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Météorologie élémentaire

Une magnifique supercellule orageuse photographiée en juillet 2010 à l’ouest de Glasgow, dans le Montana par Sean R. Heavy. Ce système présente la particularité d’abriter en son cœur un mésocyclone, un ensemble de courants ascendants en rotation qui peut s’étendre sur plusieurs kilomètres de diamètre et libérer des pluies torrentielles ainsi que des vents soutenus très forts pouvant former des tornades.

Types d'orages (II)

La classification suivante est basée sur le processus de déclenchement de l'instabilité.

A. Orages formés par réchauffement des basses couches de l'atmosphère

Ces orages qui apparaissent au sein d'une masse d'air, sont formés par les courants convectifs engendrés par l'augmentation de température dans les basses couches; cette augmentation de température résultant soit de la surchauffe du sol due au rayonnement solaire, soit du déplacement d'une masse d'air humide sur une surface plus chaude (terre ou mer).

1. Orages de convection

Ils se produisent au sein des masses d'air humides qui se déplacent très lentement. Les régions continentales chaudes sont les plus favorables au développement de tels orages. Aux latitudes tempérées, ils n'apparaissent que durant l'été.

Le début de l'orage est très souvent précédé d'une rafale de vent très violente. La visibilité au sol peut n'être que modérée mais le sommet des cumulonimbus peut se voir à très grande distance (plus de 50 km).

Ces orages débutent généralement dans l'après-midi et se dissipent au cours de la soirée; ils peuvent cependant continuer pendant la nuit; ils sont le plus souvent de nature locale. Leur mouvement est souvent lent et irrégulier, mais ils possèdent généralement une trajectoire bien définie. Il n'est pas rare de voir leurs sommets se développer jusqu'au niveau de la tropopause ou même au-delà.

2. Orages se formant dans l'air froid réchauffé par déplacement sur un sol plus chaud

Ces orages se produisent sur les îles Britanniques et sur l'Europe occidentale lorsque des masses d'air polaire maritime arrivent sur le continent au printemps et en été. La visibilité dans de telles masses d'air est toujours excellente et le sommet des cumulonimbus peut être vu à très grande distance. Les nuages de ce type se forment dans la matinée et s'affaissent au coucher du Soleil. Ces orages se déplacent plus rapidement que les orages de convection et arrivent généralement du NO sur l'Europe.

3. Orages formés dans l'air froid réchauffé par déplacement sur une mer plus chaude

Ces orages se produisent le plus généralement en automne et en hiver; on les rencontre sur les côtes de l'Europe occidentale par vent de NO, principalement sur le NO de l'Allemagne. De tels orages se forment généralement sur la Méditerranée en automne. Des orages violents mais de courte durée apparaissent également sur la mer du Nord au printemps par vent de N ou NE qui entraîne les masses d'air arrivant directement de l'océan Arctique. Ces orages sont isolés et comme leur formation ne dépend pas du rayonnement solaire, ils peuvent apparaître en mer à n'importe quel moment de la journée ou de la nuit.

Orages alimentés par l'humidité de la mer proche ou des grands lacs et éclatant au-dessus des états de Washington et du Wisconsin. Documents Don Paulson et Chris VenHaus.

B. Orages formés par soulèvement de l'air

1. Orages orographiques

Comme leur nom l'indique, les nuages orographiques se forment sur les reliefs. Nous avons déjà étudié la formation de ce type de nuage à propos des nuages formés par soulèvement d'air conditionnellement instable. Il va de soi que toute tentative pour passer sous de tels orages est un non-sens. On rencontre principalement ces orages dans les Pyrénées et le massif alpin.

2. Orages frontaux

Ces orages se forment dans l'air chaud et humide forcé de s'élever au-dessus de l'air froid. Comme les fronts constituent des lignes continues, les orages frontaux apparaîtront, en général, suivant une ligne ne présentant aucune discontinuité. D'après le caractère de plus ou moins grande instabilité de l'air chaud, ces orages peuvent se développer aussi bien sur les fronts chauds que sur les fronts froids ou les occlusions; cependant, en pratique, on les trouve le plus souvent sur les fronts froids où ils sont très violents; leur durée est cependant courte.

