Un orage, de l'ancien français ore qui signifiait vent, est une perturbation atmosphérique d'origine convective associée à un type de nuage particulier : le cumulonimbus. Ce dernier est à forte extension verticale et donne des pluies fortes à diluviennes, des décharges électriques de foudre suivies de tonnerre. Dans des cas extrêmes, l'orage peut produire des vents violents et plus rarement des tornades et de la grêle.

Mécanisme de formation

Comme dans le cas des averses, les orages se forment dans une masse d'air instable où il y a disponibilité de chaleur et d'humidité à bas niveau et d'air plus sec et froid en altitude. Une parcelle d'air devenant alors plus chaude que l'environnement entrera en convection. Tant qu'elle n'est pas saturée, sa température changera selon le taux adiabatique sec mais à partir de la saturation, la vapeur d'eau contenue dans la parcelle d'air condensera selon les lois de la thermodynamique ce qui relâche de la chaleur latente et son changement de température avec la pression sera alors celui qu'on appelle le taux pseudo-adiabatique humide. L'accélération ascensionnelle se poursuivra jusqu'à ce que la parcelle arrive à un niveau où sa température égale celle de l'air environnant. Ensuite elle se mettra à décélérer et le sommet du nuage sera atteint quand la particule atteindra une vitesse nulle.

Téphigramme qui montre le chemin de la parcelle d'air convective, température versus pression(ligne rouge), par rapport à l'environnement (en noir). La surface en jaune est égale à son EPCD

L'Énergie Potentielle de Convection Disponible (EPCD) pour ce type de nuages est plus grande que pour une averse et permet de développer des sommets de nuages qui atteindront une plus grande altitude. Ceci est important car les gouttes qui s'élèvent dans le courant ascendant perdent des électrons par collision comme dans un accélérateur de Van de Graff. Un plus haut sommet permet d'atteindre une température inférieure à -20°C nécessaire pour donner un grand nombre de cristaux de glace. Ces derniers sont de meilleurs producteurs et transporteurs de charge ce qui permet une différence de potentiel suffisante entre la base et le sommet du nuage pour dépasser le seuil de claquage de l'air et donner de la foudre.

L'instabilité potentielle de l'air n'est pas le seul critère, il faut généralement un déclencheur. Par exemple, le passage d'un front froid ou le réchauffement diurne. Un tel déclencheur peut agir à la surface ou en altitude ce qui fait que les orages peuvent se développer près du sol ou être basés aux niveaux moyens de l'atmosphère. Les orages peuvent donc se produire en toute saison en autant que les conditions soient remplies. Cependant, de la fin du printemps au début de l'automne est la période la plus active hors des régions équatoriales car c'est à ce moment que l'atmosphère est la plus chaude et humide.

Classification des orages

On classe les orages en plusieurs catégories selon l'Énergie Potentielle de Convection Disponible(EPCD) et le cisaillement du vent avec l'altitude:

• Orages unicellulaires
• Orages multicellulaires
• Orages supercellulaires
• Lignes de grain
• Derecho
• Complexe convectif à méso-échelle

Orage ordinaire et pulsatif

L'orage unicellulaire est caractérisé par une faible énergie (EPCD de 500 à 1000 J/Kg) avec peu ou pas de changement des vents avec l'altitude. Donc le cycle de vie d’environ 30 à 60 minutes de ces orages est caractérisé par un courant ascendant plus ou moins fort et vertical. Ils commencent comme des cumulus puis se changent en cumulus bourgeonnants avec début de précipitations en leur sein.

Au stade mature, une enclume se forme au sommet du nuage grâce à l'étalement des gouttelettes de nuages du courant ascendant par les forts vents horizontaux d'altitude. Cependant, le cœur de pluie dans le nuage, qui se trouve à une grande altitude, commence à être trop pesant pour que le courant ascendant puisse le soutenir. La pluie mêlée de petits grêlons commence alors à redescendre vers le sol, ce qui provoquera bientôt la dissipation.

