Structures orageuses
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Les structures orageuses sont des formations nuageuses complexes et dynamiques qui se développent dans l'atmosphère terrestre lors d'orages. Ces structures sont le résultat de l'instabilité atmosphérique et de l'ascension rapide d'air chaud et humide.
Les orages peuvent être classés en plusieurs catégories selon deux critères principaux : le cisaillement des vents en haute altitude et l'Énergie Potentielle de Convection Disponible (EPCD), mesurée en joules par kilogramme (J/kg). Voici les différentes catégories :
- Orage monocellulaire : ces orages se caractérisent par une EPCD comprise entre 500 et 1000 J/kg ;
- Orage multicellulaire : ils présentent une EPCD variant de 800 à 1500 J/kg, ce qui leur permet d'être plus intenses que les orages monocellulaires ;
- Orage supercellulaire : cette catégorie d'orages, divisée en quatre types distincts, se forme lorsque l'EPCD dépasse 1500 J/kg, engendrant ainsi des conditions météorologiques potentiellement très violentes ;
- Système convectif de méso-échelle (SCM).
L'énergie potentielle de convection disponible (EPCD)
L'Énergie Potentielle de Convection Disponible (EPCD), ou CAPE (Convective Available Potential Energy) en anglais, est une mesure utilisée en météorologie pour évaluer la quantité d'énergie disponible pour la convection dans l'atmosphère. L'EPCD représente l'énergie potentielle disponible pour la formation de courants ascendants convectifs dans l'atmosphère.
Plus l'EPCD est élevée, plus l'atmosphère a le potentiel de développer des orages puissants et des tempêtes violentes. L'EPCD est calculée en intégrant la flottabilité d'une parcelle d'air sur une certaine hauteur dans l'atmosphère, généralement entre le niveau où la parcelle devient instable et le sommet de la convection. La flottabilité est déterminée par la différence de température entre la parcelle d'air et l'air ambiant. Elle est exprimée en joules par kilogramme (J/kg). Des valeurs d'EPCD élevées (supérieures à 1000 J/kg) indiquent un potentiel significatif pour la convection forte.
L'EPCD est utilisée par les météorologues pour évaluer le risque d'orages et de phénomènes météorologiques sévères, comme la grêle, les rafales descendantes, et les tornades. Cependant, elle doit être considérée avec d'autres paramètres, comme le cisaillement du vent, pour une évaluation complète des conditions orageuses.
Orage monocellulaire
L'orage monocellulaire est le plus courant et le plus simple dans sa structure. Il est constitué d'une seule cellule dans laquelle on retrouve le courant ascendant qui, une fois arrivé à maturité, se fait progressivement "asphyxier" par le courant descendant et les fortes pluies associées. Il se compose d'une seule cellule convective qui traverse trois phases distinctes : développement, maturité et dissipation.
Phase de développement : durant cette étape, l'air chaud et humide monte en altitude, formant un nuage cumulonimbus. Ce courant ascendant est alimenté par l'énergie thermique et l'humidité disponibles dans l'atmosphère.
Phase de maturité : une fois l'orage arrivé à maturité, les précipitations commencent à tomber. Le courant ascendant se poursuit, mais il est progressivement "asphyxié" par le courant descendant, constitué de l'air froid et des fortes pluies qui s'abattent sur la zone. Cette phase est souvent accompagnée de rafales de vent et, parfois, de grêle.
Phase de dissipation : finalement, le courant descendant domine complètement, coupant l'alimentation en air chaud du courant ascendant. L'orage perd alors son énergie et s'affaiblit rapidement. Cette étape marque la fin de l'orage, généralement au bout de 30 à 60 minutes.
L'orage monocellulaire est typique des après-midis d'été, lorsque la surface terrestre s'est suffisamment réchauffée pour déclencher une convection. Les orages monocellulaires sont de petite taille, souvent peu mobiles et isolés, ce qui signifie qu'ils ont tendance à se former et à se dissiper sans se déplacer sur de grandes distances.
Orage multicellulaire
C'est un orage formé de plusieurs cellules convectives à différents stades de leur existence. Les plus jeunes se trouvent à l'avant par rapport au déplacement, leur développement augmente vers l'intérieur de la masse nuageuse. En effet, il se développe lorsque la vitesse du vent se modifie avec l'altitude de sorte que le courant descendant (zone des fortes pluies) est décalé avec le courant ascendant et n'asphyxie plus ce dernier.
