Orages et tornades

Orages et tornades
Les cellules orageuses
Les systèmes convectifs
Le temps violent
1
1414-2
Table des matières
La convection
Les cellules orageuses
Orages de masse d’air
Orages multicellulaires
Orages supercellulaires
Les systèmes convectifs
Les lignes de grain
Les vortex convectifs de
mésoéchelle
Le temps violent
Les décharges électriques
La foudre
La précipitation
La grêle
Les microrafales
Les fronts de rafales
Les tornades
Conditions environnementales nécessaires
pour la formation d’un orage (la recette…)
1414-3
NE : Niveau
d’équilibre ou
de flottabilité
nulle
Température et humidité
Température de
l'environnement
• L'existence d’une couche
d’instabilité conditionnelle.
• Air humide dans la couche limite
(environ le premier kilomètre
près de la surface).
• Soulèvement suffisant à relâcher
l’instabilité.
Niveau de
convection
libre
NCA : Niveau
de
condensation
par
soulèvement
Niveau de convection libre : niveau de pression à partir du quel la force de flottabilité
agissant sur la particule d’air en ascension (ligne verte) devient positive.
1414-4
Le cisaillement du vent
Elle crée un courant ascendant
oblique
Le cisaillement vertical du vent est
déterminant pour établir le type
d'orage qui se développera.
Le cisaillement du vent comprend :
•
La variation de la vitesse du
vent selon l'altitude
•
Elle peut créer une zone de
turbulence, caractérisée par des
tourbillons (à axe horizontal).
La rotation de la direction du vent
selon l'altitude
1414-5
Conditions environnementales pour la
formation d’un orage
Bonne rotation
du vent selon
l’altitude
Profil vertical du vent horizontal
Convection désorganisée
Convection organisée
km
9
6
3
1,5
0
Vents faibles et
désorganisés
Orages ordinaires et
multicellulaires
Bon cisaillement vertical du vent horizontal
Orages
multicellulaires et
lignes de grains
Orages
supercellulaires
Échelles caractéristiques des phénomènes
météorologiques
1414-6
Globale
5 000 km et plus
Ondes planétaires
Synoptique
2 000 - 5 000 km
Cyclones et
anticyclones aux
latitudes
moyennes, fronts
Méso α
200 - 2000 km
Systèmes
Systèmes
convectifs,
convectifs,
brises,
orages XL
orages XL
Méso β
20 - 200 km
Ouragans,
tempêtes
tropicales,
les moussons
6h-2j
2 j - 7 j et plus
Cellules
Cellules
orageuses,
orageuses,
gros cumulus
cumulus
gros
Méso γ
2 - 20 km
Micro α, β, γ et δ
jusqu'à 2 km
Petits ouragans,
faibles
anticyclones,
vent de Chinook
Petits
tourbillons
Tornades,
trombes
Tornades,
t. et m.,
trombes
t. et m.,
t. de poussière
sec - 3 min
3 - 30 min
30 min - 6 h
Les orages ordinaires ou de masse d'air
1414-7
: Pluie
: Neige
: Glace
Stade de cumulus
•
•
Stade mature
Les vents et le cisaillement du vent sont faibles.
Ce type d'orages est le plus fréquent. Il est associé
à des bonnes pluies et à des fortes rafales de vent
mais rarement à du temps violent.
Stade de dissipation
Vue en coupe verticale
Les échos
de radar
Vue en coupe horizontale
Vue en coupe horizontale
1414-8
1414-9
Pourquoi fait-il plus frais lors d’un orage?
•
La pluie entraîne l’air avec elle par frottement. L'air sec
ou sous-saturé entraîné dans le courant descendant est
refroidi puisque c'est lui qui fournit la chaleur absorbée
par la précipitation lors de la fusion ou l'évaporation de
cette dernière ! Cet air frais accompagne la précipitation
jusqu'au sol.
De plus :
•
Le refroidissement accélère le mouvement descendant
de l'air provoquant des rafales de vent.
•
Seulement 20 % de la vapeur d'eau condensée arrivent
au sol (précipitation). Les 80 % qui restent s'évaporent
dans le courant descendant, ou ils sont laissés comme
débris de nuage qui s'évapore par la suite.
1414-10
Orage multicellulaire
Vue en coupe
verticale
Vues en
coupe
horizontale
Vues en
coupe
horizontale
Les échos de radar
Supercellule
3 avril 2004. Cette supercellule a provoqué de la grêle de 5 cm de diamètre sur Chaparral (état du
Nouveau-Mexique), causant des dommages étendus. (Photo de Greg Lundeen)
1414-11
1414-12
Image satellitaire
Formation d’orages supercellulaires
1414-13
•
La vitesse du vent augmente avec
l'altitude et un vortex horizontal se
développe dans la couche limite.