En effet, cette précipitation descend dans le courant ascendant et s'évapore partiellement en refroidissant l'air qui l'entoure. Ce dernier devient alors plus froid que l'environnement, et par poussée négative d'Archimède, accélère vers le sol. Graduellement le courant descendant s'intensifie et supplante le courant ascendant. Après la pluie, l'orage unicellulaire se dissipe rapidement créant une zone plus fraîche autour de lui.

Ce type d'orages est le plus fréquent et associé avec de bonnes pluies et des vents forts mais rarement avec du temps violent (les grêlons fondant avant d'arriver au sol).

Orages multicellulaires

Lorsque la force et la direction des vents augmente avec l’altitude de façon linéaire, le courant ascendant de convection n’est plus à la même position que le courant descendant avec la précipitation. Ceci produit un front de rafale qui s’éloigne en arc du cœur de précipitations et repousse la zone d’ascension. Un surplomb de précipitation se forme donc généralement dans le quadrant sud-ouest de la cellule mère dans l’hémisphère nord alors que les vents dominants de surface viennent de cette direction. Comme le front de rafale se dissocie avec le temps de la cellule initiale en formant des cellules filles, le multi-cellulaire forme donc une ligne d'orages à différents stades de développement.

La structure radar de ce type d’orage est caractérisée par des surplombs sur la partie sud-ouest d’une ligne de fort échos et ces surplombs semblent se déplacer dans cette direction alors que la ligne se déplace à 30 degré et 70% de la vitesse des vents dans la couche où se produisent les orages.

En général, l'EPCD est moyen dans ce type d'orage, soit entre 800 et 1 500 J/Kg. Selon l'énergie et l'humidité disponible, ce type d'orage peut donner des rafales de vents violentes, des pluies diluviennes et très rarement des tornades.

Orages supercellulaires

Vue conceptuelle d'un supercellulaire

Lorsque le cisaillement des vents tourne avec l’altitude, on peut arriver à une situation où on a un renforcement du mouvement vertical sous le courant ascendant et une synchronisation entre le front de rafales descendantes et le courant ascendant. De plus, si l'énergie potentielle convective disponible monte au-dessus de 1 500 J/kg, le courant ascendant permettra une très large extension verticale (jusqu'à plus de 15 km).

Ceci donne des cellules orageuses indépendantes en équilibre stable entre l’entrée et la sortie des courants qui leur permettent de vivre très longtemps. Elles peuvent produire de la grosse grêle, des vents destructeurs et des pluies torrentielles. De plus, si un cisaillement horizontal du vent en surface est transformé en tourbillon vertical par le courant ascendant, ces supercellules peuvent produire des tornades si la rotation est accentuée par le courant descendant.

Sur l'image de droite, on voit une représentation d'un tel cumulominbus qui comprend:

• Une enclume se forme à la tropopause qui est une barrière au développement vertical du nuage. Elle s'étend loin de la cellule originale poussée par des vents horizontaux très forts.
• Un sommet en dôme qui surplombe l'enclume là où le courant ascendant se trouve et indique qu'il est assez fort pour vaincre l'inversion de température à la tropopause.
• Des mammatus sous l'enclume, des protubérances nuageuses formées par l'air froid d'altitude descendant par poussée négative d'Archimède dans le nuage. Ils sont signe d'instabilité.
• Dans le flanc arrière droit, derrière les précipitations, une tornade sous le nuage-mur (Wall-cloud).

Du point de vue radar, on remarque une voûte sans échos (images ci-dessous à droite), là où le fort courant ascendant permet à l'humidité des parcelles d'air en convection de ne se condenser qu'à très haut niveau. Ceci donne une forme à bas niveau un forme en crochet (gauche) aux échos radar et un fort gradient de réflectivité près du crochet. Du point de vue circulation de l'air, les zones en bleu sur la figure de gauche montrent où l'air descend dans ce type de nuage donnant des rafales au sol. On remarque que dans le flanc sud, le courant descendant entre en interaction avec le courant ascendant (jaune) et c'est à cet endroit que les tornades peuvent se produire.

