Orages dans l`Ouest de la France pendant la journée

Orages dans l’Ouest de la France pendant la
journée du 26 Mars 2010
Rapport final pour le module Météorologie
2eme année de Mécanique des Fluides, ENSEEIHT
par
Lena SCHNEIDER, Quentin RUPPERT et Gabriel MENGIN
7 Avril 2010
Table des matières
1 Introduction
1.1 Phénomènes intéressants sur la France . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Définition d’un orage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2 Modèle conceptuel des systèmes orageux
2.1 Les phénomènes convectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 La cellule ordinaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 L’orage multicellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3 Analyse et prévisions à partir de données du modèle GFS (+6h)
3.1 Le modèle GFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Les émagrammes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Vent moyen et pression au niveau de la mer . . . . . . . . .
3.4 Coupes verticales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Humidité et vitesse verticale . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Températures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4 Observations
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4.1 La nébulosité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.2 Les précipitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.3 Les impacts de foudre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5 Conclusion
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1 Introduction
1.1 Phénomènes intéressants sur la France
Suite au cours de Météorologie d’Olivier Thual, il nous a été demandé d’étudier un phénomène
mettant en application les principes physiques abordés en cours.
Afin de remplir cet objectif, nous avons utilisé le site Internet Météociel [1]. Les cartes ainsi que les
prévisions disponibles nous ont permis de répérer des phénomènes météorologiques intéressants au cours
de la journée du 26 Mars 2010 : des orages sur l’Ouest de la France. En effet, d’après la figure 1, nous
pouvons observer une forte couverture nuageuse et une humidité très importante sur cette zone (tâche
blanche correspondant à plus de 90% d’humidité, fig. 1).
F IGURE 1 – 26/03/10 13h00 : image satellite de l’Europe (à gauche) et prévision de l’humidité relative
sur la France (à droite).
1.2 Définition d’un orage
"Parmi les plus violents phénomènes dans l’atmosphère des moyennes latitudes, on trouve les les
organisations convectives : phénomènes météorologiques composés essentiellement de nuages de type
convectif, des cumulonimbus. Lorsqu’ils sont accompagnés de manifestations électriques, les éclairs, on
parle d’orage" [2].
F IGURE 2 – Ciel d’orage avec éclair.
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2 Modèle conceptuel des systèmes orageux
2.1 Les phénomènes convectifs
On appelle phénomènes convectifs les perturbations atmosphériques à l’origine d’une instabilité dans
l’air, et du point de vue de la flottabilité. Les différents types d’orages sont généré par ces perturbations.
Il y a deux valeurs principales qui caractérisent l’instabilité convective de l’atmosphère : la CAPE et
la DCAPE. La CAPE (de l’anglais pour "Convective Available Potential Energy") mesure l’énergie potentielle convective disponible. Cette énergie est liée à la flottabilité d’une particule ou bien à la vitesse
verticale maximale atteignable par une particule. La DCAPE (de l’anglais pour "Downdraft Convective Available Potential Energy") estime l’intensité des courants subsidents. En général, on retrouve les
conditions suivantes pour les orages : chaud et humide près du sol, sec et froid en altitude.
2.2 La cellule ordinaire
L’orage unicellulaire est le système orageux le plus simple ; il permet ainsi de bien comprendre
les phénomènes convectifs. Les conditions préalables à la formation d’une telle cellule sont les mêmes
que pour tous les phénomènes convectifs. La CAPE est faible mais non nulle. Le cycle de vie d’une
cellule ordinaire dure seulement entre 30 et 50 minutes. Généralement, celles-ci causent plutôt des orages
relativement faible. Le cycle de vie d’une cellule ordinaire peut être divisé en trois étapes (fig. 3) :
1. Le développement
L’air chaud chargé d’humidité commence à monter. L’eau se condense dans les basses couches et
forme un petit nuage de type cumulus. Le changement de phase de la vapeur d’eau relâche de la
chaleur latente ; ceci permet au nuage de rester plus chaud que l’air ambiant et de continuer ainsi
à monter rapidement. Cette phase de formation est caractérisé par de forts courants ascendants
qui peuvent laisser le nuage se développer jusqu’à la limite de la Tropopause. Là, l’inversion de
la température empêche le développement vers les couches plus hautes et le nuage se propage
horizontalement, formant ainsi une enclume à la hauteur de la Tropopause. Parfois, cette limite
naturelle peut être dépassée grâce à l’effet du vent vertical. Dans ce cas, le nuage forme un dôme
qui s’appelle "overshooting top". Le nuage orageux cumulonimbus est né.