•
Un courant ascendant convectif se
développe et se déplace à la vitesse
horizontale moyenne du tourbillon.
•
L'interaction entre les deux parties
ascendantes du vortex cause à la fois
l'augmentation du courant ascendant et
sa séparation en deux cellules.
•
Dans l'hémisphère Nord, le profil
vertical type du vent favorise le
développement de la cellule de droite.
Le Mésocyclone
1414-14
Les échos de radar
Vues en coupe horizontale
empilées
Vue en coupe verticale
Vue en coupe verticale
BWER : Bounded weak echo region,
Région bornée d'échos faibles
1414-15
Structure idéalisée d'une supercellule
Vue en plan
Front de rafale
M
M Centre du mesocyclone
Mouvement
de la
supercellule
1414-16
Mésocyclones, courants
descendants et
fronts de rafales
1414-17
Les orages multicellulaires
La direction de
l'enclume dépend
de la direction des
vents en altitude
relative au
mouvement de
l'orage.
Les vents sont
relatifs à l'orage
Mouvement
de l'orage
Temps violent
•
Les vents et le cisaillement du vent peuvent varier de faibles à forts.
•
Selon le cisaillement du vent, sans oublier l'énergie et l'humidité disponibles,
ce type d'orage peut donner des vents violents, des micro-rafales, de la grêle
de taille modérée (petits pois, raisins et noix), des pluies diluviennes (crues
subites) et des faibles tornades.
Structure typique d’un orage supercellulaire
avec un potentiel de tornade
Les supercellules peuvent produire
des pluies torrentielles (crues subites),
de la grosse grêle
(plus grosse que des balles de golf),
des vents destructeurs,
des microrafales et
des tornades faibles à violentes.
1414-18
1414-19
Schéma de microrafale
1414-20
Dangers associés aux microrafales
1414-21
Vue schématique en
coupe verticale d'un
front de rafale
Orage
initial
Fort courant
descendant
Orage
initial
Orage
initial
Fort courant
descendant
Orage
initial
Fort courant
descendant
1
Air froid
Les Courants de densité
densité sont
alimenté
alimenté en air froid par les
courants descendants issus des
orages
Fort courant
descendant
2
4
3
Orage
initial
Orage
initial
Fort courant
descendant
Fort
courant
descendant
Air froid
Air froid
Air ambiant
relativement
chaud
5
À maturité
maturité, il pré
présentent plusieurs caracté
caractéristiques
communes
Air ambiant
relativement
chaud
6
1414-22
La région la plus importante est le sillage
turbulent, où des instabilités du flux
apparaissent fréquemment par suite du fort
cisaillement horizontal du vent. Ceci favorise le
développement de tourbillons qui peuvent se
transformer en tornades si le tourbillon
horizontal est transformé en tourbillon vertical
lors du mouvement ascendant.
H = 500 à 2000 m
DT = entre 5 et 15°
15°C
Dp jusqu'à
jusqu'à 10 hPa
Rafales jusqu'à
jusqu'à 40 m/s
Orage
initial
Fort
courant
descendant
Sillage
turbulent
Ressaut
Rouleau de
nuage
Arcus
Air
froid Tête
Corps Air
froid
Courant de retour
Nez
Air ambiant
relativement
chaud
Front de rafales
•
À l'avant, le front de rafales marque la
transposition entre l'air ambiant et l'air froid.
•
•
Le nez marque l'extrême avancée de l'air froid
L'Arcus apparaît comme une corniche
surplombante reliée à la masse nuageuse
principale. Au loin, il peut présenter un
impressionnant mouvement de rotation qui
justifie l'appellation de rouleau.
Le Nez d'un front de rafales
et la tête son point culminant, avec le rouleau
(Arcus) de nuage dû au soulèvement forcé de l'air
ambiant.
•
Des instabilités se développent dans le sillage
turbulent.
•
Dans le corps, les ressauts sont des traces de
renforcement successif
•
Près du sol, la friction ralentit la progression de l'air
froid, ce qui provoque un courant de retour par
rapport au déplacement global du courant de
densité
7
1414-23
H = 500 à 2000 m
ΔT = entre 5 et 15°
15°C
Δp jusqu'à
jusqu'à 10 hPa
Rafales jusqu'à
jusqu'à 40 m/s
Orage
initial
Fort
courant
descendant
Sillage
turbulent
Ressaut
Rouleau de
nuage
Arcus
Air
froidTête
Corps Air
froid
Courant de retour
Front de rafales
Nez
Air ambiant
relativement
chaud
7
1414-24
Les lignes de grain
Ligne d’orages pré-frontale : en avant du front froid.
