Orages Supercellulaires : Terminologie

ORAGES SUPERCELLULAIRES

schéma supercellules

Terminologie Conceptuelle

Terminologie Conceptuelle

1. Inflow - Zone d'Afflux - Courant Entrant

Définition

schéma inflowCette zone située à l’avant de la supercellule correspond à la porte d’entrée de l’air chaud et humide de l’orage. L’inflow de base, n’est pas propre aux supercellules. Tous les orages ont besoin d’être alimenté en air chaud/humide pour naître et perdurer, en particulier au début de leur existence. L’inflow d’une supercellule n’échappe pas à la règle, mais possède quelques particularités supplémentaires.

Si la supercellule est un moteur-droit (ou moteur-gauche), la zone d’afflux de l’air chaud sera vers la droite (ou gauche), mais toujours dans le quadrant sud (selon aussi l’orientation du vent moyen). Une accélération soudaine de l’inflow à l’approche de l’orage, est le signe d’un orage violent. Cette accélération témoigne d’un courant ascendant suffisamment fort pour commencer à influencer, par son aspiration, l’air environnant.

Ascendance et Convergence

Avant même que la supercellule ne naisse, l’inflow existe. Lorsque les premiers cumulus se forment pour créer un orage, l’air ambiant autour de l’orage est à la fois chaud, humide et instable. Des poches de convection se forment et l’air commence alors à monter. Cet appel d’air créé un vide, par conséquent, au sol, l’air se met à converger vers ces colonnes ascendantes. Un courant entrant (inflow) se met ainsi en place. Lorsque l’orage commence à s’organiser, grâce au cisaillement, une colonne ascendante principale est favorisée. Puis l’air au sol converge vers cette zone privilégiée de l’orage.

Hélicité Relative

Lhélicité relative (SREH) détermine le degré defficacité dont bénéficie la formation dune supercellule. Ainsi, pour qu’une supercellule se forme à partir d’un orage, l’inflow doit d’abord posséder de la vorticité en basse couche (sur un axe horizontal), qui est créée par le cisaillement. Cette vorticité doit ensuite se déterminer en fonction de lorientation de l’inflow par rapport auplacement de lorage. L’ensemble de ces composantes (vorticité, orientation et déplacement de l’orage) permettent alors de déterminer l’hélicité relative.

Le basculement de l’axe de vorticité vers la verticale dans la colonne ascendante principale, créé ensuite un mésocyclone lorsque cette hélicité relative, présente dans l’environnement de l’inflow, est optimale (streamwise vorticity > crosswise vorticity > no vorticity). Une zone de dépression se met en place à mi-hauteur, accentuant encore un peu plus la convergence des vents et la vitesse de l’inflow. Ces processus complexes sont expliqués plus entail dans le chapitre 2 : Fonctionnement dune Supercellule.

Vent Relatif

L’épaisseur de l’inflow en surface mesure généralement 3 km, mais cela va dépendre principalement de la couche utile du flux entrant. Cette épaisseur va déterminer également la nature du cisaillement et la courbure sur l’hodographe, permettant d’évaluer la nature de l’hélicité relative associée. De même, la vitesse et l’orientation de l’inflow se mesure de manière relative, en rapport à la vitesse et l’orientation du vent moyen de l’orage (alias, le « storm motion » réel). Pour cela, on prend en compte la déviation éventuelle par rapport au vent moyen environnemental (voir chapitre 2). Une supercellule faisant du surplace peut donc avoir au contraire un inflow très rapide et le vent convergeant vers l’orage peut être très violent, alors que l’orage ne bouge pas. De même, tandis qu’une supercellule se déplace rapidement, elle peut avoir, au contraire, un inflow qui parait plutôt lent et presque une absence de vent ressenti au sol dans sa zone d’afflux. La vitesse de l’inflow se mesure ainsi de manière relative par rapport au déplacement de l’orage. Similairement, la déviation d’une supercellule se mesure par rapport au vent moyen environnemental.

Zone d’Echo Faible - WER

Le vent de l’inflow qui converge vers une supercellule peut se ressentir d’assez loin. C’est particulièrement vrai quand celle-ci se met en place à partir d’une ligne de convergence, puisque par définition un inflow est déjà présent avant que la supercellule n’existe. À mesure que l’on se rapproche de la supercellule, la zone de l’inflow est souvent la partie la plus intéressante et recherchée des chasseurs d’orages. C’est en effet là que le vent chaud et humide converge dans le mésocyclone par la ligne d’alimentation, en formant un nuage-mur et parfois une tornade. Au radar, une zone faiblementflective (WER) peut être ainsi repérée et cela peut former lintérieur sans précipitations (ou presque) dun écho en crochet (inflownotch).

Bandes d’Afflux et Arcus RFD

La convergence horizontale des vents peut créer des formes lisses aux nuages stables, qui entourent la zone instable aux formes dentelées de l’orage. Des bandes d’afflux laminaires peuvent même se former, en particulier le long du pseudo-front chaud, en contact avec le FFD. À l’arrière, quand le RFD est particulièrement vigoureux, il peut forcer l’air chaud de l’inflow à remonter le long du pseudo-front froid, formant un arcus RFD, souvent turbulent. L’air chaud qui monte violemment le long du RFD vient ainsi fréquemment nourrir avec un surplus d’air chaud et humide la ligne d’alimentation.

2. FFD / Courant Descendant de Flanc Avant (Forward Flank Downdraft)

Définition

FFD supercelluleLe FFD est un courant de sortie (outflow) descendant et froid, situé sur le flanc avant de la supercellule. Pour un moteur droit avec un vent moyen sud-nord, il sera situé au nord-est de la supercellule (nord-ouest pour un moteur gauche). Le FFD correspond ainsi à la zone de précipitation principale de la supercellule. Ce sont souvent des précipitations massives et continues, car elles proviennent de plus haut dans l’orage et sont emportés de manière plus lointaine par les courants d’altitude qui ont lieu dans l’enclume.

Toutes les supercellules possèdent un FFD et on peut même dire que tous les orages possèdent un courant descendant un peu similaire au FFD. En effet, ce courant descendant est symptomatique du développement convectif à plus grande échelle que l’orage lui-même (hydrostatique) et on retrouve donc toujours ce type de courant (presque semblable au FFD), quand un orage se développe et arrive à maturité. Mais alors qu’un tel courant descendant peut se trouver sur le flanc arrière d’un orage ordinaire, celui d’une supercellule, toujours situé à l’avant, possède quelques particularités que nous allons détailler ci-dessous.

Pseudo-Front Chaud

Le FFD n’est pas un courant que l’on ne retrouve que dans les supercellules. C’est un mécanisme commun à beaucoup d’orages possédant du cisaillement. Mais dans la plupart des supercellules, le FFD est délimité sur son bord d’attaque (au SE pour un moteur droit) par un pseudo-front chaud ou un pseudo-front stationnaire. Linteraction entre lair froid contenu dans le noyau de précipitation du FFD et lair plus chaud et humide situé à lextérieur de la cellule produit parfois une frontière visible,limitée par un mince arcus. Cette limite suit le déplacement de l’orage, en direction de l’inflow.

Un pseudo-front chaud se forme donc entre le FFD et l’air ambiant dans le sens de déplacement (dévié) de la supercellule. Mais généralement, la supercellule est plus efficace quand elle se déplace le long de ce pseudo-front, rendant stationnaire cette délimitation (ni front chaud, ni front froid). Cela permet à l’air chaud à l’avant de glisser parallèlement en direction de la colonne ascendante principale. Ceci peut alors être matérialisé par une bande d’afflux. Et de l’autre côté, cela permet à l’air froid situé dans le FFD de glisser parallèlement en direction du RFD, qui se voit ainsi renforcé. Un tel front stationnaire n’est souvent matérialisé par rien de visuellement probant, si ce n’est une masse de précipitation uniforme grise dont l’orientation revient en arrière à bas niveaux (vers la gauche pour un moteur droit).

Si un arcus se forme le long du FFD, cela indique que loutflow (courant sortant) a probablement plus d’influence que l’inflow (courant entrant), ce qui signifie que la supercellule pourrait se désorganiser. Le pseudo-front le long du FFD devient alors froid puisque celui-ci prend le dessus.

Vents d'Altitudes

Les vents d’altitudes, plus forts, emportent souvent les pluies du FFD de manières stratiformes vers le NE de la supercellule (moteur droit). Ce faisant, elles ont tendance à refroidir de manière continue et progressive les températures au sol, rendant cette zone peu active et peu propice à soulever l’air chaud à l’avant. Pour un chasseur d’orage voulant aborder une supercellule, il s’agit donc généralement de la zone la moins intéressante. Il sera en conséquence préférable de changer de position.

Le vent relatif en altitude, en particulier entre 9 et 11 km, structure profondément le FFD. Plus il est important, plus il transporte loin les hydrométéores et plus les précipitations tombent éloignées du courant descendant principal, tout en les dispersant sur une plus grande surface. Un vent relatif daltitude puissant est habituellement associé à un FFD faible mais plus étendu, et est favorable auveloppement de supercellules LP. Au contraire, si le vent relatif en altitude est faible, les hydrométéores contenus dans le FFD vont rester proche de la zone ascendante, restées concentrés et sera plus propice au développement de supercellules HP.

Noyau Principal des Précipitations

Entre la base des courants ascendants et le FFD, une caractéristique « voûtée » ou « cathédrale » peut être observée sur les supercellules classiques (voir la définition de BWER). Dans les supercellules HP, cette zone est plutôt le siège de fortes précipitations se produisant sous la zone de courant ascendant principal. Cette zone du FFD, proche de la tour pénétrante, est donc souvent le siège des précipitations les plus intenses, avec parfois un noyau grêligène destructeur. Lorsqu’un chasseur d’orage souhaite traverser une zone dangereuse de l’orage dans le but de mieux se replacer (« core punching »), il est préférable malgré tout d’éviter cette zone du FFD.

Le FFD d’une supercellule est le siège d’une divergence horizontale des vents au sol. De plus, le FFD constitue la zone descendante du « dipôle de vorticité » à axe vertical de la supercellule (voir le chapitre 2, Fonctionnement d’une Supercellule). Le FFD étant soumis également au cisaillement des vents durant sa chute, cette zone possède ainsi potentiellement une rotation inverse au mésocyclone dont elle constitue le doublon opposé (avec du « streamwise vorticity » en particulier). Cela peut être directement visible (très rarement tout de même) en regardant les précipitations du FFD au radar à la fois divergentes et à rotations anticycloniques (horaire). Cela contribue à expliquer pourquoi une partie des précipitations du FFD, le long du pseudo-front chaud (ou stationnaire), reviennent en arrière en direction du RFD, derrière la colonne ascendante, formant ainsi un écho en crochet.

3. RFD / Courant Descendant de Flanc Arrière (Rear Flank Downdraft)

Définition

RFD schemaLe RFD est un second courant de sortie (outflow) qui, contrairement au FFD, ne se retrouve que sur les supercellules. Il s’agit d’un air descendant, situé sur la bordure arrière de la supercellule (au SO pour un moteur droit). Il donne généralement un air plus sec et moins froid que le FFD. On le repère souvent par une fente claire à l’arrière de la ligne d’alimentation de la supercellule. Le RFD peut produire aussi bien aucune précipitation (supercellule LP), que des précipitations intenses et violentes accompagnées de grêle (supercellules HP). Le RFD se matérialise parfois (mais pas toujours), via les échos radars, par une signature caractéristique en forme de crochet (hook echo), en particulier sur les supercellules classiques et HP.

Origine du RFD

L’origine du RFD est différente de son cousin le FFD et beaucoup plus complexe. En interagissant entre eux, plusieurs processus se combinent pour stimuler le RFD sous forme de pulsions soudaines :

a. Refroidissement par Évaporation

Le courant descendant du RFD peut être créé par une anomalie froide qui surgit à moyenne altitude et provoque localement une flottabilité négative (la flottabilité négative étant l’inverse de l’instabilité convective ascendante = flottabilité positive). L’air devenant plus froid que son environnement à moyenne altitude, il va se mettre spontanément à descendre.

À moyenne altitude, un air plus sec, provenant de l’extérieur, rentre en interaction avec la structure de la supercellule par l’arrière. Lair sec à lextérieur provoque un refroidissement par évaporation, créant ainsi une anomalie froide sur le bord de la supercellule. L’injection d’air frais et sec autour de la colonne ascendante (plus chaude) créée ainsi l’évaporation des hydrométéores présents dans cette colonne ascendante. Ce processus peut aller jusqu’à faire fondre la grêle proche de la bordure de l’orage. La quantité de chaleur (latente) nécessaire pour évaporer l’air étant absorbée par celle-ci, cela a pour effet de refroidir la zone et provoque subitement une poussée vers le bas.

