Les quoi et pourquoi des orages

Ce FAQ sur les orages est un assemblage d'une série de publications écrites par mes soins pour Belgorage durant le printemps 2019.

Pourquoi il ne fait pas toujours chaud avant les orages ?

Vous vous êtes peut-être posé cette question au passage de quelques épisodes orageux importants ces dernières années : pourquoi il n’a pas fait chaud avant ceux-ci ?

En effet, et contrairement à une croyance bien ancrée, il ne fait pas toujours chaud avant les orages estivaux. Ceci peut s’expliquer par deux grandes raisons :

• La chaleur est parfois toute relative. Dans une atmosphère instable, 15°C au niveau du sol est « chaud » par rapport à une température de -35°C vers 5,5 km d’altitude. Cette situation se produit de temps à autre, en été, en contexte de traîne, lorsque le temps est rafraîchi par un flux de nord-ouest voire de nord.
• La chaleur, parfois présente, est cachée à l’observateur : décollée du sol, frôlant son territoire sans réellement le concerner, dissimulée dans une atmosphère très humide… les situations sont nombreuses.

Dès lors, un ciel mitigé, voire même franchement couvert et pluvieux, le tout dans un air plutôt léger, peut paraître étonnant lorsque des orages parfois violents sont prévus, et que ceux-ci se présentent de manière alors sournoise, surprenant généralement le quidam ! Certains des plus gros épisodes orageux de ces dernières années se sont produits dans de telles conditions. L’image ci-dessous illustre le temps relativement frais et léger que nous connaissions le 17 juin 2012, avec une vingtaine de degrés. Le lendemain matin, un violent système orageux traversait le pays du sud-ouest au nord-est…

Pourquoi les canicules se finissent parfois sans orages ?

Lors du point précédent, nous avons parlé d’épisodes qui se produisaient sans être précédés de chaleur lourde. Prenons le contrepied : pourquoi certaines périodes de chaleur ne se terminent pas par des orages ?

Ce cas de figure s’est en effet présenté quelques fois ces dernières années : une masse d’air chaud est balayée par un front froid, parfois précédé de sa classique ligne de convergence, sans orage, dans certains cas même sans pluie. Seuls quelques nuages, un fléchissement de la température et des rafales bienfaitrices par leur fraîcheur signent la fin de la chaleur. Le lendemain, le temps est beaucoup plus frais, et parfois bien mitigé.

Il faut rappeler que les orages se produisent en présence de trois ingrédients :

• De l’instabilité, qui croit au plus l’air est chaud au sol et au plus il est froid en altitude. Il arrive que la masse d’air ne soit pas instable en raison d’un air pas suffisamment froid en altitude. Dans ce cas, le risque orageux est diminué.
• De l’humidité en basse couche ; si l’air est trop sec, les nuages orageux ne se forment pas, ou difficilement.
• De la dynamique, aussi bien au sol (la ligne de convergence en est un élément) qu’en altitude (position favorable du Jet-stream). Il arrive que la dynamique en altitude soit complètement absente, compliquant l’organisation des quelques orages qui peuvent éclore.

Ajoutons à cela qu’une inversion de température, soit une couche de l’atmosphère dans laquelle la température croit avec l’altitude, peut contrecarrer les développements orageux, même si les autres éléments sont favorables.

L’illustration jointe à ce billet est tirée de la webcam Météo Belgique de Slins (près de Liège) en fin de journée du 10 juillet 2016. Elle montre le passage d’une ligne de convergence qui chasse la chaleur alors présente. Seuls quelques altocumulus castellanus montrent la présence d’un peu d’instabilité, mais l’air sec en basse couche et l’absence de dynamique d’altitude empêchent alors cette ligne de convergence de générer des orages.

Qu’est-ce qu’une supercellule ?