Phénomènes associés aux orages

La pluie

Tous les nuages orageux contiennent une quantité considérable d'eau liquide qui peut être entraînée par les mouvements ascendants ou descendants ou être en équilibre dans le nuage. La pluie observée au sol est associée aux mouvements descendants. Dans tous les nuages on a pu constater que la plus grande quantité d'eau liquide se rencontre dans les basses couches.

La grêle

La grêle se rencontre au maximum dans 10 % des nuages observés. Lorsqu'elle apparaît, la grêle a une très faible durée (quelques minutes). Les grêlons présentent un diamètre allant de 0.5 mm dans les basses couches à plus de 14 cm à 30000 pieds.

Vol en WC-130 près d'une tempête.

Le givrage

Les courants ascendants peuvent porter de grandes quantité d'eau. Si celles-ci sont transportées au-delà de la température de congélation, elles forment de l'eau surfondue qui peut se solidifier à l'impact et adhérer aux surfaces. Le givrage se rencontre avec la plus grande fréquence et la plus grande intensité environ 5000 pieds au-dessus de l'isotherme de 0°C..

La turbulence

Les cumulonimbus provoquent toujours une turbulence sévère. Les plus fortes turbulences observées à l'intérieur d'un nuage se situent au point de cisaillement (sheering) ou zone de transition des courants ascendants et descendants. Elles se présentent au milieu du nuage, très précisément dans les 5000 ou 6000 pieds au-dessus de l'isotherme de 0°C.

La turbulence peut être aussi très forte à l'extérieur des nuages d'orages. Elle peut être rencontrée dans les basses couches et devancer le cumulonimbus de 10 à 25 km.

La turbulence est également possible plusieurs milliers de pieds au-dessus d'un gros orage et dans un rayon de 40 km alentour.

Dans le cas d'une supercellule, l'intensité du cisaillement dans les basses couches est si important qu'il peut se produire une aspiration d'air avec la formation d'une tornade. On y reviendra dans un instant.

La neige

De la neige modérée ou forte peut être observée avec le maximum de fréquence à une altitude de 20000 à 21000 pieds aux latitudes tempérées. Cependant il convient de noter que la neige peut être observée à n'importe quel niveau au-dessus de l'isotherme de 0°C associée à de l'eau liquide dans la plupart des cas (sleet). Ceci est évidemment d'une très grande importance pour les conditions de givrage.

Le vent

Les courants descendants qui atteignent le sol se déplacent latéralement. L'air froid descendant se déplace ainsi à l'avant de la cellule et forme un pseudo-front froid.

Le passage du pseudo-front froid se manifeste par une violente rafale. La vitesse de cette rafale est en général la plus grande que l'on puisse enregistrer au cours du passage d'un cumulonimbus (jusque 80 noeuds). La durée de ces rafales excède rarement quelques minutes (15 min. max).

Les variations de pression

Des variations de pression très rapides et assez importantes sont enregistrées durant le passage d'un orage qui doivent être prises en considération pour déterminer le QFE.

D'autres phénomènes associés aux orages et intéressant principalement les pilotes sont revus dans le chapitre consacré aux aspects opérationnels.

Les tornades

Lorsque des masses d'air chaud et froid se rencontrent, les contrastes de température sont parfois tellement violents en l'espace de quelques kilomètres que des tornades peuvent se former sous les cellules orageuses (constituées de plusieurs cumulonimbus) et d'autant plus sous les supercellules comme on en voit régulièrement aux Etats-Unis.

Lors de son ascension, poussée par les vents ascendants, lorsqu'une cellule orageuse rencontre le jet stream vers 9 ou 10 km d'altitude aux latitudes moyennes, son sommet est entraîné dans le courant intense qui souffle en moyenne entre 100 et 320 km/h. L'impressionnante masse nuageuse commence alors à tourner lentement sur elle-même.