Le vide créé par lafflux dair chaud partant en altitude peut entraîner également l’arrivée d’air plus frais tout autour. En effet, une légère dépression se forme à moyenne altitude et attire aussi cet air plus frais et sec situé à proximité.

b. Gradient de Pression Linéaire

L’interaction du cisaillement avec le courant ascendant de l’orage créé un gradient de pression linéaire. Le côté arrière-gauche de la supercellule (pour un moteur-droit), correspond au flanc « en amont » du cisaillement à haute altitude. En vertu du principe du gradient de pression linéaire (voir le chapitre 2), une anomalie de vorticité verticale se créée sur le flanc du courant ascendant. Cela provoque alors, une anomalie de pression haute dans cette zone arrière-gauche de la supercellule. Cette « force de gradient de pression de perturbation verticale » (appelé VGPPF en anglais) dû à l’interaction du cisaillement avec le courant ascendant, dirige donc vers le bas l’air situé à l’arrière de la supercellule. On le retrouve sur le schéma conceptuel de Klemp (noté H).

Cette VGPPF peut, de plus, être en conjonction avec des perturbations de pression dues aux variations verticales de flottabilité (hydrostatique), autrement dit, avec des phénomènes similaires au fonctionnement du FFD. La VGPPF peut aussi être en interaction avec une stagnation de l’air à mi-niveau. En effet, lorsque l’air extérieur s’écoule autour de l’arrière de la colonne ascendante de l’orage, cela provoque une forte déformation de cet écoulement. L’air restant bloqué à mi-hauteur, cela accentue encore un peu plus le VGPPF.

Ainsi la VGPPF est une anomalie haute de pression située en altitude (à mi-hauteur environ). Elle génère donc une force de pression dirigée vers le bas. Ceci conduit, en conséquence, un écoulement de l’air descendant. Et, lorsqu’elle domine par rapport au refroidissement par évaporation, elle est plutôt responsable d’un courant descendant chaud.

c. Charge des Précipitations

Que l’origine du RFD soit dominé par un refroidissement par évaporation (flottabilité négative) ou par un gradient de pression linéaire dirigé vers le bas (VGPPF), le RFD peut également être accéléré par la charge des précipitations. C’est particulièrement le cas, quand le vent relatif en altitude (9-11 km) est faible et empêche la dispersion des précipitations loin en avant de la supercellule. Le rôle de la charge des précipitations dans le RFD est donc davantage importante dans le cas d’une supercellule HP et explique pourquoi sur ce type de supercellules, le RFD est souvent beaucoup plus fort. 

Courant Descendant

Schéma 3D RFDLa conjonction de ces facteurs se produit entre le sommet et le milieu du nuage, là où les vents sont plus forts et se butent à la masse nuageuse plus chaude et humide que l’environnement. Une fois le processus engagé, l’air proche de la colonne ascendante se met alors spontanément à descendre en altitude et par compression adiabatique, il se réchauffe en s’asséchant davantage durant sa chute. Il se produit ainsi, une fente claire, sorte d’éclaircie sans nuages en bordure arrière de l’orage, combiné à un vent fort, sec et descendant (plus ou moins chaud en fonction de l’origine de la pulsion).

Cependant, la partie du RFD, proche de la colonne ascendante, entraine des hydrométéores avec lui et la charge en eau présente dans le nuage peut venir le renforcer. Plus la supercellule possède une voute d’écho faible (BWER), plus une partie des hydrométéores présents dans le nuage sont susceptibles d’être entrainés par le RFD. De même, plus le vent relatif en altitude (9-11 km) est faible, plus les hydrométéores qui se forment sont susceptibles de rester dans la zone proche du RFD (supercellule HP). De plus, vers les niveaux de basse couche, le RFD rejoint une partie du FFD qu’il entraine avec lui. Au fur et à mesure que les précipitations tombent et que l’air frais entraîné circule vers le bas, il finit par atteindre la surface. Cela contribue à former un écho en crochet.

Étalement à Basse Altitude

La fente claire, matérialisant l’air sec du RFD, peut s’enrouler autour du mésocyclone en formant une forme d’arc à l’arrière de celui-ci. Elle sculpte alors l’arrière de la base sans pluie qui supporte la ligne d’alimentation ascendante, provoquant ce qu’on appelle une base en forme de fer-à-cheval (horseshoe base), qui peut aller jusqu’à rejoindre une tornade.

En effet, le RFD rencontre des vents de direction et de température/humidité différents durant sa chute et plutôt que de se mélanger, il est donc dévié. De plus, les cisaillements des vents que le RFD rencontre durant sa chute, peuvent également lui donner une rotation le long de son axe vertical. La partie la plus proche du centre du mésocyclone est ainsi attiré par la dépression, alors que de l’autre côté, le courant de densité (outflow) prend le dessus et s’en éloigne. Entre les deux, le RFD se déplace dans le sens et le long du mésocyclone. Cet écartement lui donne ainsi une forme de fer à cheval (arqué) en bordure de la base ascendante et jusqu’au nuage-mur qui supporte le courant ascendant. Ainsi, il se produit près du sol, un pseudo-front froid, pouvant engendrer un arcus (appelé aussi arcus RFD) sur son bord d’attaque avec l’environnement plus chaud de l’inflow.

Abaissement du Mésocyclone

Le courant RFD génère un gradient barocline sur sa frontière de sortie, formant un anneau de vorticité barocline quasi-horizontale le long de l’outflow (même principe que les vortex en rotor sous microrafale). C’est cette « génération barocline » qui permet un abaissement de la rotation du mésocyclone situé à mi-hauteur jusqu’à la surface, aidant ainsi à la rotation de la tornade. On retrouve ainsi de forts noyaux de réflectivité descendants, des zones de fortes pluies qui s’abaissent vers la base du courant ascendant en rotation. L’air RFD aide ainsi à augmenter le tourbillon à bas niveau et peut être crucial pour amener la rotation du mésocyclone vers la surface. En abaissant cette rotation, alternativement, cela va aider à créer une rotation de surface qui se développe également vers le haut via le courant ascendant rejoignant le mésocyclone.

Puisque c’est la vorticité barocline qui permet surtout l’abaissement du mésocyclone, plus le gradient de température et d’humidité est important, plus il est efficace. Un RFD froid contribue donc favorablement à cette vorticité barocline. Mais s’il est trop froid, il génère de l’air plus stable, qui s’opposera alors aux mouvements verticaux et empêchera l’étirement du vortex (vortex stretching) en surface. Un RFD plus humide en revanche réduit le refroidissement évaporatif et contribue à augmenter l’instabilité le long du RFD ainsi que l’étirement du vortex. C’est la raison pour laquelle un RFD humides (LCL bas) est plus propice à faire baisser en surface le mésocyclone et par conséquent générer des tornades. Les échos en crochet sont, de ce fait, souvent synonymes d’une phase d’intensification de la supercellule et les supercellules HP souvent plus efficaces pour former une tornade.

Rôle dans la Tornadogenèse

Le rôle du RFD dans la génération des tornades est important, puisqu’il permet d’abaisser la rotation du mésocyclone vers les basses couches en créant de la vorticité barocline d’axe horizontale supplémentaire. Le courant ascendant à proximité peututiliser cette vorticité en sortie du RFD, faisant basculer celle-ci sur un axe vertical (streamwise vorticity). Cette vorticité supplémentaire vient rejoindre la vorticité d’axe verticale environnementale déjà présente dans le courant ascendant principal. Cela peut entraîner une augmentation marquée de la convergence de niveau inférieur et de l’hélicité proche de l’orage, en supposant que le RFD soit thermodynamiquement suffisant pour maintenir la tornadogenèse. De plus, lorsque la rotation du mésocyclone est étirée vers le bas par le RFD, il se produit une accélération de l’effet du gradient de pression, qui est généré par la dépression de moyenne altitude.

Le RFD provoque également une convergence extrême de l’afflux d’air de bas niveau (inflow), là où la limite du front de rafale RFD rencontre la limite de sortie du FFD (WER : entaille d’afflux). Cette concentration de l’inflow dans un espace de plus en plus réduit aide généralement à faire monter les parcelles d’air en rotation vers le haut. Le RFD permet donc que la zone de l’inflow converge plus fortement près de la surface et de manière plus concentrée. Cela renforce le courant ascendant de bas niveau, créant une configuration favorable à l’étirement et à la contraction du vortex. D’autres mécanismes comme la force de friction (trainée de surface) entrent par ailleurs en jeu pour former une tornade, mais nous n’allons pas aborder dans ce dossier toute la mécanique complexe de la tornadogénese.

Cependant, si l’apport du RFD semble primordiale, la formation d’une tornade est toujours en équilibre précaire. Car si le RFD prend trop d’importance, celui-ci étant un courant de sortie (outflow), il coupe alors le courant d’entrée chaud qui nourrit la tornade (inflow). Cela a pour conséquence de rendre orphelin le courant ascendant générant la tornade, au milieu du RFD (mésocyclone occlus). La tornade ne se nourrit à ce moment-là plus de l’air provenant de l’inflow qui lui a permis de naitre, mais directement depuis l’air provenant du RFD (particulièrement vrai avec des supercellules HP).

Enfin, plus la parcelle d’air est forcée de converger dans un espace restreint, avec une vitesse de rotation de plus en plus grande, plus elle génère, en contrepartie, un gradient de pression important qui va s’opposer à cette rotation. Cela explique pourquoi la plupart des tornades sont éphémères et pourquoi, à l’intérieur d’une tornade, nous trouvons les pressions les plus basses relevées sur terre.

Apport du RFD au courant ascendant

En raison de la compression adiabatique et de l’origine possible du RFD (VGPPF), l’air du RFD est parfois chaud, mais possède toutefois une densité inférieure a l’air chaud et humide venu de l’inflow. Lorsque le RFD rejoint le courant ascendant, il est donc facilement soulevé. S’il n’y a pas suffisamment d’air circulant dans le courant ascendant d’une supercellule, une tornade ne peut pas se former. Le RFD fournit ainsi probablement de l’air qui aide à maintenir la tornade. En d’autres termes, si le courant ascendant peut éliminer plus d’air que ce qui peut être aspiré dans l’orage, il n’y aura pas de grande tornade à longue trajectoire. Ainsi, le rapport entre le volume d’air provenant de l’inflow et le volume du courant ascendant lui-même permet de déterminer le taux de turbulence de l’orage.

Tornades Multivortex

Ce taux de turbulence (voir paragraphe précédent), résultant du déséquilibre entre l’apport horizontal (inflow) et l’évacuation verticale (ascendant) est un élément important dans la génération de tornades multivortex. En effet, lorsque la vitesse de rotation augmente au sein de la tornade et devient supérieur à la vitesse verticale d’aspiration, une rupture d’écoulement se forme. La parcelle d’air en rotation est alors soumise à la force centripète qui domine sur la force de pression au centre de la tornade. Pour compenser cette force centripète permettant de maintenir en rotation la parcelle d’air, un gradient de pression vers l’extérieur se met en place sur la parcelle en rotation.

À cause de ce gradient de pression inverse, lorsqu’une parcelle d’air en rotation converge dans la zone de l’inflow, elle se met alors à ralentir pour pouvoir ensuite être soulevée. Ainsi, plus la parcelle d’air tourne rapidement, plus son soulèvement se fait loin de l’axe de rotation principal. Il y a donc rupture entre l’écoulement total du vortex et le mouvement (convergence + soulèvement) des parcelles d’air en rotation à l’intérieur. Un ou plusieurs sous-vortex périphériques se mettent alors en place et la tornade devient à vortex multiples. De plus, quand la pression au cœur de la tornade est très faible, un courant descendant vient parfois s’y engouffrer, ce qui vient accentuer l’ensemble de ces phénomènes.

Front de Rafale RFD

Mais la plus grande partie du courant RFD n’est pas ré-aspiré et s’évacue plutôt sous forme de front de rafale RFD. Le RFD étant un courant situé proche de la colonne ascendante, il a un rôle crucial dans leveloppement futur de la supercellule à plus grande échelle. Ainsi de nouveaux mésocyclones de bas niveau peuvent se former à la frontière de sortie du RFD et lorsque l’ancien mésocyclone s’occlut, c’est-à-dire qu’il est absorbé par la supercellule, le nouveau mésocyclone peut générer une nouvelle tornade. Ce type d’orage, avec plusieurs phases tornadiques (ou mésocycloniques), est appelé « supercellule cyclique ».

FFD vs RFD

Une première différence entre le FFD et le RFD, est que l’air est plus chaud et plus sec dans le RFD. La raison est qu’une partie de l’afflux d’air à l’origine du RFD provient de l’air extérieur arrière situé à mi-hauteur de la supercellule. En revanche, l’origine de l’air du FFD provient du sommet de la supercellule. L’air ascendant, chaud et humide provenant de l’inflow, monte jusqu’au sommet de l’orage en se refroidissant. Arrivé en haut de l’enclume, une partie de l’air commence à s’étaler horizontalement, mais la grande majorité de cet air, devenu très froid, se met à redescendre sous forme de FFD. C’est le principe de la convection. Le FFD provient donc de plus haut et est donc plus froid et humide que le RFD. Dans les deux cas, un réchauffement adiabatique a lieu lorsque l’air descend, mais l’air en amont étant plus chaud dans le RFD que le FFD, l’air en surface y est aussi plus chaud.