Le mot supercellule désigne un orage unique doté d’une rotation durable qui, dans des conditions propices et peu souvent atteintes dans nos régions, peut mener à la formation d’une tornade. La zone de rotation par laquelle l’air chaud et humide monte en tourbillonnant est appelée « mésocyclone ». Les précipitations et l’air froid redescendent généralement sur la gauche et à l’arrière de ce mésocyclone. De telle sorte, les supercellules ont une signature particulière sur les images radar de précipitations, avec une extrémité en forme de crochet. L’identification de cet écho radar en crochet (hook echo en anglais) durable et les observations de terrain peuvent permettre d’identifier une supercellule avec un certain niveau de probabilité.

Le terme de « supercellule » laisse souvent penser que l’on parle d’un orage obligatoirement violent. Or, dans nos contrées, certaines supercellules peuvent être relativement discrètes et, pour le quidam, la plupart des spécimens qui nous concernent chaque année ne sont pas tellement différents, d’un point de vue éléments engendrés, d’autres orages plus classiques. Seules quelques supercellules sont réellement très violentes et peuvent engendrer de très gros dégâts, que ce soit par la grêle, la pluie, les rafales descendantes voire les tornades.

L’image radar jointe à ce billet montre une supercellule sur la province de Liège l’après-midi du 5 juillet 2015. Elle est reconnaissable à son crochet à l’ouest de Remouchamps. Plus tard, ce violent orage donnera des chutes de grêle responsables de dégâts dans la région de Verviers.

Source de l’image : Kachelmann Wetter

Qu’est-ce qu’un orage multicellulaire ?

Il s’agit d’un type d’orage très fréquent, et de taille très variable : d’une dizaine de kilomètres à plusieurs centaines de kilomètres dans certains cas (pour les plus grands, on parle de système convectif de mésoéchelle ; nous y reviendrons prochainement).

Premièrement, il faut comprendre la notion de cellule orageuse : il s’agit d’un ensemble de deux courants : un courant ascendant chaud et humide qui nourrit l’orage, et un courant descendant froid caractérisé par les précipitations du même orage. Un orage multicellulaire est donc un ensemble de plusieurs de ces cellules (et donc de paires courant ascendant – courant descendant), chacune à un stade de vie différent : croissance, maturation, déclin… le tout alternant. Ce fonctionnement donne à l’ensemble, l’orage multicellulaire, une durée de vie de plusieurs heures en général, chaque cellule mourante étant remplacée par une jeune cellule à proximité, etc.

Les orages multicellulaires peuvent être très électriques, producteurs de grêle et de très fortes rafales pour les spécimens les plus puissants.

L’image jointe à ce billet montre un orage multicellulaire, ici organisé en ligne, dans la soirée du 27 août 2016 dans la région de Ciney. On note sur la photo deux cellules à différents stades d’organisation. La plus active se trouve à droite, avec un courant ascendant bien fourni et reconnaissable aux bouillonnements cumuliformes (aspect de chou-fleur). Le courant descendant se trouve à l’arrière (peu reconnaissable et situé derrière les points rouges). Sur la gauche, on note une cellule en déclin, reconnaissable à l’absence de bouillonnements. Cette partie de la ligne d’orages est en déstructuration, ce que montrèrent bien les radars de précipitations dans les minutes suivantes avec la disparition de la partie est de la ligne, les parties ouest et centrales, restant actives, progressant alors en direction de Huy.

Qu’est-ce qu’un MCS ?

C’est un acronyme scientifique pour « mesoscale convective system », soit « système convectif de mésoéchelle ». Système convectif car il s’agit d’un ensemble assez vaste où la convection s’organise, les différentes cellules orageuses interagissant. Mésoéchelle signifie, en physique de l’atmosphère, une distance de plusieurs centaines de kilomètres. En français plus commun, nous parlons donc de systèmes orageux assez vastes, d’un diamètre (ou longueur) dépassant la centaine de kilomètres et pouvant dépasser 500 kilomètres dans les cas les plus larges. Un MCS peut donc être vu comme un très grand orage multicellulaire, voire la coalescence de plusieurs de ces orages multicellulaires.