Comment se forme une tornade ? Tout commence par une formation nuageuse qui se développe verticalement et sur le point de se transformer en cellule ou supercellule orageuse. Elle obéit donc à des conditions météorologiques particulières de température, pression et humidité qui dépendent de la nature des masses d'air et de leur instabilité.

On observe d'abord un cisaillement dans les basses couches qui prend la forme d'un rouleau horizontal qui peut passer inaperçu. L'aspiration engendrée par la cellule orageuse provoque ensuite le redressement de ce rouleau qui se développe alors dans le plan vertical.

Si la masse d'air est très instable, les vents deviennent violents et à l'intérieur de la cellule orageuse les mouvements ascendants peuvent dépasser 104 m/s soit 375 km/h. La base du cumulonimbus se met alors en mouvement créant un tourbillon à l'intérieur de la cellule où la pression devient très basse, pouvant chuter de 80 mbar. Sous l'effet de cette basse pression, la base de la cellule prend la forme d'un entonnoir.

Sous sa propre masse et l'effet de la pression,  cette excroissance d'abord située en altitude va s'abaisser de plus en plus et s'étirer en s'accélérant. Si l'entonnoir atteint la surface du sol il peut devenir un danger mortel. Quand il se développe au-dessus du sol on parle de tornade et de trombe d'eau au-dessus de la mer. Ce phénomène toujours spectaculaire peut être accompagné de précipitations et de grêle. Rappelons que des grêlons de 4 cm de diamètre sont animés d'une vitesse de chute de 100 km/h et des grêlons de 8 cm de diamètre peuvent frapper à 150 km/h et former des cratères dans le sol. S'ils tombent pendant plusieurs minutes, ils peuvent donc tuer une personne qui ne se serait pas mise à l'abri.

Selon sa vitesse de déplacement, ses dimensions et son intensité, l'effet d'une tornade peut être réduit à celui d'une rafale de vent ou être dévastateur. Les tornades les plus violentes sont capables de soulever des locomotives ou des camions semi-remorques et de les transporter, par la voie des airs, à plusieurs centaines de mètres de distance.

Animation d'une tornade, Exploring Earth

Quelques aspects typiques de tornades subtropicales (cat.F0 ou F1). De gauche à droite, une tornade F1 au sud de Beaver City au Nebraska en avril 1989. Elle passa à 1.6 km de la ferme d'Audra Thomas qui pose assez désinvolte sur la photo. A sa droite, une tornade anticyclonique photographiée près de Silma au Colorado par James Smart le 24 juin 2015. A droite du centre, une trombe d'eau près de Grand Cayman photographiée le 30 décembre 2011 par Mark Hanrahan. A l'extrême droite, des tornades multiples photographiées au-dessus de la Méditerranée, près de Chypre, en 1999 par Roberto Giudici/UWM. Ci-dessous, trois autres types singuliers de tornades. Non obstant le fait qu'il risque d'y avoir des rafales de vent très violentes et de fortes averses, si la supercellule est très active, il peut tomber des grêlons de la taille d'une balle de tennis ou des objets massifs emportés par le vent.

D'où vient la couleur des nuages d'orages et des tornades parfois bruns, jaunes ou bleutés ? La base d'une cellule orageuse prend une couleur très sombre car étant située de plus en plus bas et couverte par le plafond nuageux, elle ne reçoit plus la lumière directe du Soleil. Elle s'assombrit également en soulevant la terre. Quant à la lumière diffusant par l'intérieur du nuage, en général elle est absorbée avant de ressortir. En de rares occasions, elle peut se diffuser au coeur de la cellule et prendre une couleur bleue-turquoise très étonnante. L'effet du coucher du Soleil peut aussi enflammer la couleur des nuages et leur donner des aspects féériques. En revanche, le sommet de nuages exposé au Soleil garde une couleur d'un blanc étincellant quand il est visible du sol où observé depuis un avion.