2. La maturité
Dès que l’accumulation (ou le poids) de l’eau, à l’état solide ou liquide, devient trop importante
pour les courants ascendants qui ne peuvent plus la supporter, les précipitations commencent.
La pluie provoque alors des courants descendants. Pendant cette phase de l’orage, on observe
une baisse de la température et de fortes rafales de vent. Ceci est lié aux courants descendants
qui apportent de l’air froid depuis les hautes couches. Les précipitations peuvent se manifester
également par de la pluie, du grésil ou de la grêle. Généralement, la foudre se manifeste pendant
la phase de maturité.
3. La dissipation
Les courants descendants compensent les courants ascendants. Sans alimentation, le nuage perd
alors sa source d’humidité et les précipitations s’arrêtent : le nuage se dissipe rapidement.
F IGURE 3 – Cycle de vie d’une cellule ordinaire. D’après [2].
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2.3 L’orage multicellulaire
On appelle multicellulaire un orage qui se compose de plusieurs cellules ordinaires, à différents
stades de développement (fig. 4). Pour comprendre ce type d’orage, il faut introduire la notion de cisaillement vertical. Le cisaillement vertical est le gradient vertical de vent horizontal. Il permet de décrire les
changements de puissance et d’orientation du vent selon un axe vertical.
Les orages multicellulaires ont leur origine dans l’interaction entre la convection et le cisaillement vertical. En présence d’un tel cisaillement, les courants ascendants sont décalés spatialement par rapport aux
courants descendants. Puisque les courants ne s’annulent pas, l’orage reste chargé en humidité et a donc
un cycle de vie prolongé.
F IGURE 4 – Schéma d’un orage multicellulaire "en ligne". D’après [2].
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3 Analyse et prévisions à partir de données du modèle GFS (+6h)
3.1 Le modèle GFS
Le modèle américain GFS (Global Forecast System) produit des données brutes pouvant ensuite être
exploitées à partir de cartes fournies par [1] par exemple.
Les réactualisations commencent vers 5h40, 11h40, 17h40 et 23h40 et une réactualisation complète dure
environ 1h30. Dans notre cas, nous utiliserons les prévisions du 26/03/10 pour 13h00 (à h+6).
Il existe également d’autres modèles : ECMWF ou CEP (européen), UKMO (anglais), WMC Moscou
(russe), JMA (japonais). Le modèle européen est cependant reconnu pour être plus précis à l’échelle
européenne mais, de fonctionnalité moins pratique que le modèle GFS sur [1], nous avons décidé de
n’utiliser que ce dernier. Une comparaison des deux modèles aurait cependant été intéréssante.
3.2 Les émagrammes
Pour représenter graphiquement l’état thermodynamique d’une particule d’air, les météorologues
utilisent deux paramètres : la pression et la température. En France, le diagramme thermodynamique
le plus utilisé s’appelle l’émagramme (fig. 5). L’axe des ordonnées représente la pression et l’axe des
abscisses la température. Comme la pression diminue avec l’altitude, les fortes pressions se trouvent
dirigées vers le bas.
F IGURE 5 – Emagramme du 26/03/10 pour 13h00 à Niort (à gauche) et à Toulouse (à droite).
Grâce à des radiosondages de l’atmosphère réalisés par ballon-sonde ou par satellite, il est possible
de représenter sur un émagramme la température du point de rosée (courbe bleu ciel) et la température
(courbe rouge) d’une particule d’air. Si ces deux courbes se superposent, cela signifie que l’air est chargé
d’humidité : il y a donc présence de nuages. L’émagramme ci-dessus est une prévision à +6 heures,
réalisé aux alentours de Niort en région Poitou-Charentes (fig. 5, à gauche). On peut supposer qu’il y
aura des nuages à partir de 1000 mètres d’altitude jusqu’à presque 8000 mètres car les deux courbes sont
superposées ou très proches, et l’humidité de l’air va de 83% à 97%.
Au contraire, sur l’émagramme de droite (fig. 5) réalisé à Toulouse, les courbes de rosée et de température
ne se superposent pas : il faisait beau ce jour-là comme le montre la figure 1.