Les deux images jointes montrent un MCS à maturité approchant de la Belgique la nuit du 9 au 10 juin 2014. Classiquement, sur le radar de précipitations comme le montre la première illustration, ces systèmes ont tendance à se séparer en deux zones :

• La plus grande, aussi la plus faible, est la partie dite stratiforme, caractérisée par des pluies modérées et de rares éclairs.
• La partie active, plus restreinte, est la plus intense, car c’est à son niveau que le système est nourri en chaleur et humidité, la plupart des précipitations retombant alors à proximité. C’est dans cette partie, la plus turbulente en raison des courants ascendants et descendants qui s’y côtoient, que les éléments sont les plus intenses : puissante activité électrique, fortes précipitations, violentes rafales… Cette partie active peut être unique ou multiple et peut s’organiser en ligne de grains (nous reviendrons sur cette notion dans un prochain point).

Ces systèmes peuvent être relativement isolés ou être entourés d’orages fonctionnant indépendamment du MCS. On parle alors d’orages satellites, ou annexes…

Les MCS ayant une certaine autonomie, ils peuvent survivre de plusieurs heures à parfois une journée entière, et progresser dans des zones où les conditions sont moins propices aux orages. Vu de l’espace, ils apparaissent comme des zones nuageuses relativement elliptiques, issues de la fusion des enclumes des nombreux cumulonimbus constituant le système orageux.

Source des images : Infoclimat et Wokingham Weather.

Qu’est-ce qu’une ligne de grains ?

Une ligne de grains est une organisation orageuse dans laquelle et comme son nom l’indique, les cellules (les grains) s’alignent et forment des structures longues de plusieurs dizaines voire centaines de kilomètres mais larges d’à peine quelques kilomètres (jusqu’à 10 ou 15). Le sens de déplacement du système est plus ou moins perpendiculaire à l’axe de la ligne de grains. Ces lignes peuvent ainsi parcourir des centaines de kilomètres au cours des heures de leur durée de vie.

Les lignes de grains se déplaçant souvent rapidement, leur passage en un point donné ne dure que quelques minutes. Cependant, les éléments – et notamment le vent – peuvent être très intenses.

Pour prendre forme, la ligne de grains nécessite la présence de forts courants en altitude, souvent sous la forme d’un rapide de Jet-stream. Ces courants poussent la structure orageuse et participe à son organisation : au sein de la ligne de grains, des cellules se forment sans cesse à l’avant et meurent à l’arrière. Cette évolution explique pourquoi, dans certains cas, les lignes de grains peuvent progresser plus rapidement que les structures orageuses environnantes.

Dans un contexte marqué par une très forte dynamique et une instabilité importante, les lignes de grains peuvent se déformer :

• Un écho en arc (de l’anglais « bow echo ») est une ligne de grains arquée, le centre se déplaçant plus vite que les extrémités sous l’effet d’un flux d’altitude plus rapide à ce niveau. Les échos en arc sont fréquemment accompagnés de violentes bourrasques.
• Un LEWP (de l’anglais « line echo wave pattern ») est une ligne de grains déformée en ondulations. Les LEWP sont également capables de virulentes rafales, voire de tornades de relativement faible intensité.
• Lorsque les rafales entraînent des dégâts sur de vastes superficies, on parlera de « derecho ». Le derecho peut provenir soit d’un écho en arc, soit d’un LEWP.

Qu’est-ce qu’un cumulonimbus ?

Le cumulonimbus est le seul nuage capable de produire de l’activité électrique, et donc de l’orage. Il se développe à partir d’un cumulus, nuage en forme de chou-fleur. Gagnant en hauteur, son sommet se charge de particules de glace qui, en se heurtant les unes aux autres, génèrent de l’électricité statique.

Dans sa forme classique, le cumulonimbus a l’apparence d’un large champignon ou d’une enclume, le sommet s’écrasant contre la tropopause, la limite entre la troposphère et la stratosphère. Dans ce cas, il est appelé cumulonimbus capillatus. On lui ajoute même le terme « incus » lorsque l’enclume est particulièrement épaisse, comme sur la photo jointe à ce billet.

Un cumulonimbus calvus désigne la variété sans son enclume. Dans ce cas, rien ne le différencie d’un gros cumulus, à part qu’il génère de l’activité orageuse, le définissant de facto comme cumulonimbus.