Une autre différence fondamentale, est que l’écoulement, dans le FFD, correspond à une grande dimension spatiale. Le FFD est ainsi quasi hydrostatique et plus facilement modélisable. A contrario, l’écoulement dans le RFD est de plus petite dimension, en conséquence non-hydrostatique, et possède un écoulement bien plus fort et intense. La vitesse de descente du RFD est ainsi plus importante et se réalise sous forme de pulsions intenses, parfois successives et cycliques. Ces pulsions du RFD (appelés « surge ») vont alors souvent être l’architecte de la variabilité interne de la supercellule, ainsi que de ses renforcements ou affaiblissements. Le RFD est aussi beaucoup plus imprévisible et difficilement reproduisible par les modèles de prévision météo (qui ne reproduisent généralement que les phénomènes hydrostatiques).

Radars et Réflectivités

Radars et Réflectivités

1. Fonctionnement d'un Radar

Radar Dual/Pol

La plupart des radars dans le monde aujourd’hui utilisent un système de double polarisation (dual-pol) qui envoi une double impulsion radar (l’un horizontal, l’autre vertical), permettant de scanner l’atmosphère comme un tube radar. La double polarisation permet une meilleure résolution du faisceau au centre du tube, là où les deux impulsions se croisent (même si des effets de « side lobe contamination » peuvent avoir lieu). Ce système de double polarisation permet une meilleure estimation de la taille, de la forme et de la variété des hydrométéores réfléchis.

Pour aller plus loin : Radar Tutorial

Coupe Horizontale et Verticale

Radar supercelluleChaque faisceau radar est envoyé sur un angle précis avec l’ensemble des attributs disponibles recherchés (Z – V – ZDR – CC…), permettant de scanner l’atmosphère de manière successive horizontalement et verticalement. Le faisceau par exemple à 0.5° scanne les très basses couches au plus près du radar (500 m), mais l’angle oblige le faisceau à scanner l’atmosphère plus haut à mesure qu’il s’éloigne de la source radar (1 km).

Ainsi, l’atmosphère est balayée à 360° autour du radar, ce qui permet de scanner l’atmosphère presque horizontalement sur un angle vertical à 0.5°. On obtient ainsi une image de l’atmosphère sur une grille polaire centrée sur la source du radar. Puis, on recommence en élevant l’angle vertical du radar à 1°, 1.5°, 2°, etc, pour obtenir une coupe non seulement horizontale de l’atmosphère, mais aussi verticale (NOTE : dans la réalité, un radar est suffisamment rapide pour que chaque angle soit envoyé-reçu en même temps). En raison de linclinaison variable du radar, la hauteurfléchie des signaux radar reçus varie selon l’angle choisi, mais aussi la distance par rapport à leur source (voir le schéma ci-dessus).

Limitations

L’angle maximum est souvent de 25°, le radar ne peut donc pas voir ce qui se passe immédiatement au-dessus de lui (d’où des artefacts souvent à proximité immédiate du radar). De même, le radar est capable de voir à très basse altitude, uniquement ce qui se trouve immédiatement proche de lui. Un signal de tornade (TVS) contient ainsi certaines limitations à mesure qu’on s’éloigne du radar. De la même façon, la recherche de mésocyclone, qui est situé à une certaine altitude, nécessite fréquemment de regarder les coupes de radar à différents angles, et ce, en fonction de la distance de l’orage par rapport à la source radar. Par exemple, un mésocyclone à proximité sera ignoré, car le faisceau radar passera dessous, tandis quun mésocyclone éloigné sera également ignoré parce que le faisceau se situera audessus. Il est ainsi parfois plutôt nécessaire de regarder des signaux de présence de mésocyclone, sur des coupes verticales.

Pour aller plus loin  : Les Radars Météorologiques – Wikipédia

2. Produits Radars Principaux

Radar de Pluie - Z

Ce qu’on appelle de manière ordinaire le « radar de précipitations » (ou juste « radar ») est en fait un facteur de réflectivité horizontal des hydrométéores (pluie, grêle, neige…). On le nomme parfois Radar Z (ou ZH). La réflectivité des hydrométéores se mesure au départ en Décibel Z (dBZ), que l’on peut traduire ensuite en taux de précipitations dans le volume sondé en millimètres par heure (mm/h). C’est le type de radar le plus connu et le plus utilisé. Un radar Z s’utilise de manière individuelle, car il utilise une projection polaire qui rend la résolution très bonne proche de la source radar, mais qui s’affaiblit avec la distance. C’est cependant le meilleur radar pour chercher des signaux supercellulaires en raison de sa résolution très fine et non filtré proche de la source radar. En France, aucun radar Z (individuel et polaire) n’est librement disponible (même sur le site payant de météo-France), ce sont toujours des compositions créées à partir du radar Z et donc filtrées.

Radar Composite

radar compositeLa plupart des données radars de précipitations disponibles en France ne sont pas des données radars scannées à une altitude donnée (radar Z), mais des données composites (radar de www.meteociel.fr et radar payant de Météo-France par exemple). Un radar composite choisit le maximum de la réflectivité horizontal (Z) sur plusieurs altitudes différentes, ce qui a tendance à sur-évaluer certaines signatures, mais aussi à changer les caractéristiques précises d’analyses de signatures disponibles pour une altitude donnée.

De plus, le radar Z d’origine fonctionne sur une grille polaire, permettant d’avoir de très bonnes résolutions proches de la source radar (jusqu’à 100 m). Mais cette grille rend impossible la mutualisation des données radars sur un même gabarit, il faut donc changer la grille du radar en l’interpolant sur une grille plus régulière cartésienne (latitude – longitude). La résolution radar est ainsi harmonisée sur l’ensemble de la carte des radars disponibles, mais ce filtrage fait perdre alors énormément en résolution par rapport au radar Z (en particulier sur des zones proches de la source radar).

Certains radars suppriment aussi les très faibles réflectivités (<10-15 dBZ), pour limiter le bruit éventuel résultant, mais cela a pour conséquence de filtrer la possibilité d’observer certains signaux météorologiques sensibles comme les outflows par exemple. Un radar composite est une donnée « grand public » intéressante, qui permet en plus la mutualisation des données radars sur une même carte, mais cela filtre peut-être trop parfois l’analyse de recherche de signaux fins supercellulaires.

Radar Doppler - V

Ce qu’on appelle de manière ordinaire le « radar doppler » (ou juste « doppler ») est en fait l’effet Doppler-Fizeau des champs de vitesses radiales des hydrométéores. Le radar envoie un « pulse » avec une fréquence donnée (et connue). Ce pulse est réfléchi sur les hydrométéores et est renvoyé comme signal à une fréquence différente. La différence en fréquence nous permet de calculer une vitesse le long d’un axe radial. Le radar doppler mesure donc la vitesse du vent au sein de l’orage. On le nomme parfois « Radar V » (V comme vitesse) ou « Champs V ». On le mesure généralement en nœuds (KT), mais vous pouvez trouver n’importe quelle unité de vitesse (m/s – km/h). C’est le type de radar le plus connu après celui des précipitations.

Radar Doppler - SRM

Le problème principal du radar doppler V est que lorsque le différentiel de vent n’est pas suffisamment grand, aucune signature visuelle en dipôle n’apparait, malgré la présence d’un mésocyclone. En effet, le mésocyclone se déplace lui-même avec l’orage. Trouver un dipôle de changement de vitesse (pour repérer le mésocyclone) au sein d’un orage qui a lui-même une vitesse de déplacement moyen (storm motion) est visuellement assez difficile à réaliser. Il est préférable d’utiliser un radar qui permet de regarder un champ dérivé de V (donc, même unité) qui mesure la vitesse du mouvement relatif de l’orage : le radar doppler SRM (storm relative motion) ou champs SRM.

3. Produits Radars Dérivés

Radar Différentiel - ZDR

radar ZDRMoins connu, ce type de radar analyse la différence (logarithmique) de réflectivité horizontale et verticale des hydrométéores (Z). On le nomme parfois radar de Réflectivité Différentielle ou radar ZDR (Differential Reflectivity). On le mesure en décibel (DB). Il ne s’utilise jamais seul et permet de repérer des zones particulières au sein des supercellules et de voir la forme des hydrométéores (circulaire ou aplaties dans une direction particulière).

Quelques exemples :

  • une zone de grêle : forte réflectivité Z et faible réflectivité ZDR
  • une zone de courant ascendant : colonne de forte réflectivité ZDR
  • débris tornadiques : zone localisée de faible réflectivité ZDR proche d’une zone de forte réflectivité ZDR (localisation en bout d’écho en crochet)

Coefficient de Corrélation Radar - CC

coefficient de corrélation radarLe coefficient de corrélation (également appelé ρhv ou rho) fournit une mesure de la cohérence entre les formes et les tailles des cibles dans le faisceau radar z. On mesure ici la corrélation entre le faisceau horizontal et vertical de la double polarisation. Une valeur élevée indique une plus grande cohérence dans la taille et la forme des cibles radar, tandis qu’une valeur inférieure indique une plus grande variabilité.

Contrairement aux autres données radars, le CC n’a pas d’unité propre et ne peut s’utiliser seul. Il doit servir de complément, notamment pour vérifier la qualité des autres radars. Le CC peut être utilisé pour aider à distinguer la grêle géante et identifier les débris tornadiques. Par exemple, si le radar montre une zone de faible corrélation CC dans une zone de forte réflectivité Z suspecte, c’est un bon indicateur de présence d’une tornade (TVS).

Spectrum Width - SW

La largeur du spectre (« spectrum width ») est la distribution des vitesses des hydrométéores dans le volume analysé par le radar. Des valeurs plus élevées de la largeur du spectre correspondent à une variation plus importante du nombre de vitesses observées des hydrométéores dans ce volume. Cela peut être un révélateur de la turbulence, donc de la présence d’une tornade et des limites d’écoulement (fronts de rafales, microrafales…) pour de fortes valeurs. Au contraire, de faibles valeurs peuvent être révélatrices de zones à écoulement laminaire et fluide comme le RFD ou l’inflow.

Allez plus loin : Spectrum Width – PDF

Differential Phase Shift - ΦDP

Le différentiel de phase mesure la différence (en degré) entre les impulsions horizontales et verticales du radar (dual pol) lorsqu’elles se propagent à travers un milieu possédant des hydrométéores. Les cibles orientées horizontalement produiront un différentiel de phase positif, tandis que les cibles orientées verticalement produiront un différentiel de phase négatif. Il fournit des informations sur la forme et la concentration des cibles radar. Mais il est assez difficile à utiliser de manière brute, car de petites gouttes de pluie peuvent donner une valeur de phase différentielle plus élevée qu’une plus petite concentration de gouttes de pluie plus grosses. Contrairement au ZDR, il n’est pas affecté par la grêle ou les cristaux de neige. On l’utilise donc surtout pour calculer le KDP.

Specific Differential Phase - KDP

Le différentiel de phase spécifique est un produit dérivé du ΦDP. Il montre le gradient, les changements et les décalages du différentiel de phase (ΦDP). L’augmentation du KDP est une indication d’une augmentation de la taille et de la concentration des gouttes de pluie, et donc d’une augmentation du taux de précipitation. Le KDP est en conséquence un outil pratique pour détecter l’intensité et le type de précipitation. Ses valeurs possibles vont de -1 à 7 en unités de degrés par kilomètre (deg/km) :

  • KDP élevé (3 à 7) = précipitation forte
  • KDP moyen (1 à 3) = précipitation moyenne
  • KDP faible (-1 à 1) = neige, grêle ou précipitation faible

Autres

Nous avons cité les principaux produits radars utilises pour repérer les supercellules. Mais il existe d’autres produits dérivés. Pour aller plus loin :

Terminologie Radar Z

Terminologie Radar Z

WER - Weak Echo Region - Région d’Echo Faible

Inflow Notch - Entaille d’Afflux

Définition

weak echo regionUn WER est une région d’écho radar plus faible, qui est délimitée sur le côté (parfois deux côtés, quand un crochet est présent) et sur le dessus, par un écho radar plus fort. Il se forme alors un surplomb d’hydrométéores en altitude, en suspension au-dessus du courant ascendant. Le WER est situé dans la zone de l’inflow à basse altitude de l’orage, sous une partie de la « base sans pluie ». Cette diminution localisée du nombre d’hydrométéores réfléchies par le radar, est produite par un fort courant ascendant. Celui-ci transporte les particules de précipitation à des niveaux moyens dans l’orage convectif avant qu’elles n’atteignent des tailles détectables par radar.

Orage violent

Un WER n’est pas propre aux supercellules, mais témoigne toujours d’un orage violent possédant un fort courant ascendant, capable de repousser les précipitations. De plus, du fait que les précipitations peuvent ainsi s’accumuler à moyen niveau, l’orage dispose alors d’une réserve importante de précipitations en altitude, pouvant être projeté violemment et rapidement vers le bas à un moment donné.