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3.3 Vent moyen et pression au niveau de la mer
Pour notre étude des orages du 26 Mars 2010 dans l’Ouest de la France, nous avons d’abord recherché une carte de prévision du vent moyen (fig. 6, à droite).
Nous remarquons que dans cette région le vent va majoritairement du Sud-ouest vers le Nord-est.
Pour comprendre cela nous pouvons étudier la carte du champ de pression au niveau de la mer (fig. 6, à
gauche). Nous remarquons immédiatement que les flèches indiquant la direction du vent sont orientées
parallèlement aux isobares. Cela s’explique par le phénomène suivant : l’air se déplace des zones de
fortes pressions vers les zones basses pressions donc perpendiculairement aux isobares, mais à cause
de la rotation de la Terre la force de Coriolis dévie le vent vers l’Est, ce qui force le vent à suivre les
isobares. Sur la carte de pression, la zone de haute pression est en bas et la zone de basse pression est en
haut à gauche. Le vent devrait donc se diriger du Sud-est vers le Nord-Ouest mais la force de Coriolis
entraine le vent du Sud-ouest vers le Nord-est. C’est le vent géostrophique.
F IGURE 6 – Prévision de la pression au niveau de la mer (à droite) et du vent moyen (à gauche) sur la
coupe verticale choisie, 26/03/10 13h00.
En pratique, plus les lignes isobares sont resserrées et plus le vent géostrophique est fort. En comparant les cartes de prévisions du vent moyen et de pression (fig. 6), il est possible de faire quelques
rapprochements : les lignes isobares étant plus rapprochées sur le golfe de Gascogne, le vent sera plus
fort sur cette zone que sur le continent ; ces mêmes lignes nous indiquent que la région Poitou devrait être
traversée par des vents d’environ 35 km/h de direction nord-est. L’orage prévu devrait donc se déplacer
dans cette direction.
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3.4 Coupes verticales
A partir du site Internet Météociel [1], il est possible de réaliser des coupes atmosphériques verticales
à l’heure souhaitée, grâce au modèle de prévision météo GFS.
Afin d’obtenir de belles structures convectives, nous avons choisi de réaliser une coupe verticale de
l’atmosphère parallèle à la direction du vent, représentée par la barre noire sur la mini carte de la figure
7.
F IGURE 7 – Lieu choisi pour la coupe verticale.
Une telle coupe atmosphérique nous permet d’accéder à différentes données comme le profil vertical
de température, de température absolue, de tourbillon absolu, d’humidité, de vitesse verticale de l’air.
Sur chaque carte qui vont être présentées, le vent horizontal souffle de la gauche vers la droite.
L’humidité et la vitesse verticale sont particulièrement intéressantes à analyser car elles permettent de
bien illustrer le schéma vu précédemment d’un orage multicellulaire.
3.4.1 Humidité et vitesse verticale
En observant la première coupe (fig. 8), nous pouvons remarquer une forte concentration d’humidité
sur toute la largeur de la coupe en haute altitude, ce qui correspond à la limite supérieur du nuage
(corrélation avec l’émagramme de la figure 5. La deuxième coupe (fig. 9) nous indique aussi que les
vitesses verticales sont faibles à cet endroit. L’air humide ralenti et s’étale horizontalement pour former
un cumulonimbus en forme d’enclume, car il atteint un minimum de température (fig. 10) : c’est la
Tropopause. Cela recoupe l’information donnée par l’émagramme : au dessus de 350 hPa, il n’y a plus
de nuage.
F IGURE 8 – Prévision de l’humidité sur la coupe vericale choisie, 26/03/10 13h00. Du fait de l’unité
météorologique en hPa/h, le vent ascendant est exprimé avec une valeur négative.
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F IGURE 9 – Prévision des vitesses verticales sur la coupe verticale choisie, 26/03/10 13h00.
La zone humide de basse altitude à droite correspond sur le schéma aux cellules n et n+1 (fig. 4) :
l’air est chaud, chargé d’humidité et s’apprête à s’élever. La zone de fortes vitesses verticales, au milieu
en jaune, est la cellule pleinement développée n-1. L’air chaud s’élève et se refroidit en altitude. Il est
obligé de relâcher l’humidité emmagasinée. Quand les particules d’eau atteignent une taille suffisante, il
y a précipitations. La zone de vitesse négative, à gauche en bleu ciel, correspond à la cellule n-2 : l’air
froid redescend.