Illustration : deux cumulonimbus capillatus incus sur la région liégeoise, observés depuis le Namurois, en mai 2018 (crédit photo : Hubert Maldague).

Qu’est-ce qu’un arcus ?

Arcus, que l’on peut traduire du latin en français par « arc », est une formation nuageuse parfois très impressionnante qui précède régulièrement les orages organisés. Il prend la forme d’un rouleau horizontal ou d’un mur de nuages. Lorsqu’il se produit dans un environnement humide, il peut prendre des formes très massives en pare-buffle ou encore en gueule avec des « dents » nuageuses déchiquetées s’abaissant très près du sol.

L’arcus délimite la frontière entre le courant ascendant de l’orage qui lui apporte chaleur et humidité à l’avant, et le courant descendant accompagnant les précipitations. Les différences de températures entre ces deux courants entraînent la condensation de l’air humide à cette frontière, formant ces nuages de très grande extension horizontale. L’arcus délimite souvent le front de rafales de l’orage ; c’est pourquoi il est commun d’observer une hausse du vent, parfois très intenses, lors de son passage.

L’illustration jointe et annotée montre un arcus précédant un système orageux très actif sur l’Ardenne au matin du 15 août 2017, photographié depuis les hauteurs de Marche-en-Famenne.

Qu’est-ce qu’un marais barométrique ?

On en parle parfois dans nos prévisions orageuses. Le marais barométrique est une région dans laquelle les pressions au sol évoluent très peu avec la distance. En conséquence, les vents y sont très faibles voire nuls, et les masses d’air ne se déplacent que très lentement voire stagnent sur un même territoire, parfois pendant plusieurs jours. Sur une carte météorologique, les marais barométriques apparaissent là où les isobares (les lignes de pression égale) sont très lâches et espacées. Un exemple en est donné dans la carte jointe à ce billet, en date du 4 juillet 2018.

Si nous parlons du marais barométrique, c’est parce qu’il induit des orages un peu particuliers et à la prévision souvent complexe. Premièrement, le flux qui vient au final stagner dans ce marais barométrique peut amener de l’humidité qui se retrouve coincée dans les basses couches. Ce phénomène est par ailleurs renforcé si les régions soumises au marais ont connu les jours précédents des précipitations, la végétation et les sols fournissant également de l’humidité à l’atmosphère sous l’effet d’une certaine chaleur que l’on retrouve dans ces marais barométriques. Ceci explique par ailleurs pourquoi le temps observé dans ces marais est régulièrement brumeux localement à l’aube, relativement clair en matinée mais avec un horizon souvent « sale » et délavé, puis tourne à l’orage dans l’après-midi, le tout dans un air lourd, voire réellement moite. Les orages prennent alors fin avec la tombée du jour, par manque de chaleur.

Ensuite, en l’absence de flux à grande échelle, ce sont des mouvements d’air locaux qui vont générer, en présence d’instabilité et d’humidité, la convection génératrice des orages. Un reste de vieux front qui stagne, une brise de mer qui s’avance loin dans les terres, une déviation des vents (faibles) en lien avec le relief sont autant de discontinuités de la masse d’air où les déplacements à l’échelle locale se rencontrent et sont forcés à s’élever lorsqu’ils se retrouvent face à face. A cela s’ajoute que les premiers orages (dont certains naissent par la simple surchauffe des basses couches, sans discontinuité) engendrent à leur tour des confrontations, l’air froid descendant avec les précipitations s’étalant au sol et forçant à son tour l’ascension de l’air chaud dans le voisinage, formant d’autres nuages convectifs. Cela explique pourquoi les orages de marais barométriques sont souvent nombreux, anarchiques et de durée relativement courte. Si l’atmosphère est humide, la plus grande menace de ces orages provient alors des précipitations diluviennes et stationnaires. En effet, en l’absence de flux dans le marais barométrique, ces orages ne se déplacent que très peu. Il peut alors en résulter des inondations sur l’une ou l’autre localité, alors que les voisines n’en subissent pas, voire restent au sec.

Qu’est-ce qu’une ligne de convergence ?