WER d’une Supercellule

Lors de l’identification d’un WER avec radar, il faut veiller à ce que le fort écho radar à mi-altitude soit lié à un courant ascendant et non au mouvement horizontal des particules de précipitation (par exemple, l’enclume qui se propage). Sur un radar de bas niveau, la zone de WER dans une supercellule ressemble souvent à une encoche plus ou moins prononcé qui entaille les précipitations. On parle alors d’une encoche d’afflux (inflow notch) et cela va parfois de pair avec un écho en crochet. C’est d’ailleurs cette entaille d’afflux, et donc la force du courant ascendant associé, qui donne la forme en crochet caractéristique à l’écho radar, plutôt que le courant RFD situé à l’arrière, influencé par le mésocyclone. De plus, le WER d’une supercellule, est généralement surmonté verticalement par un BWER.

Hook Echo – Echo en Crochet

Définition

hook echoL’écho en crochet est la signature de réflectivité radar de bas niveaux la plus connue et caractéristique des supercellules. Il s’agit d’une réflectivité supérieure à 50 dBz et d’une longueur moyenne de 10 km en forme de crochet ou de pendentif. La détection radar est très utile pour repérer les supercellules, mais cellesci ne forment pas systématiquement un crochet et peuvent ne le former que brièvement durant leur cycle de vie. Il existe, de plus, autant de formes de crochet, qu’il existe de supercellules. Elles peuvent apparaitre comme :

  • un simple appendice,
  • une pointe en V légèrement exiguë,
  • un crochet tourbillonnant (« hook echo »),
  • une forme en haricot (« kidney bean shape »),
  • ou même une forme de pendentif (« pendant shape »).

L’écho en crochet est situé à proximité du courant ascendant, généralement sur le flanc arrière gauche des orages qui tournent dans le sens anti-horaire (moteur-droit). Lécho radar de précipitation forte en forme de crochet sétend depuis le sol jusquau sommet de lorage, formant ainsi une verticale qui se rattache à la zone de surplomb (WER BWER) dont elle constitue le bord supérieur.

Histoire

L’écho en crochet se retrouve sur un radar de précipitation à différentes altitudes, du sol à l’enclume. Lorsque l’air descendant et les précipitations s’enroulent autour du mésocyclone derrière le courant ascendant principal, cela provoque une courbe de réflectivité. Cette courbe de réflectivité est produite par les hydrométéores (pluie-grêle), mais aussi par des débris lorsqu’une tornade est présente. Quand une tornade est suffisamment forte pour entrainer des débris avec elle, l’écho en crochet peut posséder une forme en 6 (« six-shaped »), qui mélange ainsi l’aspect du pendentif et du crochet. L’écho peut alors former une boule de débris (« debris ball »).

Dès 1949 et les tout premiers radars de précipitations, Brooks a fait le lien entre la forme d’écho en crochet (en particulier en forme de 6) et la présence d’une tornade. À la fin des années 50, en identifiant l’évolution de dizaines de crochets d’orages supercellulaires, Fujita fera également le lien entre l’écho en crochet, et la rotation de l’orage lui-même. Ce n’est que plus tard, dans les années 60, que la notion de mésocyclone et de supercellule sera défini et étudié par Browning. Les échos en crochet ont donc constitué l’un des premiers moyens d’identifier des supercellules, avant même qu’on ne trouve une définition précise à ces orages.

Modèle Conceptuel

L’écho en crochet témoigne du mouvement de l’air à la fois à l’extérieur de l’orage et à l’intérieur. Ainsi, à l’avant de l’écho en crochet, une entaille d’écho faible (WER) est créée par l’afflux de l’air environnant chaud et humide qui est aspiré dans la zone ascendante principale de la supercellule. L’écho en crochet est donc utile pour repérer facilement la zone dans laquelle l’inflow rentre dans l’orage et où peut-être se trouve un nuage-mur ou bien une tornade. En se déplaçant vers le haut, au travers du mésocyclone, cet air se refroidit ensuite plus lentement que l’environnement nuageux. Lair chaud et froid sentremêlent très peu et forment un tube sans écho de pluie qui monte plus haut que les alentours, créant une zone décho faiblelimitée verticalement (BWER).

Parallèlement, un flux d’air frais et plus sec à mi-niveau pénètre dans le nuage d’orage. Parce qu’il est plus sec que l’environnement, il est moins dense et s’enfonce derrière le nuage et forme le courant descendant du flanc arrière (RFD), asséchant la partie intermédiaire de l’arrière du nuage (fente claire). En descendant, ce RFD entraine avec lui les hydrométéores et abaisse le mésocyclone vers de plus bas niveaux. Lorsque la partie du RFD contenant des hydrométéores tourne le long du mésocyclone, elle l’entretient et le renforce. Ainsi les deux courants, (chaud et humide de l’inflow vs frais et sec du RFD) sont entrainés dans une rotation sans se mélanger. Cela contribue au resserrement de la rotation près de la surface et crée une convergence de l’inflow plus resserrée. Cette concentration dans un espace plus réduit de la zone ascendante n’est cependant pas suffisante pour créer une tornade. D’autres mécanismes sont nécessaires : force de friction, abaissement du moment angulaire, génération barocline le long du RFD.

Crochet ➔ Mésocyclone ➔ Tornade

L’écho en crochet témoigne simplement du mouvement des hydrométéores pris en tenaille, entre le RFD à l’arrière et l’inflow à l’avant (WER et BWER). Les précipitations descendantes se produisent sur le flanc arrière du courant ascendant et pourraient être considérées comme une « extension » de bas niveau de la région d’écho faible délimitée (BWER). Les précipitations qui interagissent avec le mésocyclone tendent à suivre un mouvement en arc. La présence d’un crochet est donc un marqueur mésocyclonique assez fiable qui témoigne aussi fréquemment d’un renforcement localisé de la supercellule, sous forme de pulsion soudaine (surge).

Repérer un crochet contribue en conséquence indirectement parfois à détecter la présence d’une tornade, mais n’en constitue pas une preuve. D’autant que toutes les supercellules produisant des tornades, ne contiennent pas forcément d’échos en crochet et toutes les supercellules ayant un crochet ne développent pas forcément une tornade. Il est ainsi toujours intéressant de repérer un écho en crochet pour identifier une supercellule. Mais la principale règle à respecter est que la majorité des supercellules ne produisent pas décho en crochet ou sils sont détectables, ils sont peu visibles et ne représentent quune étape du cycle de vie entier de la supercellule.

Détection Radar

Il n’est pas évident de repérer un écho en crochet sans un minimum d’expérience. Beaucoup d’orages multicellulaires développent en effet souvent une sorte de « queue » qui peut être confondue avec l’écho en crochet. L’emplacement de l’écho en crochet au sein de la cellule orageuse joue une importance cruciale pour être correctement identifié. L’écho en crochet doit être co-localisé avec le courant ascendant et, généralement associé à une rotation de bas niveau, ou au moins associé à une rotation de niveau moyen pour être associé à un orage supercellulaire.

Il existe un certain nombre de raisons pour lesquelles l’orage produit des appendices de réflectivité, comme un orage multicellulaire à proximité immédiate de la « ligne d’alimentation » des tours de cumulus en développement ou des noyaux de courant ascendant. De plus, bien que l’écho en crochet ne se retrouve pas seulement à bas niveau, il ne peut pas être associé à une signature radar de niveau d’altitude élevé.

Gravité de l’Orage

L’identification d’un écho en crochet est utile pour estimer assez facilement la gravité et l’évolution d’une supercellule. C’est donc toujours quelque-chose d’intéressant à rechercher, quand une supercellule a la chance d’en former une. En effet, plus la signature est grande ou de longue durée, plus le courant ascendant qui l’a produite indirectement est fort. L’amplitude des vitesses radiales (par effet doppler) peut également être mesuré au sein du crochet. Enfin, l’évolution globale, dans le temps, d’un orage indiquera s’il devient plus ou moins violent.

Les signatures radar et les développements d’orages associés peuvent par ailleurs être décalés dans le temps les uns par rapport aux autres. C’est le cas dans les tornades supercellulaires qui se produisent lors de l’effondrement de l’orage mère (splitting). L’analyse radar de l’orage doit cependant être évaluée par rapport à la distance de la source du signal radar. Un orage à une plus grande distance (avec un faisceau plus large) peut sembler faible ou s’affaiblir, tandis qu’un orage à une distance plus proche (avec un faisceau plus étroit) peut sembler fort ou se renforcer. Ainsi, un écho en crochet persistant est un indicateur de la gravité de l’orage. Des échos en crochet peuvent effectuer une ou plusieursvolutions complètes à bas niveau autour dun mésocyclone, ce qui suggère une rotation plus vigoureuse en présence de précipitations en diminution.

BWER - Bounded Weak Echo Region - Voûte d'Echo Faible

Définition

BWERLa voute d’écho faible (ou « région d’écho faible fermé/délimité ») est une signature radar caractéristique des supercellules. Il s’agit d’une région radar matérialisée par un minimum local de réflectivité à bas niveau (WER), s’étendant en hauteur et qui est entourée de réflectivités plus élevées en altitude. Cette caractéristique est associée à un fort courant ascendant et se trouve presque toujours dans la région de l’inflow de l’orage. Un BWER n’a pas de signature visuelle, mais peut se repérer également avec un système de détection de foudre (boltek) par une absence localisée de foudre (« lightning hole »).

La voûte se forme lorsque le courant ascendant d’un violent orage transporte les hydrométéores nouvellement formés, à des niveaux élevés, avant qu’ils ne puissent atteindre des tailles détectables par radar. Les BWER se trouvent généralement aux niveaux intermédiaires des orages, à 3-10 km au-dessus du sol, et mesurent jusqu’à quelques kilomètres de diamètre, formant une sorte de tube d’air ascendant avec une faible réflectivité radar. La force du courant ascendant dans le BWER favorise la croissance de gros grêlons juste au-dessus de la voûte, qui peuvent être légèrement déplacés dans la direction du mouvement de l’orage supercellulaire parent.

Repérer un BWER

Il existe 2 manières de repérer un BWER :

  • En prenant une coupe transversale d’une signature radar à travers la zone du WER et la région de forte réflectivité arrière (« écho en crochet » si présent), on mesure une coupe verticale d’une signature radar en forme de voute.
  • En prenant une vue en plan, en particulier aux niveaux moyens (environ 2 à 6 km au-dessus du sol), on repère un écho de faible réflectivité en forme d’anneau fermé (ring shape) ou presque fermé en forme de beignet (doughnut shape).

Le BWER est parfois difficile à repérer avec les supercellules LT car celui-ci se situe à de plus bas niveaux et la signature BWER est souvent comprimée sur elle-même.

Courant Ascendant Puissant

Lorsqu’un BWER se forme, cela indique que le courant ascendant est suffisamment intense pour repousser les hydrométéores vers les régions hautes de l’orage. C’est donc toujours un marqueur d’orage violent. Le BWER est également un indicateur indirect dune supercellule orageuse, mais ne provient pas de la rotation de lorage concent autour de lespace sans précipitations. Le courant ascendant très puissant à lintérieur du BWER empêche les précipitations de descendre ou le développement d’écho radar dans ce dernier. Le BWER représente ainsi le noyau le plus intense du courant ascendant.

Surplomb d’Hydrométéores

De grandes quantités deau liquide et de grêle surfondues saccumulent sur les flancs du courant ascendant intense, produisant une enveloppe à forte réflectivité qui encercle le BWER. Des précipitations telles que la grêle, le graupel (aussi appelé « neige roulée ») et la pluie tombent autour du BWER, mais elles remontent dans le courant ascendant avant de pouvoir atteindre le sol, parfois de manière successive ; ceci crée une zone décho faiblementlimitée (WER) au niveau du sol, surmontée dun surplomb dhydrométéores qui saccumulent à une altitude élevée. Ainsi, une montée dair considérable pousse les précipitations vers le haut, où un puissant courant dair lesplace ensuite horizontalement, ce qui entraîne lapparition dun surplomb décho. Les hydrométéores syplacent alors rapidement et ne peuvent pas tomber normalement. Ce processus contribue grandement à l’accroissement de la taille des grêlons.

Orage Violent

Le BWER en tant que tel n’est pas directement lié à la présence d’un mésocyclone, mais seules les supercellules ont la capacité de le rendre persistant. Un BWER durable est donc raisonnablement fiable pour les supercellules. Pour évaluer le degré de violence de l’orage associé, il convient d’analyser alors la durabilité du BWER, le gradient de réflectivité autour du BWER ainsi que la profondeur verticale du BWER.

Plus le BWER dure longtemps :

  • plus le gradient de réflectivité autour du BWER est fort,
  • plus la distance entre le sol et le niveau inférieur de l’écho en surplomb est grande,
  • plus le risque de grêle est important,
  • plus le courant ascendant est intense,
  • plus la présence d’un mésocyclone peut être suspecté.

