit soudainement la haute atmosphère à l'arrière d'un front froid. Les cellules orageuses sont à courte durée de vie et ne concernent que de faibles portions du territoire. On retrouve également des structures monocellulaires voisines dans les orages de chaleur isolés, qui se produisent préférentiellement au coeur de l'été sur les massifs montagneux, à cette différence près que les monocellulaires auront alors tendance à prendre une tournure à pulsation.

Il convient néanmoins de noter que certains épisodes orageux de traîne active sont parfois virulents et marqués par la formation d'un grand nombre d'orages monocellulaires parfois de type supercellulaire (mini-supercellules), et de quelques amas multicellulaires. Ces cas de traîne très active se rencontrent préférentiellement des Charentes à la Bretagne, à la Normandie et au Nord - Pas de Calais entre les mois de janvier et de mars.

D'autres types de situations sont plus propices à la formation d'orages multicellulaires que monocellulaires. Ces situations sont celles des dégradations orageuses organisées de la "saison chaude", qui s'étire approximativement de début mai à fin septembre voire mi-octobre. Alors que les simples orages de chaleur se forment et meurent sur place, les orages liés à des dégradations organisées se forment en relation avec le passage ou la proximité d'un front froid qui généralement aborde la France par l'ouest. Les orages se forment alors à l'avant ou sur le front en une multitude d'amas multicellulaires, dont la formation est favorisée par la présence d'une ligne de forçage très étendue et structurée. Lorsque ces orages multicellulaires couvrent simultanément une superficie conséquente (au moins une région entière), on parle de Système Convectif de Méso-Echelle (MCS ; Mesoscale Convective System). Un MCS désigne un ensemble d'orages multicellulaires et parfois supercellulaires dont la particularité est de couvrir une portion de territoire importante. Le plus souvent, les MCS sont constitués par une ligne d'orages multicellulaires (ligne de grains), à laquelle s'adjoint dans certains cas des formations supercellulaires soit en amont du système soit en queue de ligne (extrémité sud de la ligne de grains). Parfois, les MCS adoptent une forme circulaire pour constituer une véritable "boule orageuse", capable de couvrir plusieurs régions simultanément ; ces MCS circulaires constituent ainsi des "super-multicellulaires" qui se rencontrent en France par temps très chaud et à distance respectable d'un front froid situé plus à l'ouest. Enfin, certains MCS adoptent une forme qui n'est ni celle d'une ligne ni celle d'un amas circulaire, mais celle d'un V. Ces MCS à propagation rétrograde, dits orages en V, tirent leur forme d'un point d'alimentation fixe de l'amas orageux, qui, en dépit d'un mouvement des cellules vers le haut du V, donne naissance en permanence à de nouvelles cellules à la pointe sud du V, qui donne ainsi l'illusion de ne pas ou peu bouger. Ces orages en V se rencontrent préférentiellement à l'automne sur les régions du sud-est français.

conseils de comportement et consignes de précaution