En météorologie, une ligne de convergence désigne toute discontinuité d’une masse d’air le long de laquelle les vents se rencontrent plus ou moins obliquement. Le cas parfait est celui d’une rencontre en face-à-face. En basse couche, cette rencontre entre flux oblige l’air à s’élever. Lorsque cela se passe dans une atmosphère instable et humide, des cumulus et des cumulonimbus se forment au niveau de la ligne de convergence, donnant des averses et des orages.

Il est à noter qu’en général, la température de part et d’autre de la ligne de convergence doit être sensiblement la même. Dans les faits, ce n’est pas toujours le cas, et notamment dans nos régions. Il arrive régulièrement qu’une ligne de convergence se forme sur la Manche et le nord de la France, devant un front froid, et progresse vers nos régions. Ainsi, elle entraîne de l’air maritime derrière elle, air qui est plus frais que l’air chaud devant. Pour autant, on ne peut qualifier cette ligne de convergence de véritable front froid, ceux-ci se formant sur de plus grandes échelles et sur une grande partie de la troposphère. On parle alors de « pseudofront froid » pour désigner ces convergences avec des températures moins élevées à l’arrière qu’à l’avant.

Une ligne de convergence peut aussi se former, par exemple, lorsqu’un flux d’air tropical de sud vient bousculer un autre flux d’air continental d’est qui occupait nos régions. Dans ces cas-là, les différences de températures sont plus faibles, et l’on parle alors bien de ligne de convergence.

L’image ci-dessous montre un exemple de ligne de convergence (on peut aussi parler de « pseudofront froid » dans ce cas) en début de soirée du 23 juin 2016, à l’occasion de violents orages (source : Infoclimat). Les petites barbules montrent la provenance du vent dans chaque station météo à ce moment. On voit qu’à l’avant de la plume rouge symbolisant la convergence, on a un vent de sud-ouest, alors qu’il est de nord-ouest à l’arrière de celle-ci.

Qu’est-ce qu’un front ondulant ?

En météorologie, un front désigne une limite entre deux masses d’air de températures différentes. Un front ondulant est une limite de ce type qui tend à s’immobiliser ou à progresser très lentement sur une région. Ce front peut être animé de dépressions de très petite échelle permettant de légères avancées de l’air chaud, ou de l’air froid dans le sens opposé.

En haute saison, les fronts ondulants sont régulièrement le siège d’une activité orageuse, les orages ayant tendance à se déplacer en crabe par rapport au front ondulant, donc sensiblement parallèlement à celui-ci. Ces mouvements amènent les régions situées à proximité du front à subir des orages à répétition.

Dans des conditions particulières, lorsque l’air est très humide et que le Jet-stream en altitude est présent, les petites poussées d’air chaud le long des ondulations du front peuvent augmenter sensiblement l’instabilité, et nourrir en air plus chaud et humide des orages qui peuvent alors être violents.

Qu’est-ce que l’inversion de températures ?

Dans une atmosphère « normale », la température diminue avec l’altitude. Il arrive cependant assez régulièrement que sur une hauteur plus ou moins importante de la troposphère (entre 0 et 10 km d’altitude en moyenne), une tranche de quelques centaines de mètres d’épaisseur, voire un ou deux kilomètres, soit marquée par une augmentation de la température.

Pratiquement toutes les nuits sans vent, il se forme une inversion près du sol. Ce dernier rayonne dans l’infrarouge, et connaît un refroidissement plus ou moins important. Ce refroidissement se communique à la couche d’air juste au-dessus. Il est possible que l’air près du sol soit une dizaine de degrés plus froid que l’air situé quelques centaines de mètres plus haut.

Des inversions peuvent exister plus en altitude, en lien avec la proximité d’un anticyclone ou d’un front. Cette inversion est importante en prévision orageuse, car elle empêche la convection, agissant comme un couvercle. La chaleur et l’humidité se concentrent en-dessous, et l’inversion peut finir par se rompre suite à la présence d’une convergence des vents en basse couche ou d’un front. L’énergie bloquée depuis plusieurs heures dans les basses couches forme alors de puissants cumulonimbus et des orages parfois très violents.