V-Notch - Entaille en V

Définition

v-notchL’entaille en V (V-notch), ou Encoche de Flanc Avant (Forward Flank Notch) est une encoche en forme de V de plus faible réflectivité radar que l’on retrouve à l’avant du courant descendant principal de certains orages. Il s’agit d’une caractéristique que l’on retrouve sur de nombreux orages puissants. Cependant, elle est également souvent visible sur les supercellules et fait donc partie des critères permettant d’identifier un orage supercellulaire. Onsigne par « ailes de papillon«  une entaille en V dont les bords sont presque parfaits, avec en plus un écho qui peut prendre la forme dun crochet ou dun pendentif. Chaque branche du V évoquant une aile dun papillon.

Entaille en V / Orage en V

L’entaille en V est une signature de radar de précipitation en forme de v. Elle ne doit pas être confondue avec « l’orage en V », qui est un orage multicellulaire stationnaire particulièrement dévastateur, et dont la signature en V caractéristique est une signature avant tout d’imagerie infra-rouge (« Enhanced-V »).

Divergence des Courants d’Altitude

Lorsque le courant ascendant est suffisamment puissant, les vents d’altitudes autour de la supercellule sont écartés par la colonne ascendante. Il se créé un flux divergent horizontal en altitude qui écarte les hydrométéores de chaque côté du courant ascendant. Les précipitations qui se forment en altitude dans le FFD suivent ce courant divergent et il se forme alors une encoche de plus faible réflectivité radar, sur le bord d’attaque de la supercellule.

Bord Sous-le-Vent du FFD

Cette fente de réflectivité plus faible est un bon signal d’orage supercellulaire si l’encoche est placée sur le bord sous le vent (en bout de FFD). Cela témoigne d’un blocage du courant en altitude autour d’un noyau de courant ascendant très fort. Elle permet de plus de déterminer le sens du vent en altitude favorablement orienté pour créer un cisaillement supercellulaire et créer une divergence des vents en altitude. La divergence horizontale du vent en altitude a pour effet de retirer de l’air de la colonne d’air. Par conservation de la masse, cet air en moins est compensé par des flux verticaux. Cette compensation fait que la masse volumique reste quasi constante à altitude constante.

Lorsque des courants dair divergent en altitude, ils convergent en même temps au sol, ce qui entraine un mouvement vertical, qui contribue à maintenir un équilibre de quantité d’air dans la colonne. Le poids de la colonne d’air n’a ainsi pas changé. Ce n’est en conséquence pas la divergence qui est responsable d’une baisse de pression au sol. En revanche, si cette colonne ascendante est en rotation, cela induit un gradient de pression et de ce fait la pression atmosphérique au niveau du sol va diminuer. La divergence en altitude peut ainsi entraîner un effet d’ascendance supplémentaire lorsqu’elle est rotative, grâce à un effet de rétroaction positif. Dans le cas contraire, la divergence d’altitude est simplement une conséquence du mouvement vertical de l’orage déjà en place et ne provoque pas d’autres avantages.

Hail Spike – Pic de Grêle / Three Body Scatter Spike (TBSS)

Définition

hail spikeUn pic de grêle ou pic de dispersion à trois corps (TBSS) est un artefact sur un affichage radar météo indiquant la présence de grosse grêle. Ils sont identifiés par un pic d’échos à faible réflectivité qui s’étend à partir d’un orage et loin du site radar, à l’opposé de la direction de la source du radar.

C’est un artefact de diffusion « à trois corps » :

  • Le signal radar est envoyé vers le nuage orageux,
  • lorsque ce signal rencontre des grêlons de trop grande taille, il n’est pas renvoyé de manière normale vers la source du radar,
  • le signal est alors d’abord réfléchi vers le sol (1),
  • avant de revenir de nouveau vers le noyau de grêle (2),
  • puis enfin la source du signal radar (3).

Marqueur de Grêle

Ce n’est pas une signature propre aux supercellules, mais comme des grêlons géants sont plus susceptibles d’être fabriqués dans une supercellule, c’est souvent avec ce type d’orage qu’on retrouve le plus fréquemment cet artefact radar. De plus, connaitre son existence permet non seulement d’éviter la grêle, mais aussi de ne pas le confondre avec l’écho en crochet.

Terminologie Doppler V

Terminologie Doppler V

Mésocyclone

Mésocyclone : Conceptuel - Visuel - Radar

doppler supercelluleUn mésocyclone est un terme conceptuel, avant toute chose. Nous en avons parlé abondamment tout le long de ce dossier. Un mésocyclone peut donc se suspecter au sein d’une supercellule identifiée et même se repérer précisément de manière indirecte par de nombreux moyens (visuel, structurel, réflectivité radar, etc).

Cependant, un mésocyclone est aussi une signature radar doppler explicite et quantitative. C’est d’ailleurs le meilleur moyen (mais pas le seul) de repérer un mésocyclone au sein d’un orage et c’est parfois même, le seul moyen, en particulier avec les supercellules HP ou les systèmes multicellulaires/supercellulaires hybrides. Il est important de garder à l’esprit, toutefois, que même le mésocyclone d’une supercellule tornadique, peut très bien être totalement invisible via un radar doppler (Exemple : tornade de Willmar – MI –  le 29 aout 2022). Il est possible que le doppler ne détecte pas un mésocyclone, car ses faisceaux ne sont pas toujours en mesure de repérer les hydrométéores à lintérieur de lépaisseur de lorage dans lequel le mésocyclone se trouve. Une vitesse des vents homogène peut également être un frein dans la détection visuelle d’un mésocyclone avec les champs V du doppler. Il est alors préférable d’utiliser un doppler SRM qui prendra aussi en compte le mouvement de la cellule orageuse.

Mésocyclone et Radar Doppler

Le radar utilisant l’effet doppler-fizeau (usuellement appelé : « radar doppler » ou « champs de V ») analyse la composante de déplacement radiale des champs de vitesse des vents, sur l’ensemble des hydrométéores (précipitations) autour de lui. Ainsi, seules les précipitations qui s’éloignent ou se rapprochent du radar montrent une variation de vitesse. Cela veut dire que des précipitations qui se déplacent perpendiculairement au faisceau ont une vitesse radiale nulle. Dans ce contexte, les données de vitesse recueillies par le radar ont une signature particulière selon que les précipitations :

  • se déplacent dans un vent uniforme,
  • ont un mouvement adoptant une rotation des vents,
  • convergent,
  • divergent.

Rotation des Vents

doppler rotation des ventsUne rotation des vents se repère avec un radar doppler, par la visualisation d’un dipôle des champs de vents dont l’axe de vitesse radiale nulle est aligné à la source du radar. Cependant, l’orage ayant lui-même une vitesse moyenne, le mésocyclone ainsi que les champs de vents tout autour se déplacent également. Le doppler reflète alors principalement le flux environnemental tout autour qui se confond avec un côté du dipôle. Il est possible de repérer un mésocyclone en observant le flux environnemental, représenté par une couleur dominante. Si une zone locale semarque par un champ de vent opposé à la couleur prédominante, cest un signe de sa présence.

Convergence des Vents

Une convergence correspond à de l’air venant de différents endroits et forcé de monter en altitude lors de leur rencontre. On a donc des vecteurs de vent de directions différentes se rejoignant le long d’une ligne (ou d’un point de rencontre) où la vitesse des vents est nulle. Une convergence des vents sur un radar doppler se voit ainsi en observant un dipôle des vents avec une ligne de vitesse nulle (« ligne de zéro »), perpendiculaire à la direction au radar.

Mésocyclone = Rotation + Convergence

doppler mésocycloneLe mésocyclone étant souvent un mélange de rotation et de convergence, l’axe du zéro de vitesse radiale sera alors entre le parallèle et la perpendiculaire au radar.

Il est important de considérer qu’un dipôle inverse à un flux convergent peut se former également lors d’un flux divergent (rafales descendantes par exemple), la présence d’un dipôle ne suffit donc pas. Il faut en plus analyser l’axe du vent radial nul par rapport à la source du radar doppler, pour pouvoir y détecter une rotation éventuelle des hydrométéores et en conséquence la présence d’un mésocyclone.

Limite du Champs de V

Pour trouver des mésocyclones et des preuves d’orage supercellulaire, l’analyse doppler n’est pas la panacée, ça ne marche pas toujours. Tout d’abord, il est préférable parfois d’utiliser les champs de vitesses relatifs, en prenant en compte le mouvement de l’orage lui-même (voir Radar SRM). Mais surtout, il faut comprendre que le radar fonctionne comme une coupe semi-horizontale dont l’altitude augmente avec la distance au radar. Il possède donc une limite basse et une limite haute qui dépendent de la distance par rapport à la source du radar. Par exemple, si une supercellule se déplace trop proche de la source radar, son mésocyclone situé à 3 000 m d’altitude peut rester invisible, car situé trop en hauteur par rapport au faisceau radar. De même, une supercellule, éloignée de la source radar, sera scannée à une altitude supérieure au mésocyclone que l’on recherche.

Il peut aussi y avoir des anomalies sur V résultant du phénomène de « side lobe contamination » qui fait parfois apparaitre des dipôles (ou ne pas apparaitre) à des endroits où il y a rotation (et inversement). Lorsque le faisceau principal du radar scanne une zone de l’orage avec peu d’hydrométéores, elle peut être contaminée par une zone proche (latérale) d’une poche avec de forte intensité d’hydrométéores. Cette zone latérale normalement masquée par le faisceau est renvoyée alors avec plus d’énergie et est interprétée comme étant le faisceau principal. Cela fait apparaitre ainsi des artefacts qui se manifestent par une faible réflectivité juste à côté d’un noyau de forte réflectivité. Cette contamination peut aussi être verticale. Elle peut donc intervenir par exemple quand un surplomb (WER) d’hydrométéores en suspension vient contaminer le faisceau radar aux niveaux en-dessous (zone ascendante). Cela change le champ de vitesse en faisant apparaitre un dipôle de rotation du champ de V imaginaire.  Il est en conséquence toujours important de confirmer ou infirmer un dipôle de V avec d’autres outils (SRM, ZDR, CC…).

Tornado Vortex Signature - TVS

Définition

TVS animationUne signature tornadique de rotation (Tornado Vortex Signature – TVS) est en fait un calcul automatique (algorithme) utilisé avec les radars utilisant l’effet doppler-fizeau pour détecter la présence éventuelle d’une tornade. La signature caractéristique d’une rotation liée à une convergence pour détecter un mésocyclone ne suffit pas.

Pour suspecter une tornade, il faut aussi :

  • Une différence seuil entre les maximas des vents entrants et sortants. Ce seuil peut être ajustable : 25 km/h pour les situations de faibles tornades non-supercellulaires (comme celles associées aux fronts de rafales) et d’au moins 125 km/h pour les orages supercellulaires ;
  • Que la signature du TVS soit détectée d’abord en altitude et qu’elle descende en altitude dans le temps ;
  • Que la signature du mésocyclone associé soit présente sur une certaine épaisseur de l’orage.

Limite du TVS

TVSMalgré la précision des radars et des caractéristiques très précises permettant de déclencher un TVS, l’algorithme échoue à détecter une tornade, dans plus des deux tiers des cas. La raison principale est que le radar ne parvient pas toujours à détecter la rotation des vents sur la bonne épaisseur de l’orage, en particulier autour de 1 km sous la base des nuages (donc sans hydrométéores détectés). De même, la résolution du doppler est souvent trop faible pour détecter la tornade elle-même et une rotation mésocyclonique très marquée à moyen étage, détectée par le radar, peut, ne pas former de tornades touchant le sol. Réussir à détecter 30 % des tornades de manière automatisée aux USA, reste malgré tout une grande évolution et réussite.

Terminologie Visuelle

Terminologie Visuelle

Surplomb - Overhang

Définition

surplomb
Surplomb (à gauche) à l’avant d’une supercellule

Le surplomb est une caractéristique des orages violents (monocellulaire, multicellulaire ou supercellulaire), souvent présent au début du cycle de vie d’un orage, avant que les courants descendants et les précipitations prennent le dessus sur les courants ascendants. En effet, lorsque le courant ascendant est assez puissant, il repousse les hydrométéores en altitude. Lorsque la charge en eau n’est pas encore suffisamment importante pour vaincre cette force ascendante, alors les hydrométéores (grêles, graupels, précipitations), restent en suspension à moyenne et haute altitude au-dessus d’une région d’écho de réflectivité plus faible. Voir WER (weak echo region) pour plus d’information. Les hydrométéores peuvent ainsi s’accumuler et grossir par des cycles successifs (descente par gravité et monté par courant ascendant), jusqu’à atteindre une taille suffisamment lourde pour tomber de manière soudaine de l’orage (« surge »).

Caractéristiques

Visuellement, la présence d’un surplomb se repère par une base sans pluie à la fois sombre, turbulente et menaçante. Elle peut également être matérialisée par une enclume (souvent une enclume rétrogressive) pouvant être de grande épaisseur ou possédant des mammas ou des formations nuageuses (souvent laminaires) de moyennes altitudes. Le surplomb d’une supercellule est fréquemment voûté. Voir BWER (bounded weak echo region) pour plus d’information. Le surplomb se situe généralement au-dessus de la zone de l’inflow et est habituellement responsable, en particulier lorsqu’il est voûté, de la formation du RFD. C’est donc une zone de la supercellule particulièrement importante dans son fonctionnement.