L'échelle de Fujita

En 1971, Ted Fujita de l'Université de Chicago en collaboration avec le météorologiste Allen Pearson du Centre de prévision des tempêtes de la NOAA (SPC) a classé les tornades en 6 catégories en fonction de la vitesse des vents comme indiqué dans le tableau suivant. L'échelle de Fujita varie entre 0 et 12 mais jamais aucune tornade n'a dépassé la catégorie F5 sur Terre.

A ne pas confondre avec l'échelle de Saffir-Simpson de classification des cyclones qui varie également entre F0 et F5. Cela concernant essentiellement les dépressions des régions tropicales, nous en reparlerons dans le chapitre consacré aux tornades et cyclones tropicaux.

La plupart du temps les populations sont touchées par des tornades de catégorie F0 à F4, isolée ou multiples et subissent 1 fois sur 1000 soit en moyenne une fois tous les 10 ans une tornade de catégorie F5.

L'Europe enregistre en moyenne une dizaine de tornades F0 à F3 par an et enregistra 6 cas de tornades de catégorie F5 au XXe siècle (dont le 24 juin 1967 aux Pays-Bas/Belgique/France et le 9 juin 1984 au nord de Moscou, toutes deux accompagnées de F4 et F3). Depuis 2000, on enregistra 2 tornades de catégorie F4 (le 3 août 2008 à Haumont en France qui tua 14 personnes et le 8 juillet 2015 à Veneto en Italie qui tua 1 personne). Au total, en interrrogeant la base de données de l'European Severe Weather, on apprend que l'Europe subit 626 tornades en 2016 dont 2 en Belgique et 9 en France dont une seule tornade F1, la plupart étant des nuages tuba plus ou moins prononcés ne touchant pas le sol mais accompagnés de fortes rafales de vent. Leur fréquence est irrégulière. Dans les petits pays, elle peut doubler ou quadrupler comme diminuer de moitié d'une année à l'autre.

A consulter : European Severe Weather Database

Pour interroger la base de données météos européenne

Echelle d'intensité des tornades de Fujita

Échelle

Dommages

Vitesse du Vent
(km/h)

Description

F0

Légers

60 - 100

Antennes de TV tordues; petites branches d'arbres cassées; caravanes déplacées

F1

Modérés

120 - 170

Caravanes renversées; arbres déracinés; dépendances et toits soufflés; automobiles poussées hors de la route

F2

Importants

180 - 250

Toitures soulevées; arbres brisés ou déracinés; objets légers transformés en projectiles; structures légères brisées

F3

Sévères

260 - 330

Murs de maisons renversés; arbres cassés dans les forêts; projectiles de grande dimension (voiture, camion) soulevés par le vent; danger mortel

F4

Dévastateurs

340 - 410

Maisons bien construites en dur rasées; gros projectiles; quelques arbres et véhicules emportés par le vent; danger mortel

F5

Extraordinaire

420 - 510

Fortes structures envolées; arbres déracinés et emportés par le vent; projectiles massifs emportés par le vent à grande vitesse; structures en béton armé endommagées; dévastation complète; danger mortel.

La tornade s'auto-alimente en passant sur le sol et plus elle est lente, plus elle est destructrice. En touchant le sol et en ralentissant sa course, une tornade agit comme un véritable aspirateur et déchiqueteuse, ne laissant derrière elle que des débris et des charpies ! Le moindre objet comme un bout de métal ou un ustencile de cuisine peut se transformer en projectile mortel car après avoir été aspiré dans les airs, sous l'effet de la force du vent et de la gravité il peut acquérir une vitesse supérieure à 300 km/h et venir se planter dans n'importe quel objet (ou personne ou animal) sur sa trajectoire ou de traverser des structures en verre trempé ou en acier ! Les officiers de la FEMA ont rapporté qu'ils ont vu des corps démembrés et déchiquetés ainsi que des animaux atrocement mutilés par la puissance des tornades.