1414-25
Les lignes de grain
•
Les lignes de grain peuvent donner des vents violents, des microrafales, de la
grêle de taille modérée (petits pois, raisins et noix), des pluies diluviennes
(crues subites) et des faibles tornades.
N
Florida, U.S.A Squall Line; Target Name: Earth;
Spacecraft: Space Shuttle; Produced by: NASA;
Copyright: NASA Copyright Free Policy;
Cross Reference: STS41C-40-2130;
Date Released: April 1984
1414-26
1414-27
Les vortex convectifs de mésoéchelle
http://cimss.ssec.wisc.edu/goes/misc/970708.html
http://cimss.ssec.wisc.edu/goes/misc/interesting_images.html
Grande étendue d'orages, de forme
ronde ou ovale, de plus de 400 - 500
km de taille, ayant une durée de vie de
6 heures et plus. Ils se forment
normalement l'après-midi ou le soir, ils
atteignent leur pic d'intensité la nuit. À
ce moment-là, le danger immédiat est
l'inondation. Du temps violent sous la
forme de bourrasques de vent, de gros
grêlons et de tornades peut se produire
en tout temps.
1414-28
Le temps violent dû aux décharges électriques :
La foudre
1414-29
La foudre
•
La foudre est un phénomène météorologique spectaculaire. Elle est la forme de
temps violent qui nous affecte le plus souvent.
•
La foudre est une décharge électrique qui se produit généralement lors du
stade mature des orages. Elle réchauffe l'air à environ 20 000°C (3 fois plus
chaud que la photosphère du Soleil !).
•
L'extrême réchauffement provoque une expansion rapide de l'air et une onde
de choc acoustique gronde : le tonnerre.
Le son se propage à ~330 m/s et la lumière à 300 millions m/s
Il faut à peu près 3 secondes pour que le son se propage de 1 km
Si on voit la foudre et on entend le tonnerre 15 secondes plus tard, à quelle
distance se trouve la foudre ?
1414-30
La foudre
• Formes de foudre :
Interne : entre deux points dans le même nuage
Nuage-nuage : entre deux nuages adjacents
Nuage-air : entre le nuage et l'air clair
Nuage-sol : entre le nuage et le sol
1414-31
La structure électrique de l’atmosphère
http://fire.cfs.nrcan.gc.ca/lightninghttp://fire.cfs.nrcan.gc.ca/lightning-eclaireclair-fra.php
• Sans recharge, le potentiel terrestre
serait dissipé en moins d'une heure,
mais la foudre accumule de nouveau la
charge négative.
•
•
La Terre agit comme condensateur
sphérique
La résistivité électrique de
l'atmosphère diminue avec l'altitude
jusqu'à environ 50 kilomètres (km).
À cette altitude, qu'on appelle
l'électrosphère, l'atmosphère est
presque un conducteur idéal.
1414-32
La structure électrique d’un orage
•
Une région de charge positive en haut
d'une région de charge négative se
développe dans le cumulonimbus. (La
base du nuage porte aussi une faible
charge positive.)
•
Lorsque le champ électrique résultant
dépasse une valeur seuil, la décharge
électrique se produit.
•
En dessous de l'orage, une charge positive s'accumule au sol. Cette charge positive
suivra comme une ombre l'orage et est responsable des éclairs nuage-sol.
•
Le champ électrique dans le cumulonimbus est bien plus intense que celui entre le
nuage et le sol, ainsi qu'entre 75 et 80 % des éclairs surviennent dans le nuage luimême.
1414-33
La décharge électrique
•
En moyenne, il faut entre 3 et 4 traits de retour pour échanger toute la
charge électrique accumulée, et on compte en moyenne de 40 à 80
millisecondes entre chaque trait.
La génération de charge électrique dans les
cumulonimbus
•
•
•
•
•
•
Les courants ascendants dans un orage transportent des gouttelettes d'eau
de la base du nuage jusqu'à bien au-dessus du niveau de congélation.
Les courants descendants transportent des grêlons et des particules de glace
des zones en altitude de l'orage vers le sol.
Des gouttelettes d'eau gèlent lors de la collision avec les grêlons et les
particules de glace.
La chaleur latente dégagée garde la surface des grêlons et des particules de
glace plus chaude que l'environnement.
Des électrons sont alors cédés par les
(+)
hydrométéores en mouvement ascendant
(plus froids) aux hydrométéores en mouvement
E
(-)
descendant (plus chauds).
Les mécanismes de séparation de la charge sont
encore sujets de recherche.
1414-34
1414-35
La règle 30-30
•
Cherchez un abri approprié si vous
pouvez compter 30 secondes ou moins
entre l'éclair et le tonnerre.
•
Restez à l'abri pendant 30 minutes après
le dernier grondement de tonnerre.