Base sans Pluie - Rain-free Base

Définition

supercellule moteur gaucheLa base sans pluie (rain-free base / precipitation-free base) correspond à la base des courants ascendants principaux. Elle est sombre avec des formes nuageuses, par moment turbulentes ou au contraire laminaires. Comme son nom l’indique, il s’agit d’une région exempte de précipitations, mais peut parfois être sujette à des averses ou à de la grêle sporadique. C’est la raison pour laquelle on l’appelle des fois plutôt base ascendante (updraft base). Cette zone, généralement située au SO de la supercellule (moteur droit), constitue donc l’apport en air chaud (inflow) du courant aérien ascendant principal et est fortement lié à la zone du WER.

Analyse Visuelle

La base sans pluie correspond ainsi à la partie inférieure de la ligne d’alimentation en air chaud aspirée dans l’orage et la zone sous laquelle peut se développer un nuage-mur, voir une tornade. Cest une base qui offre souvent un spectacle visuel impressionnant, avec des formes complexes et désordonnées. Cette zone évolue rapidement, parfois à l’œil nu, avec fréquemment des striures ou des circonvolutions laminaires. La base sans pluie constitue de ce fait la charnière entre le RFD et le début de la ligne d’alimentation ascendante principale.

Elle prend occasionnellement l’aspect d’une jupe sous les supercellules. Cette jupe est bornée dans sa partie avant par un possible nuage-mur ou une cassure sans pluie avant le FFD. Dans sa partie arrière, une fente claire est visible, qui lui donne donc cette forme caractéristique d’une jupe, vu de face. Vu d’en dessous, cette base enfin présente habituellement une forme en demi-arc, lorsqu’un mésocyclone s’y forme, raison pour laquelle on la nomme aussi base en fer-à-cheval, tournant ainsi autour du RFD.

Cette zone est généralement sans foudre, en particulier si un BWER s’est formé. Mais de la foudre extra-nuageuse est cependant possible et témoigne d’un surplomb d’hydrométéores très massif au-dessus de la base sans pluie (particulièrement si c’est de la foudre positive).

Ligne d’Alimentation - Flanking Line

Définition

Ligne Alimentation Supercellule

La ligne d’alimentation est une formation cumuliforme en escalier qui pénètre dans l’orage par son flanc vers la zone la plus active de la supercellule (au SO). Cette zone est le siège des ascendances en rotation inclinée et peut parfois présenter un aspect torsadé ou incurvé en raison de la vorticité de la supercellule (mésocyclone).

Lorsque l’air chaud ascendant pénètre dans l’orage par l’intermédiaire de la base sans pluie, il continue de monter en altitude. Mais le cisaillement des vents et le déplacement de la supercellule créé un décalage entre sa partie haute et sa partie basse. Cela a pour conséquence de sculpter un escalier cumuliforme inclinée se renouvelant sans cesse en fonction des pulsions successives de l’air chaud ascendant.

Analyse Visuelle

La ligne d’alimentation, appelé aussi ligne de flanc (flanking line), en raison de sa position à l’avant du RFD, constitue donc la zone cumuliforme qui surmonte la base des courants ascendants. Elle peut être aperçue depuis les satellites comme une zone de cumulus de plus en plus imposante et très bourgeonnante qui rentre dans la supercellule par son flanc SO (voir le schéma ci-dessus).

Parfois cependant, la ligne d’alimentation présente une forme au contraire très ronde, laminaire, sans cumulification et avec de nombreuses striures. C’est alors le signe d’un apport massif ascendant ne laissant pas le temps à la cumulification de se former. Lair stable se trouvant à proximité de la colonne ascendante (qui est ellemême instable localement) est aussi aspiré de façon indirecte et rotative jusquà la tour pénétrante. De plus, quand le mésocyclone est puissant, il provoque une dépression à mi-altitude qui attire le déplacement latéral de l’air stable situé autour de la colonne instable ascendante. C’est ce déplacement de l’air stable périphérique vers la ligne d’alimentation qui provoque l’aspect lenticulaire (quelquefois sous forme d’assiettes empilées) et laminaire des nuages.

Courant Ascendant Principal - Mature Updraft Tower

Définition

supercelluleLe courant ascendant principal constitue la zone de la ligne d’alimentation la plus proche du cœur de la supercellule et il compose la zone centrale du courant ascendant rotatif au-dessus du mésocyclone. Cette zone présente souvent l’aspect d’un mur cumuliforme (parfois torsadé) et s’étend latéralement contre le flux général.

C’est au sommet de cette tour de courant ascendant mature (mature updraft tower) qu’un toit pénétrant (overshoot) peut avoir lieu, raison pour laquelle on l’appelle aussi fréquemment Tour Pénétrante.

Au radar, on repère la tour pénétrante grâce à une zone de faible précipitation au cœur de l’orage (WER – BWER). La foudre touchant le sol y est rare, mais la tour pénétrante, en revanche, est généralement le siège d’une intense activité électrique intra-nuageuse restant en altitude. On y détecte parfois cependant quelques extra-nuageux (généralement positifs quand ils touchent terre), lorsque l’atmosphère entourant l’orage, est assez clair. 

Sommet Pénétrant - Overshooting Top

Définition

sommet pénétrantUn sommet qui outrepasse en hauteur l’enclume est un très bon indicateur de la puissance du courant ascendant. Il est avéré que certains sommets pénétrants de supercellules très violentes puissent s’élever jusqu’à 20 km d’altitude, c’est-à-dire profondément dans la stratosphère.

Un sommet pénétrant provoque une percée (ou forçage) à travers la tropopause, qui est généralement le point sous lequel leveloppement nuageux vertical est limité. Ce dôme nuageux s’observe majoritairement juste au-dessus du courant ascendant principal (tour pénétrante) et provoque des ondes de gravités qui se propagent au sommet de l’orage. Il arrive parfois que plusieurs sommets pénétrants successifs soient visibles, témoignant de pulsions ascendantes périodiques. C’est souvent le cas avec les supercellules cycliques. Un sommet pénétrant est signe d’orage violent et peut de ce fait aussi se retrouver sur de puissants orages multicellulaires.

Enclume Rétrogressive - Back-sheared Anvil

Définition

enclume rétrogressive

L’enclume rétrogressive est une enclume de cisaillement arrière (back-sheared anvil) que le vent ascendant étend contre le flux d’altitude. On l’appelle parfois aussi enclume rétrograde. C’est un signe d’orage violent, particulièrement si une rotation est visible, car seul une ascendance très forte peut générer une enclume rétrogressive dans ce genre de cas. L’enclume rétrogressive est souvent plus nette et consistante que l’enclume du côté du vent dominant d’altitude.

En effet, lorsque l’ascendance est très forte, le flux d’air chaud rebondit contre la tropopause et s’étale dans toutes les directions au sommet de la tour pénétrante, créant un écoulement divergent à son sommet. Plus l’enclume rétrogressive dure longtemps, plus cela renseigne sur la force de l’apport en air chaud ascendant à la base. On trouve des enclumes rétrogressives non seulement sur les supercellules, mais aussi sur certains orages multicellulaires et même occasionnellement sur des orages monocellulaires, notamment lorsque ceux-ci sont stationnaires et à faible cisaillement.

Enclume à Rebord Enroulé - Anvil Rollover

Définition

supercelluleUne enclume à rebord enroulé se forme surtout lorsque les ascendances sont explosives et massives. Lorsque le courant ascendant très puissant atteint le sommet de lenclume, un rebond se crée sur la tropopause. Cela provoque une puissante onde de gravité qui se propage du centre du cumulonimbus au niveau du sommet pénétrant (overshoot) de manière concentrique. Cette onde provoque une sorte de mouvement de roulis sur le bord de l’enclume. Une enclume à rebord enroulé est donc une sorte de collier boursouflé entourant le bord d’une enclume rétrogressive et apparait quand l’extension horizontale de l’enclume est particulièrement rapide.

Une enclume à rebord enroulé est souvent plutôt visible au niveau de l’enclume rétrogressive (cisaillement arrière). Des mammas peuvent aussi se former sur ce rebord et témoignent de la force du rebond sur la tropopause. Quelques-fois encore, l’enclume prend une autre apparence et forme des sortes de saillies grumeleuses au niveau des bords et sous l’enclume, que l’on appelle knuckles (= jointures des doigts d’un poing fermé). D’autres fois encore, elles prennent l’apparence d’une enclume très cumuliforme. L’enclume n’a alors plus l’aspect fibreux habituel (comme des cirrus), mais prend les caractéristiques visuelles des nuages de type cumulus. Il existe de nombreuses variantes de formes d’enclume, mais la présence d’un bourrelet sur les bords est toujours le signe d’un puissant et massif courant ascendant et témoignent donc d’un orage violent. L’enclume à rebord enroulé n’est cependant pas une formation nuageuse propre aux supercellules.

Mammas - Mammatus

Définition

mammatusPrésents sous la partie inférieure de l’enclume, les mammas témoigne également d’un fort courant ascendant, mais se rencontre également dans beaucoup d’autres types d’orages (ou de nuages). Seuls des mammas vraiment proéminents sont susceptibles de renseigner sur la violence d’un orage. Mais ils ne renseignent pas d’une violence immédiate, car très souvent les mammas peuvent être situés à plusieurs dizaines de kilomètres du cœur de l’orage (voir des centaines de km sur certains orages multicellulaires / MCS).

Le processus de formation des mammas est encore mal compris, mais se déroule toujours à l’interface d’une zone nuageuse saturée d’humidité située au-dessus d’une zone d’air non-saturé (plus sèche). De nombreuses hypothèses ont été émises pour expliquer le processus de formation des mammas :

  • L’affaissement à grande échelle de l’enclume, produisant un renversement convectif (c’est la théorie dominante).
  • L’évaporation/sublimation sous-nuageuse des hydrométéores tombants (théorie couplée avec la théorie dominante).
  • La fusion (état solide à état liquide) de la base des nuages, selon le même principe que les virgas avec l’évaporation de l’état liquide à l’état gazeux.
  • L’inhomogénéité dans la descente des hydrométéores couplée à la traînée de friction.

D’autres théories ont aussi été émises comme :

  • l’instabilité de « détrainement » de la base des nuages (CDI),
  • des processus radiatifs liés à l’observation fréquente de mammas plutôt en fin de journée,
  • les ondes de gravité de cisaillement, générant une instabilité conditionnelle,
  • l’instabilité de Kelvin-Helmholtz avec fort cisaillement,
  • l’instabilité de Rayleigh-Taylor,
  • la convection de type Rayleigh-Bénard,
  • le mécanisme de Schaefer-et-Day.

Ensumé, on ne sait pas avec certitude quels mécanismes sont à l’origine des mammas et il est probable que plusieurs facteurs interagissent pour en produire des types variés. Les mammas, certes très esthétiques, ont été en fait peu étudiés avec des moyens modernes en raison de leur côté inoffensif, de leur rareté et de la difficulté pour parvenir à les atteindre en altitude. Ces formes géométriques très particulières gardent donc encore beaucoup de mystères à ce jour (voir la bibliographie pour plus de détails).

Nuage-Mur - Wall Cloud - Murus

Définition

nuage murLe nuage-mur correspond à la zone d’apport principal en air chaud de la supercellule. L’endroit par lequel l’inflow converge pour entrer dans la ligne d’alimentation principale de l’orage jusqu’à la tour pénétrante.

Un nuage-mur témoigne donc d’une montée rapide de l’air chaud par le bas de l’orage et sa condensation, située en-dessous du niveau normal, témoigne de la convergence humide qui y règne.

Le nuage-mur d’une supercellule est souvent de nature rotative et témoigne alors de la probabilité de la naissance d’un tuba ou d’une tornade. Toutes les supercellules ne développent cependant pas forcément un nuage-mur et tous les nuages-mur ne présentent pas une rotation visible.

Analyse Visuelle

Dans une supercellule classique, le nuage-mur se situe entre le RFD et le FFD, sous la base sans pluie. Dans une supercellule HP, le nuage-mur n’est souvent pas visible, car caché dans les précipitations liées au RFD. On peut fréquemment confondre un nuage-mur avec un arcus vu de profil, en particulier avec l’arcus du RFD qui en constitue parfois son prolongement. Plus l’outflow du RFD domine (avec une HP par exemple), plus cet arcus RFD risque d’être dominant vis-à-vis du nuage-mur. Mais le plus souvent, le nuage-mur ne fait que de 100 à 1000 m de largeur, contrairement à l’arcus RFD qui peut faire plusieurs kilomètres de longueur.

Un nuage-mur se définit donc vraiment vis-à-vis de sa localisation par rapport à la supercellule plutôt que par des éléments uniquement visuels. Cependant, généralement, le nuage-mur, constitue la zone la plus basse de l’orage et se matérialise comme des fractus (cumulus) soudés ou non à la base, se déplaçant très rapidement vers la base de l’orage.