En Belgique et dans le nord de la France, une situation particulière et souvent à la base d’épisodes orageux violents existe quand de l’air humide et un peu moins chaud glisse de la mer du Nord ou de la Manche vers l’intérieur des terres, sous une masse d’air plus chaud et sec en altitude. L’approche d’un front froid fait sauter l’inversion devant lui, et l’énergie accumulée dans les basses couches génère de violents orages. Certains des plus grands épisodes historiques semblent s’être produits dans ce genre de configuration.

Voir également notre article pour davantage d'explications.

Le schéma ci-dessous montre l’évolution de la température avec l’altitude, avec une inversion de température mais aussi une couche dans laquelle la température n’évolue pas avec la hauteur ; on parle dans ce cas d’isothermie (source : Le Chroniqueur météo).

Qu’est-ce que le Jet stream ?

Elément indispensable de la compréhension de notre météo, le Jet stream (ou courant Jet) peut être vu comme un tube de vent très rapide (parfois plus de 300 km/h) qui circule en haute troposphère, soit grosso modo autour de 10 kilomètres d’altitude. Pour résumer, on peut dire qu’il sépare les masses d’air froid des hautes latitudes polaires des masses d’air chaud des latitudes plus basses, plus proches des tropiques.

Ce Jet stream ondule, se brise, s’essouffle, accélère à la manière d’une rivière. Ces divers mouvements ont leur importance en prévision orageuse. Certaines sections des branches de Jet stream sont connues pour exercer des forçages sur la tranche d’atmosphère en-dessous d’elles, à savoir des appels d’air entraînant des ascendances. On distingue notamment deux zones, l’entrée droite et la sortie gauche d’une branche de Jet, connues pour exacerber ces montées de l’air. Lorsque l’on regarde dans la direction du Jet stream, l’entrée droite est la région située juste à droite d’un segment où la vitesse du Jet accélère, tandis que la sortie gauche est la région située juste à gauche d’un segment où la vitesse du Jet ralentit.

Lorsque ces régions se trouvent à l’aplomb d’une masse d’air instable, des orages violents peuvent survenir. Au plus ces régions sont actives et au moins l’instabilité a besoin d’être forte pour arriver à former des orages intenses.

Qu’est-ce qu’une goutte froide ?

En météorologie, une goutte froide désigne une dépression d’altitude coupée de la circulation générale d’ouest, et donc entourée de masses plus anticycloniques (bulle de bas géopotentiels entourée de géopotentiels plus élevés). Le comportement erratique de ces bulles d’air froid en altitude cause encore à l’heure actuelle pas mal de soucis aux modèles de prévision. Ces structures peuvent de plus stationner pendant plusieurs jours au-dessus d’une même région.

En matière d’orages, la goutte froide peut agir de différentes façons. La première est un schéma assez classique de nos épisodes orageux venant du sud-ouest, à la fin de quelques journées de temps chaud. La goutte froide et une dépression de surface à proximité interagissent, et transportent un front froid à l’avant duquel des orages se développent. L’instabilité est d’autant plus importance que l’air reste chaud en basse couche à l’avant du front froid tandis que l’air en altitude se refroidit à l’approche de la goutte froide en question.

Une autre situation est celle de la goutte froide qui stationne. L’air en basse couche est alors lui-même assez frais, parfois inférieur à 20°C, mais l’air en altitude est très froid, ce qui génère une certaine instabilité. Si la goutte froide est immobile pendant plusieurs jours au-dessus des mêmes régions, les averses et orages se succèdent, et les quantités de précipitations peuvent devenir énormes et mener à des inondations. De plus, les averses régulières entretiennent une certaine fraîcheur près du sol. De telles situations se sont notamment produites en août 1996 et août 2010, avec des quantités de pluie de plus de 80, voire 100 mm.

D'autres articles utiles

L'inversion de température et ses conséquences

Gépotentiels, creux, crêtes et Jet-stream: le jargon de l'altitude

La chaleur sans orage: les dégradations silencieuses