1414-36
La grêle
Nancy Knight tient dans sa main un des plus gros grêlons
répertoriés : diamètre 14,4 cm; poids 0.75 kg; lieu
Coffeyville, KS. (Librairie photographique de NOAA.) Le
plus gros grêlon répertorié aux US a un diamètre d'environ
18 cm.
Coupe transversale d’
d’un grêlon
1414-37
Climatologie de la grêle
>0
>0
Principales tempêtes de grêle au Canada
>0
3
3
5
>0
1 1
http://atlas.nrcan.gc.ca/sites/francais/maps/envir
onment/naturalhazards/naturalhazards1999/maj
orhailstorms/hailstorms_stats_new.html
…
1
3
3
3
3
1
1
1
1
1
>0
Calgary-1998 : Deux tempêtes de grêle se
produisent les 4 et 5 juillet et le 8 juillet. Le 4
juillet, il tombe également 43,2 millimètres de
pluie à Calgary. La tempête du 8 juillet est
accompagnée de vents atteignant 100
kilomètres à l'heure qui arrachent des toits de
serres. Des grêlons dont la taille va de celle d'un
pois à celle d'une balle de base-ball provoquent
une inondation; l’eau monte à la taille, forçant de
nombreuses personnes à abandonner leur
voiture à des croisements. On sort les chasseneige pour dégager les routes dont certaines
sont détruites par la grêle. Un entrepôt
s'effondre et un magasin doit fermer à cause de
l'éclatement d'une conduite d'égout. Des
glissements de terrain provoquent des coulées
de boue et de roches qui bloquent des routes et
des voies ferrées.
Source : Protection civile Canada.
Dommages causés par
la grêle
vitesse terminale (m/s)
60
50
40
30
20
10
T = 0 °C
p = 1013 hPa
0
0
5
Diamètre (cm)
10
15
1414-38
Les tornades
•
Colonne d’air en rotation rapide de quelques dizaines à plusieurs
centaines de mètres de diamètre.
•
Fréquemment associées aux orages supercellulaires (mésocyclones).
•
Vents pouvant atteindre les 500 km/h!
•
Vitesse de déplacement entre 30 et 50 km/h.
La plus vieille photographie d'une tornade.
Image ID : wea00206, collection historique du NWS
Prise à 22 mile à sudsud-ouest de Howard, Dakota du Sud, le
28 aoû
août 1884.
1414-39
1414-40
Circulation du vent dans une supercellule
1414-41
… du mésocyclone à tornade
•
Si le rayon de la colonne d'air diminue alors par conservation du moment
cinétique* la vitesse de rotation augmente.
i. Si la vitesse de rotation augmente, la pression à l’intérieur de la
colonne d’air diminue (effet "centrifugeuse").
ii. Si le rayon diminue, la colonne d’air s’allonge.
*
Le moment cinétique est une grandeur proportionnelle à
la vitesse angulaire de l'objet et qui dépend de sa
distribution de masse autour de l'axe de rotation.
L = mr 2ω = mrV
1414-42
Tornades supercellulaires
Entonnoir de
condensation
Débris
soulevés
Seulement
les débris
sont visibles
•
Seulement 20 % de tous les orages
supercellulaires (mésocyclones)
produisent des tornades.
(Charles Graves - Saint Louis University)
1414-43
Understanding the Weather
EAS-107
Tornadoes (Life Cycle)
1. Étape de tourbillon
de poussière
2. Étape d’organisation
3. Étape mature
4. Étape de contraction
5. Étape de dissipation
2
1
3
4
5
Conditions
environnementales
propices à la formation
d’une supercellule
tornadique
1414-44
1414-45
Stepped Art
Fig. 14-46, p. 402
1414-46
1414-47
Échelle Fujita
1414-48
Tornades et zones agricoles
Au Québec : http://www.criacc.qc.ca/climat/suivi/tornade_f.html
1414-49
1414-50
2
et par ~10 000 km
10 000 km2
Cette région est
connue sous le non de
Tornado Alley
<4
4 - 22
23 - 42
43 - 62
> 62
1414-51
Tornado Alley
1414-52
Trombes terrestres et marines
•
Des orages non-supercellulaires peuvent aussi produire de
tornades. On parle à ce moment-là de
Trombes terrestres
Trombes marines (Montréal 23-07-2008)
Trombe d’eau à
Montréal
23-07-2008
1414-53
1414-54
Conditions de formation des trombes
•
Elles se forment à partir d'un tourbillon existant dans la couche sous un
orage, sans qu'un mésocyclone ne soit présent en altitude. Elles sont
généralement "faibles".
TROMBE
1414-55
?
??
Bonne été et merci beaucoup!