Pannus - Murus

À l’origine, on plaçait le nuage-mur maladroitement parmi les pannus. Avec la nouvelle révision de l’atlas des nuages de 2017, le nuage-mur a gagné son propre terme latin en tant que particularité supplémentaire : Murus. Il se définit ainsi : Abaissement localisé, persistant et souvent abrupt de la base d’un cumulonimbus.

Un abaissement localisé de condensation sous une colonne ascendante (base sans pluie), non-rotatif, peut donc être considéré comme un nuage-mur. Une supercellule avec un mésocyclone à mi-étage peut d’ailleurs former un nuage-mur non-rotatif en basse couche. En effet, le nuagemur est le signe dune forte augmentation de la pression atmosphérique sous la base de l’orage avec mouvement ascendant, et non pas dune rotation du mésocyclone (situé ou non au-dessus).

En revanche, plus un nuage-mur montre de la rotation et plus cette rotation est rapide et resserrée, plus le risque de formation de tornade est important. En effet, si la rotation du nuage-mur s’accélère, cela indique que le mésocyclone migre vers les couches inférieures de l’atmosphère en s’étirant. Cet étirement de la rotation vers le bas entraine à son tour un resserrement de la rotation par conservation du moment cinétique (effet patineur), pouvant aller jusqu’à des tailles capables d’initier la création d’une éventuelle tornade.

Nuage-Queue - Tail-Cloud - Cauda

Définition

Un nuagequeue est un nuage horizontal en forme d’appendice qui s’étend à partir du côté droit d’un nuage-mur, et a la même hauteur que lui. Il s’agit en fait de l’apport en air humide du courant descendant situé à proximité (FFD et parfois RFD). Ce surplus d’humidité provoque la condensation de l’air aspiré par le nuage-mur, comme un prolongement de celui-ci.

On a souvent l’impression que le nuage-queue se déplace vers le nuage-mur en se régénérant à son extrémité. On peut même apercevoir un très rapide mouvement ascendant de ce nuage vers sa partie la plus proche du nuage-mur, provoqué par l’aspiration du courant ascendant.

Le nuage-queue n’est donc qu’une particularité du nuage-mur. Il ne faut pas confondre le nuage-queue avec la bande d’afflux qui se développe plus haut et qui n’est pas reliée au nuage-mur.

À l’origine, on classait le nuage-queue maladroitement parmi les pannus, mais depuis la révision de l’Atlas International des Nuages de 2017, le nuage-queue dispose maintenant de sa propre dénomination latine, la particularité supplémentaire cauda.

Bandes d’Afflux - Inflow Bands - Feeder Bands - Flumen

Définition

band feederParfois, le pseudo-front chaud d’une supercellule est matérialisé par une bande d’afflux. La plupart des orages supercellulaires ne présentent cependant pas cette particularité et l’on peut aussi retrouver des bandes d’afflux sur les multicellulaires.

En revanche, lorsqu’une bande d’afflux est présente, c’est un bon indicateur d’orage violent. Cela montre en effet que l’alimentation de l’orage en air chaud humide est massive et se produit également en dehors de la ligne dalimentation principale (flanking line). De plus, lorsqu’une bande d’afflux est présente le long du pseudo-front chaud à l’interface FFD / Inflow, cela peut révéler la présence d’une dépression située à moyenne altitude et donc indirectement révéler l’existence d’un mésocyclone.

À l’origine, on classait les bandes d’afflux maladroitement parmi les Pannus, mais depuis la révision de l’Atlas International des Nuages de 2017, les bandes d’afflux disposent maintenant de leur propre dénomination latine, le nuage annexe Flumen.

Analyse Visuelle

Une bande d’afflux est une bande de nuage bas qui converge vers le courant ascendant principal (à ne pas confondre avec la ligne d’alimentation donc), souvent plutôt du côté du FFD. On peut trouver cependant, quelques fois, plusieurs bandes d’afflux, parallèles aux vents de niveau inférieur (de l’inflow) et convergeant vers la zone d’ascendance principale. Lorsque la bande d’afflux est courbée (voir le schéma ci-dessus), c’est un excellent indicateur d’une rotation mésocyclonique.

Il ne faut pas confondre les bandes d’afflux avec un nuage-queue. Une bande d’afflux n’est pas soudée au nuage-mur et sa base nuageuse est plus élevée. Parmi les nombreuses formes que peuvent prendre les bandes d’afflux, l’une d’elle est nommée Queue de Castor (Beaver Tail), en raison de son aspect plat et relativement large.

Tornade - Tornado

Tuba - Funnel Cloud

Définition

tornadeSeul moins d’un tiers des supercellules sont capables de générer une tornade aux USA. Probablement encore moins en Europe où les supercellules sont généralement de moindre intensité. Il existe plusieurs types de tornades et leurs méthodes de formations varient, mais celles formées sous une supercellule au niveau du nuage-mur ont pour origine le mésocyclone. Les autres types de tornades, comme les trombes marines (waterspout) ou les trombes terrestres (landspout) ont pour origine un misocyclone. Enfin, il existe d’autres mécanismes qui permettent de créer des tourbillons de front de rafale (gustnado) ou des tourbillons de poussière (dustdevil / snowdevil / firedevil etc). 

Lorsqu’une tornade n’induit pas de contact au sol, mais reste sous forme d’entonnoir qui pend sous la base du nuage, on parle alors de tuba (funnel cloud). En France, sous les orages d’air froid qui se forment lors de perturbations marquées, on peut observer fréquemment des tubas et, dans des cas extrêmes, ils peuvent même engendrer des petites tornades (EF0 à EF2) d’une durée limitée. On remarque également souvent des petits tubas éphémères inoffensifs, qui sont causés par le cisaillement de l’air. Ainsi, seules les tornades issues d’un mésocyclone supercellulaire sont capables de générer des rotations de forte intensité, provoquant des dégâts conséquents et parfois catastrophiques (EF2 à EF5).

Une tornade de supercellule est donc une colonne d’air en rotation violente partant de la base du nuage cumuliforme et en contact avec la surface. La formation de ce type de tornade est causée par l’étirement de la vorticité environnante induite par l’orage qui la resserre en un vortex localisé intense. Cela peut se produire de différentes manières et il existe ainsi diverses formes et sous-formes de tornades. Mais bien que chaque tornade soit unique, la plupart des types de tornades passent par un cycle de vie de formation, de maturation et de dissipation. 

Mésocyclone - Hélicité Relative

Le cycle de vie d’une tornade supercellulaire commence lorsqu’un fort orage développe un mésocyclone, en rotation à quelques kilomètres dans la moyenne atmosphère. Au fur et à mesure que les précipitations de l’orage augmentent, elles entraînent avec elles rapidement, le RFD. Ce RFD s’accélère à mesure qu’il s’approche du sol et entraîne avec lui le mésocyclone vers le sol.

Pendant longtemps, on a considéré que l’hélicité relative environnementale (SREH) dans le 1er kilomètre proche de la surface (SREH 0-1 km), jouait un rôle important dans le développement et la force des tornades. En fait ce qui est à rechercher surtout, c’est l’hélicité relative dans l’effective inflow layer (voir chapitre 2). C’est-à-dire l’ensemble de la zone utile où l’air chaud à forte vorticité horizontale afflue et bascule en vorticité d’axe verticale. L’hélicité relative permet ainsi de favoriser le tourbillon à axe horizontal sous le mésocyclone en maintenant et accélérant son moment cinétique.

Rôle du RFD

Au fur et à mesure que le mésocyclone descend sous la base des nuages, entrainé par le RFD, il commence alors à aspirer de l’air frais et humide provenant du RFD lui-même (le mésocyclone étant aussi une dépression). La convergence d’air chaud dans le courant ascendant, avec cet air froid, provoque la formation d’un nuage-mur en rotation.

Le RFD concentre également la base du mésocyclone, l’amenant à siphonner l’air d’une zone de plus en plus petite au sol. Au fur et à mesure que le courant ascendant s’intensifie, il crée une zone de basse pression vers la surface. Cela tire le mésocyclone focalisé vers le bas, sous la forme d’un tuba de condensation visible.

Au fur et à mesure que le tuba descend, le RFD atteint ainsi le sol, créant un front de rafales qui peut causer de graves dommages à une bonne distance de la tornade. On appelle cette zone la cage de l’ours (bear cage). En général, quelques minutes après que le RFD touche le sol, le tuba commence à causer desgâts et se transforme alors en tornade.

Rôle de la Friction

Une tornade est un phénomène en contact avec le sol et est donc soumis au frottement. Cette force de friction joue un grand rôle également dans la tornadogénèse, avant même que la tornade ne se forme. Elle permet notamment :

  1. Au niveau environnemental, le ralentissement des vents au contact du sol, ce qui créé du cisaillement dans les bas niveaux (trainée de surface → turbulence). En conséquence, cela créé de la vorticité d’axe horizontal qui peut renforcer celle déjà présente dans le vent relatif.
  2. Lorsqu’il y a forte convergence, l’accélération de l’inflow proche du courant ascendant de la supercellule, grâce notamment à la concentration de l’inflow par le RFD. Cela crée par ailleurs de la vorticité horizontal à plus bas niveau encore et près du mésocyclone, améliorant ainsi sa vorticité encore plus proche du sol.
  3. Quand le mésocyclone de plus bas niveau se forme, à la zone de l’inflow, de converger plus fortement près de la surface et de manière plus concentrée (grâce au RFD). La friction permet de faire converger plus rapidement les parcelles d’air qui ont un fort moment angulaire, permettant ainsi un meilleur engouffrement de l’air ascendant tournant rapidement. Cela renforce le courant ascendant de bas niveau, créant une configuration favorable à l’étirement, la contraction du vortex et donc la formation d’une tornade.

Force de Pression, Force Centripète et Multi-Vortex

Une tornade est en équilibre entre force du gradient de pression (PGF), force centrifuge et accélération inertielle centripète. L’équilibre cyclostrophique est donc quasiment rompu, car le vent n’est pas tourné dans le sens de la rotation (azimutal), mais vers l’intérieur de la tornade (radial). En effet, c’est la force d’aspiration de la colonne rotative qui créé ce déséquilibre. Or cette aspiration est pilotée par l’orage supercellulaire lui-même à bien plus grande échelle (fort courant ascendant).

Cependant, quand la rotation devient encore plus forte ou que la tornade grossit en taille, une rupture turbulente d’écoulement se forme dans la tornade. Il y a toujours au centre du vortex un PGF radial orienté vers l’intérieur permettant d’aspirer verticalement l’air, mais sur les bords de la tornade cette fois, l’accélération inertielle centripète commence à dominer sur le PGF central.

Une parcelle d’air en très forte rotation, situé loin du centre du vortex, est en conséquence soumise à un nouveau PGF inversé (équilibre entre force centripète + nouveau PGF). Une fois qu’une parcelle d’air converge vers la tornade depuis l’extérieur, elle est aspirée par le nouveau PGF opposé au PGF du centre, et se soulève avant d’atteindre le cœur du vortex principal. Une tornade multi-vortex est né.

Striures / Stries - Striations

Définition

schéma supercelluleLes striures ou stries (striations en anglais) sont des rainures dans la base des formations nuageuses, situées autour du nuage-mur ou dans la zone d’alimentation et qui se forment parallèlement au flux d’air. C’est un bon indicateur de la présence d’une dépression à mi-altitude, et donc indirectement de l’existence d’un mésocyclone.

Mais on trouve des striures également au-dessus des arcus en formant parfois des assiettes empilées sur les nuages situés à moyen étage (arcus multicouche notamment). Le mécanisme des striures sur les bases sans pluie des supercellules est assez similaire à celui que l’on voit plus fréquemment sur les arcus. En effet, dans les deux situations, la circulation d’air à basse altitude est fortement perturbée par des courants laminaires horizontaux violemment cisaillés. En revanche, la raison qui permet d’engendrer ce mécanisme sur les bases ascendantes supercellulaires est assez différente.

Gradient de Pression Dynamique

Sur une supercellule, l’aspect laminaire et lisse dans la partie inférieure du courant ascendant est une manifestation visuelle d’une couche d’air stable (flottabilité négative) qui est soulevée de force vers le haut. Les striures sont, quant à elles, la manifestation physique du cisaillement de vent horizontal qui s’écoule le long de cette frontière nuageuse. En effet, le courant ascendant cisaillé, créé une baisse de pression dynamique à moyenne altitude qui influence l’environnement local de l’orage en retour.

L’air stable qui est autour de la zone ascendante, se situe dans la zone d’influence de ce gradient de pression dynamique interne. Cet air normalement stable va ainsi être littéralement aspiré vers le haut, attiré par le gradient de pression. En conséquence, on observe souvent une base nuageuse évasée (jupe), des assiettes empilées ou une bande d’afflux, qui matérialisent ce flux horizontal aspiré sur plusieurs kilomètres. Puis ce flux de l’air stable se concentre au niveau de l’ascendance où il est brutalement soulevé en même temps que l’air instable.