Selon David Lewellen, ingénieur en mécanique et aérospatiale qui développa un modèle des tornades, un tornade peut soulever des milliers de tonnes de terre qui vont modifier sa structure interne. Depuis le passage meurtrier de la tornade Jarrell qui fit 27 morts le 27 mai 1997 au Texas, les météorologistes ont appris que même un orage présentant peu de cisaillement vertical peut générer une tornade F5 mortelle et totalement imprévisible.

A voir : On the Way Of Storms - Tornado Valley (s-t VF)

Les tornades en action

Evolution de deux tornades et son d'ambiance. Fichiers Mpeg de 1.6 MB, AVI de 3.3 MB et WAV de 95 KB.

Ce phénomène se produit régulièrement en été dans les grandes plaines du centre des Etats-Unis, principalement dans ce qui convient d'appeler aujourd'hui la "Tornado Alley". Comme on le voit sur la carte ci-dessous, cette région s'étend entre le Nebraska, le Kansas, l'Oklahoma et le nord du Texas. Elle se trouve à la jonction des masses d'air froid et sec venant du nord-ouest, de l'air chaud et sec venant du sud-est et de l'air chaud et humide venant du Golfe du Mexique.

C'est la ville de Pampa au nord du Texas (17000 habitants) qui est particulièrement la cible des tornades. On pense que c'est la température de la ville qui les attire. En effet, la masse de béton concentrée sur une petite superficie augmente parfois la température de l'air jusqu'à 15° au-dessus de celle de la région avoisinante, créant une violente aspiration d'air (cf. cette vidéo, séquence 11:15, d'une tornade F4 filmée le 8 juin 1995 à Pampa)

A voir : Les Tornades

Greensburg au Kansas, après le passage d'une tornade F5 le 4 mai 2007

La tornade rasa 95 % de la ville et tua 11 personnes

A gauche, location de la "Tornado Alley" au centre des Etats-Unis. Document Wikimedia. Au centre, affiche préparée par la FEMA expliquant les dommages occasionnés par une tornade. la petite ville de Greensburg au Kansas (777 habitants) fut détruite à 95% après le passage d'une F5 le 4 mai 2007 et malgré le système d'alerte tua 11 personnes. La ville n'a jamais été reconstruite. Document Mike Theiss/Ultimate Chase.

Selon la NOAA, entre 1950 et 2006, 41 États américains ont subi des tornades de catégorie F3 ou supérieure. Entre 1991 et 2010, 17 Etats américains ont subi plus de 5 tornades chaque année sur une superficie de 10000 milles carrés soit 25900 km2 (les 3/4 de la superficie de la Belgique). Durant cette période, on enregistra en moyenne 1253 tornades par an aux Etats-Unis dont plus de 25 % dans la Tornado Alley où on enregistra en moyenne 57 tornades par an au Nebraska, 96 en Oklahoma, 62 au Kansas et 115 au Texas ! C'est le mois de juin qui est le plus à risque avec une moyenne de 243 tornades par an réparties à travers les Etats-Unis dont 26 tornades au Texas, 22 en Oklahoma et 21 au Nebraska !

Statistiquement, on peut dire que les tornades touchant le sol américain présentent une largeur moyenne de 68 m et laissent derrière elles une trace (couloir) au sol variant entre 1.6 et 6.5 km de longueur. Leur passage ne dure en moyenne que 5 minutes et les vents moyens sont de 40 km/h.

Moralité, si vous devez un jour subir une tornade violente, fuiez ou protégez-vous et accrochez-vous à la vie, car tout le reste sera réduit en charpie; seule l'assise des ponts en béton armé y résiste ainsi que les abris anti-atomiques... Votre meilleure protection est sous la terre ou dans un local bétonné solidement amarré au sol comme par exemple la baignoire d'une salle de bain qui est l'un des endroits les plus sûrs en raison de la tuyauterie souvent bien ancrée au sol. Aux Etats-Unis, les tornades provoquent chaque année des milliards de dollars de dégâts quand elles ne tuent pas la population.

Troisième partie

Les éclairs

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