Lignes de grain et Derecho

Vues en coupe verticale et horizontale des précipitations et de la circulation de l'air dans une ligne de grain

Lorsque des orages isolés se rassemblent en une ligne et que cette ligne se déplace avec le vent moyen dans l’atmosphère, on a affaire à une ligne de grain dont l’extrême est le Derecho. Une telle ligne produit un front de rafales qui s’organise en ligne à l’avant de la convection. Il est renforcé par la subsidence du courant-jet des niveaux moyens qui est rabattu vers le sol. En effet, l'entrée de ce dernier dans le nuage y amène de l'air froid et sec de l’environnement ce qui est en équilibre négatif selon la poussée d'Archimède.

La coupe horizontale à travers une telle ligne, dans le haut de l'image, montre donc de forts gradients de réflectivité (taux de précipitations) sur l’avant de la ligne. Sur la partie du bas on voit une coupe horizontal où des encoches derrière la ligne donne une forme ondulée à celle-ci. Ces encoches sont créées là où le jet assèche la précipitation en descendant. Il y a généralement des reformations d’orages en amont de la ligne principale avec la rafale descendante. La coupe verticale montre que les orages sont suivi d'une zone continue et moins intense associé à des précipitations stratiformes et la position du jet de niveau moyen descendant vers le sol.

Selon l'EPCD et le cisaillement des vents avec l'altitude, une ligne de grain donnera des vents plus ou moins forts le long de la ligne. Ces vents peuvent être dévastateurs. Les pluies diluviennes ne durent que très peu de temps au passage de la ligne mais des quantités importantes peuvent persister dans la partie stratiforme à l'arrière. Les autres phénomènes violents comme la grêle et les tornades sont plus rares.

Complexe convectif à mésoéchelle (CCM)

Complexe orageux se formant généralement en fin de journée à partir d'orages dispersés. Il atteint son apogée durant la nuit alors qu'il s'organise comme une large zone circulaire. On les définis comme ayant:

• Sommet des nuages ayant une température inférieure à -32°C et une surface d'environ 150 000 km².
• Durée de plus de 6 heures.
• Rapport entre les diamètres nord-sud et est-ouest doit s'approcher de 1.

Ces systèmes sont fréquents dans les plaines américaines durant l'été. Ils dérivent durant la nuit dans le flux d'altitude et donnent principalement des précipitations intenses causant des inondations sur de larges régions. De la fin avril à octobre 1993, les inondations qui ont sévi tout le long du bassin du fleuve Mississippi, des Grands Lacs à la Nouvelle-Orléans, ont été en grande partie causées par des CCM à répétition durant plusieurs semaines au début de l'été. (en)La grande inondation de 1993

Bibliographie

• J.V. Iribarne et W.L. Godson, Atmospheric Thermodynamics, publié par D. Reidel Publishing Company, Dordrecht, Pays-Bas, 1973, 222 pages
• M K Yau et R.R. Rogers, Short Course in Cloud Physics, Third Edition, publié par Butterworth-Heinemann, 1er janvier, 1989, 304 pages. EAN 9780750632157 ISBN 0750632151

Voir aussi

Articles reliés

• Foudre
• Tonnerre
• Prévision des orages violents
  • Tornade
  • Rafale descendante
  • Derecho
  • Grêle
• Électrostatique
  • Électrostatique dans Wikibook

| Types de nuages
Altocumulus | Altostratus | Cirrus | Cirrostratus | Cirrocumulus | Cumulus | Cumulus bourgeonnant | Cumulo-nimbus | Nimbostratus | Stratus | Stratocumulus | Mammatus (caractéristique de différents nuages)

Liens externes

Le Wiktionnaire possède une entrée pour « orage ».

Sites gouvernementaux:

• Orages et tornades par Environnement Canada
• Quelle est l'origine des orages ?, École normale supérieure de Lyon

Sites Privés:

• Des photos d'orage, d'eclairs et explications sur leur formation par AlerteMeteo.com
• Association Infoclimat
• Communauté et forum des chasseurs d'orages francophones
• L'Association des Chasseurs d'Orages du Québec
• photos orage Photo d'orage des dent du midi et de la region.
• forum de traqueurs d'orages français et Espagnols
• Les orages par le site La Climatologie