3.4.2 Températures
Sur la carte de la figure 10, on observe que la tempéraure diminue linéairement jusqu’à environ 300
hPa pour ensuite, à l’inverse, augmenter. Ceci correspond au passage de la Troposphère à la Stratosphère :
c’est la Tropopause.
Le changement de signe du gradient de température à la Tropopause provoque un arrêt brutal des courants
ascendants qui a pour effet de stopper la dynamique verticale du cumulonimbus. Il y a ainsi formation de
l’enclume à 350 hPa, caractéristique des nuages d’orage.
F IGURE 10 – Prévision de la température sur la coupe verticale choisie, 26/03/10 13h00.
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4 Observations
Même si les modèles de simulations météorologiques sont de plus en plus efficaces et précis, il est
indispensable d’effectuer aussi des observations par radars et par satellites pour connaître réellement la
nébulosité ou l’intensité des précipitations par exemple. Cela permet de corriger les erreurs de prévisions
de ces simulations numériques.
4.1 La nébulosité
Comme prévu par l’émagramme de la figure 5, l’épaisseur nuageuse observée est très importante sur
la région Poitou (fig. 11). En effet, l’image infra-rouge en fausse couleur indique une forte nébulosité
dans cette zone : couleur rouge.
F IGURE 11 – Image infra-rouge du 26/03/10 13h00 en fausses couleurs : le rouge correspondant à une
épaisse couche nuageuse , le gris à un ciel dégagé.
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4.2 Les précipitations
Sur la carte de la figure 12, nous pouvons observer une pluviométrie importante dans la zone entourant Niort (en bas à droite) : cela est caractéristique des nuages d’orage. Cependant, du fait du sondage
pluviométrique par radar, il y a une certaine incertitude sur la localisation exacte des pluies au sol.
F IGURE 12 – Image radar du 26/03/10 13h45 : intensité des précipitations.
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4.3 Les impacts de foudre
Les manifestations électriques ayant lieu à l’intérieur des nuages sont encore assez mal compris. On
peut cependant définir précisément un éclair : c’est un arc électrique qui se forme entre deux régions
chargées d’un cumulonimbus.
Actuellement, seuls la détection des éclairs nuage-sol est possible et elle est fondée sur la mesure électromagnétique de leur rayonnement. Il est ainsi possible d’obtenir des cartes de localisation des impacts de
foudre, renouvelées toutes les cinq minutes (fig. 13), avec une précision meilleure que deux kilomètres.
F IGURE 13 – Impact de foudre sur la France avec suivi temporel, 26/03/10 14h30.
En observant les lieux d’impacts de foudre pour le vendredi 26 mars 2010 (fig. 13) jusqu’à 14h30,
on se rend compte que l’orage que nous avons décidé d’étudier se déplace : les croix bleues expriment
les impacts de foudre enregistrées il y a plus de cent vingt minutes au large de La Rochelle, impacts que
l’on voit se déplacer jusqu’au nord de Tours dans les heures suivantes. En comparant cette direction de
déplacement de l’orage avec notre analyse du vent moyen (fig. 6), notre prévision se révèle être correcte.
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5 Conclusion
Au cours de ce projet, nous avons dégagé principalement trois points : la compréhension et la formation des phénomènes orageux, l’utilisation pratique du site internet météociel [1], et la capacité à fournir
une analyse des cartes de prévision. En effet, le but de ce projet nous semblait être une application pratique du cours de Météorologie. A travers le choix d’un phénomène météorolique intéressant - un orage
- et nos connaissances sur le sujet [2], nous avons pu faire une analyse à partir des cartes de prévision
fournies par [1]. Analyse qui s’est révélée être en quasi-parfaite adéquation avec les observations.
Nos connaissances en Météorologie étant limitées, l’analyse de phénomènes plus complexes aurait
été difficile. Cependant, en considérant un phénomène météorologique simple, la comparaison de différents modèles de prévisions donnerait des résultats intéressants à exploiter.
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Références
[1] Météociel - météo, observations, prévisions, modèles en temps reel. http ://www.meteociel.fr/.
[2] Sylvie Malardel. Fondamentaux de Météorologie. Cépaduès-Editions, 2ème édition, 2009.
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