Les orages multicellulaires peuvent parfois s'organiser en "amas orageux" de grande échelle appelés MCS (mesoscale convective system) et dont le développement peut atteindre plusieurs centaines de kilomètres de diamètre. Les systèmes convectifs de méso-échelle (MCS) peuvent ainsi causer des inondations importantes en raison des précipitations persistantes sur une large zone géographique.
Les orages multicellulaires peuvent aussi s'organiser en "lignes de grains", fréquents au passage des creux thermiques ou des fronts froids instables.
Orage supercellulaire
Un orage supercellulaire n'est formé que d'une seule cellule convective de très grande taille, de très forte intensité et de très longue durée de vie. À titre de comparaison, le diamètre d'un supercellulaire à maturité varie de 20 km à 50 km alors que celui des multicellulaires ne dépasse pas 10 km.
Une supercellule est un orage particulièrement violent et organisé. Son cœur est le mésocyclone, une zone de rotation verticale intense. Ce tourbillon est alimenté par un courant ascendant d'air chaud (updraft) et humide et un courant descendant d'air froid et sec (downdraft). Ces courants créent une structure complexe avec une enclume de glace au sommet. Les flancs chaud et froid de la supercellule influencent son évolution. La combinaison de ces éléments peut générer des tornades, de la grêle et des rafales descendantes très dangereuses. La grande majorité des tornades sont issues d'orages supercellulaires.
On distingue généralement quatre types d'orages supercellulaires :
Supercellule classique
Ce type est le plus courant et possède toutes les caractéristiques typiques d'une supercellule. Elles présentent souvent un mésocyclone bien défini et sont capables de produire des tornades violentes, de la grosse grêle et des vents destructeurs. Les supercellules classiques ont une apparence distincte avec un nuage mur, une enclume, et parfois un nuage en entonnoir.
Supercellule HP (High Precipitation)
Les supercellules HP sont caractérisées par des précipitations abondantes qui entourent le mésocyclone, rendant souvent difficile l'observation visuelle de la tornade, si elle se forme. Les pluies torrentielles et la grêle associées peuvent entraîner des inondations soudaines. Ce type d'orage est souvent perçu comme plus dangereux en raison de sa nature masquée.
Supercellule LP (Low Precipitation)
Les supercellules LP se distinguent par leur faible quantité de précipitations. Elles ont un aspect plus clair et visible, ce qui permet une meilleure observation des structures internes de l'orage, comme le mésocyclone. Bien qu'elles produisent moins de pluie, elles peuvent encore générer de la grosse grêle et des tornades.
Supercellule hybride
Les supercellules hybrides présentent des caractéristiques mixtes des trois autres types. Elles peuvent passer d'un type à l'autre au cours de leur cycle de vie en fonction des conditions environnementales. Par exemple, une supercellule peut débuter en LP et évoluer en HP à mesure que les précipitations augmentent.
Le mésocyclone
Un mésocyclone est une zone de rotation plus ou moins verticale à l'intérieur d'un orage. Cette zone de rotation, appelée mésovortex, a un diamètre compris entre 1 et 15 kilomètres. Elle est souvent associée à une zone de basse pression dans le nuage. Un mésocyclone se trouve généralement au sein d'un orage supercellulaire. La présence d'un mésocyclone dans un orage est un indicateur important du potentiel de formation de phénomènes météorologiques violents comme des tornades, des grêlons, des vents violents ou encore des pluies torrentielles.
Système convectif de méso-échelle (SCM)
Un système convectif de méso-échelle (SCM) est une grande structure orageuse qui se forme sur plusieurs centaines de kilomètres carrés et peut durer de plusieurs heures à quelques jours. Ils se développent souvent dans des environnements instables avec du cisaillement du vent, ce qui les rend capables de produire des phénomènes météorologiques sévères comme des fortes pluies, vents violents et parfois tornades. Les SCM incluent des formations comme les complexes convectifs de méso-échelle (CME) et les lignes de grains. Leur prévision et suivi nécessitent l'utilisation de radars et de satellites, car leur dynamique complexe peut avoir un impact significatif sur les conditions météorologiques régionales.