Forçage de l'Air Stable

Une fois soulevées, les parcelles d’air stable deviennent plus froides ou de même température que l’environnement, et ont donc tendance soit à redescendre, soit à rester sur place. Mais l’aspiration par la dépression de moyenne altitude liée à l’ascendance rotative supplante cet effet et force l’air stable ainsi déplacé jusqu’à la zone instable du courant ascendant. Au cours de ce déplacement forcé (non turbulent), l’air chargé de petites gouttelettes d’eau, suite à la condensation, se fait ainsi aisément sculpter par l’écoulement du flux autour de lui (RFD, FFD, inflow, etc).

C’est ce qui donne naissance à ces stries nuageuses et à ces couches de nuages laminaires témoins d’un flux peu turbulent. Puisque c’est un révélateur d’un gradient de pression dynamique à moyenne altitude, ces striures et formes laminaires sont donc un bon indicateur de la présence d’un mésocyclone.

Flux Laminaires

On retrouve les mêmes concepts pour la formation des nuages lenticulaires, ces lentilles qui se forment la plupart du temps à proximité d’un relief et qui prennent aussi la forme de soucoupes. Dans ce cas, c’est le relief qui force l’air stable à s’élever. On retrouve également ce mécanisme avec les pileus, mais cette fois-ci, c’est l’ascendance elle-même qui force l’air stable situé devant lui à s’élever et non le gradient de pression interne généré par le cisaillement de la supercellule.

Lorsquun orage parvient à se former malgré un effet de couvercle, ce type de formation laminaire strié est souvent observé. C’est dû à la présence d’une couche d’air stable à mi-hauteur qui peut être soulevée de force. Les supercellules LP sont favorisés par des conditions dair plus sec et donc plus stable, ce qui leur permet de former plus facilement des nuages de cette nature.

Enfin, lorsque c’est toute la zone d’alimentation en rotation qui est concernée par cet aspect laminaire strié, on les appelle des supercellules vaisseaux-mères (mothership supercell). Elles sont particulièrement recherchées par les chasseurs d’orages pour leur aspect très photogénique, en raison de leur forme particulière de vaisseau spatial extraterrestre.

Arcus - Shelf Cloud

Définition

arcus RFD

L’arcus n’est pas une caractéristique propre aux supercellules. Un arcus peut se former sous n’importe quel orage et même sous de simples averses d’air froid. Mais l’arcus sous une supercellule, présente parfois des caractéristiques particulières, en particulier le long du RFD. On retrouve occasionnellement aussi un arcus le long du FFD et il y présente alors des caractéristiques très classiques, similaires aux fronts de rafale des multicellulaires.

Un arcus est donc un nuage-bas, d’aspect menaçant, en forme souvent arqué ou présentant l’aspect d’un rouleau nuageux soudé ou non à la base de l’orage. L’arcus est classé comme particularité supplémentaire du cumulonimbus, et plus rarement du cumulus, dans l’Atlas International des Nuages. Il témoigne d’un soulèvement brutal d’air chaud linéaire provoqué par l’air froid descendant qui s’engouffre en un courant de densité (cold pool) vers l’avant et le long du sol (outflow). 

Arcus RFD

Lorsque l’air froid descendant d’un orage commence à s’étaler au sol, il s’engouffre petit à petit sous la base des courants ascendants : l’outflow prend le dessus sur l’inflow. Sur un orage classique, la présence d’un arcus, signifie souvent la mort de l’orage, car cela coupe l’arrivée en air chaud de l’orage. Sur un orage multicellulaire en ligne de rafale, le mouvement de l’orage étant le même que le courant de densité, l’air chaud à l’avant n’est pas coupé et l’arcus peut se prolonger très longtemps.

En revanche, sur une supercellule, le courant de densité du RFD n’est pas entrainé de manière linéaire et commence à tourner autour de la base. Cela provoque généralement un arcus RFD qui se confond avec la base du courant ascendant et fini même par revenir en direction de l’inflow au niveau du nuage-mur. Il n’est donc pas rare de voir un nuage-mur se prolonger par un arcus RFD le long de la ligne d’alimentation sous le flanc arrière de la supercellule. Vu de profil, l’arcus RFD peut même se confondre avec le nuage-mur, caché pourtant derrière les précipitations du RFD.

Supercellule HP et Arcus

Sur une supercellule HP, le RFD prend des proportions plus importantes et entoure totalement la zone du courant ascendant principal, rendant souvent invisible le nuage-mur potentiel ou l’éventuelle tornade. Vu de l’extérieur depuis le SO de la supercellule (moteur-droit), la seule chose visible est donc un arcus RFD de grande ampleur qui entoure complètement la zone du pseudo-front froid.

Normalement, si le courant de sortie (outflow) du RFD domine et coupe l’apport en air chaud du courant d’entrée (inflow) en venant rejoindre le FFD, alors il y a des chances que la supercellule meurt. Mais si un arcus RFD est présent, l’apport en air chaud se poursuivra le long de la trajectoire du RFD. Le mésocyclone qui s’est formé au préalable avant que la supercellule ne devienne HP, n’a plus besoin de l’apport en air chaud par le nuage-mur pour s’auto-entretenir localement. Le RFD se substitue au courant ascendant principal en circuit fermé, et l’apport en air chaud, alimentant l’orage dans sa globalité, se fait depuis l’extérieur, via notamment l’arcus RFD (ou arcus FFD, bandes d’afflux, etc).

Une supercellule HP qui fonctionne ainsi en circuit fermé local et en s’alimentant de manière globale tout autour est donc au contraire un signe d’aggravation supérieur de l’orage. Une telle supercellule se trouve dans un état d’équilibre difficile localement, en raison du RFD qui tente de fermer le courant ascendant principal où se trouve le mésocyclone. Mais grâce à l’arrivée d’air chaud venant de l’extérieur depuis la bordure du RFD, un nouveau cycle de mésocyclone peut se produire ailleurs. Un nouveau nuage-mur au SE du premier (pour un moteur droit) peut de nouveau se former, là où le RFD et le pseudo-front chaud se rejoignent. L’ancien nuage-mur qui progresse à l’intérieur du RFD, devient coupé en air chaud et fini par se dissiper. Plusieurs cycles peuvent ainsi se dérouler, parfois même simultanément.

Arcus FFD

La présence d’un arcus le long du FFD est, en revanche, plutôt un signe défavorable au développement de la supercellule. En effet, il témoigne d’un outflow du FFD qui prend le dessus sur l’inflow. Larcus étant le résultat d’un soulèvement de l’air chaud, si celui-ci se soulève le long du FFD, cela signifie que l’air chaud ne fournit plus d’énergie à la supercellule au niveau de la zone principale du mésocyclone. Cela a donc tendance plutôt à déstabiliser l’équilibre de la supercellule.

C’est souvent le cas quand la supercellule arrive en fin de vie et qu’elle se trouve déstabilisée par la propre intensité de l’outflow du FFD qu’elle engendre. Une contrainte sur le storm motion interne de la supercellule peut également provoquer un déséquilibre le long du pseudo front chaud entre FFD et Inflow, ce qui peut déstabiliser la supercellule.

Si le FFD gagne du terrain, un arcus peut alors se former. Cependant, un arcus FFD de faible ampleur peut parfois se confondre avec des bandes d’afflux qui se propagent le long du pseudo-front chaud, en direction de la colonne ascendante principale. Dans ce cas, l’équilibre n’est pas rompu et le pseudo-front devient stationnaire.

Terminologie Satellite

Terminologie Satellite

Onde de Gravité - Gravity Wave

Définition

gravity waveLes ondes de gravité sont constamment présentes dans latmosphère et peuvent être provoquées par divers phénomènes météorologiques. Une onde de gravité est une onde atmosphérique générée par des variations concentriques de la pression de l’air. Tous les orages génèrent des ondes de gravités, mais ils en génèrent de plusieurs types.

Celles que l’on voit par exemple sur des animations satellites infrarouges haute définition sont générées par un forçage diabatique qui se propagent vers le haut. On peut les représenter comme des ronds dans l’eau après avoir jeté un caillou, sauf que le fluide cette fois-ci est atmosphérique. Ces ondes sont créées par les impulsions ascendantes de l’orage, qui provoquent une oscillation du champ de pression (déséquilibre de la force de flottabilité). Autrement dit, la colonne d’air ascendante perturbe la gravité qui s’exerce dans l’air stable tout autour d’elle.

Ces ondes de gravité se propagent vers le haut et dans toutes les directions, elles n’ont donc que peu d’incidence par exemple sur l’initiation convective. Mais les ondes de gravités peuvent être piégées sous une couche stable et se propager à grande distance de l’orage. Cela peut mener à un nouveau « forçage » qui peut activer ou organiser la convection à un autre endroit, souvent de manière discrète (au sens mathématique). En effet, une onde de gravité est une énergie potentielle, mécanique, qui peut être utilisée pour forcer l’effet de couvercle (forte CIN) et constituer l’amorce nécessaire au développement d’un orage. Les ondes de gravités peuvent ainsi constituer une perturbation suffisante dans certains cas pour soulever une masse d’air jusqu’au niveau de convection libre. Et pourquoi pas, initier une supercellule loin de la ligne de convergence principale qui a enclenché l’onde de gravité.

Ondes CISK

Chaque crête de vague provoque une convergence. Cependant, une onde de gravité se propage aussi bien horizontalement qu’obliquement, ce qui dissipe la plupart du temps leur énergie. De plus, les impulsions ascendantes successives génèrent des ondes de gravités qui se gênent entre elles, rendant leur propagation chaotique et inefficace pour créer de la convergence convective. Cette convergence est donc généralement peu efficace.

Mais lorsque des ondes de gravités rentrent en oscillation avec l’orage qui l’a créé (ascendance de même fréquence que la crête d’une onde), elles permettent une boucle de rétroaction positive qui auto-entretient l’orage. Ces ondes de gravité sont appelées ondes CISK (« Conditional Instability of the Second Kind ») et permettent notamment d’expliquer parfois l’intensification des cyclones tropicaux. Il existe également une interaction entre les ondes de gravités et le mésocyclone qui permet d’intensifier leur vitesse de rotation.

Panache de Cirrus - Cirrus Plume

Définition

cirrus plumeCertaines supercellules forment à leur sommet un « panache de cirrus » appelé aussi « cirrus sauteur » (cirrus plume / jumping cirrus), situé au-dessus du sommet pénétrant. Le terme scientifique est « Above Anvil Cirrus Plume » ou AACP. Ce panache de cirrus est facilement identifiable sur les images satellites du canal visible car il projette son ombre sur le sommet nuageux. De même, sur les images satellites infrarouges, on les repère par des sommets nuageux plus chauds au-dessus des sommets froids de l’enclume, comme sur l’animation ci-dessus (Enclume autour de -65 °C (bleu) /  AACP autour de -55 °C (jaune)).

Les cirrus sont formés par linjection stratosphérique de matériel nuageux près du sommet pénétrant. Cela est provoqué par des ondes de gravité générées par la colonne ascendante. De plus, le vent relatif proche de la tropopause doit être important, qui permet un déferlement fréquent d’ondes de gravité ou un étirement rapide du sommet pénétrant.

Orage Violent

Des études ont montré que les orages avec panache de cirrus étaient très souvent liés à des orages violents (grêle géante et tornade). Les études actuelles n’ont pas encore permis d’élucider les mécanismes conceptuels qui permettent de mettre en relation temps violent et panache de cirrus. Cependant, leur présence est un élément facilement identifiable qui permet de prévoir le risque d’orage violent à moindre frais, en particulier pour les pays ne disposant que de peu de moyens techniques radars. Voici quelques caractéristiques : 

  • Les AACP sont communs sur les orages violents et sont typiquement générées sur une période de 1 à 2 h.
  • Les orages avec AACP produisent 2,5 fois plus de temps violent que les orages sans AACP (sur une base par orage violent), bien qu’elles représentent moins de 10 % des orages qui se produisent lors d’événements violents.
  • La grande majorité (> 86 %) des épisodes significatifs de grêle et de tornade et la majorité de tous les événements de grêle et de tornade importants (> 63 %) sont associés aux orages avec AACP.
  • Les AACP se produisent généralement environ 20 minutes ou plus avant les phénomènes météorologiques violents.
  • L’utilisation des ACCP augmente de presque 100 % les performances d’avertissements des organismes météos (NWS) pour les rapports de grêles violentes.
  • Quasiment la moitié des orages avec AACP sont des supercellules et pratiquement 75 % des supercellules génèrent des ACCP (aux USA).

Annexes

Annexes

Bibliographie

  • Agee E & Snow J.T : Multiple Vortex Features in the Tornado Cyclone and the Occurrence of Tornado Families, ResearchGate, 1976
  • Coleman T.A : The Interactions of Gravity Waves with Mesocyclones: Preliminary Observations and Theory, AMS, 2008
  • Fiedler B : Suction Vortices, Spiral Breakdown and Multiple Vortices in Tornadoes, University of Oklahoma, 2007
  • Giaiotti D.B : Atmospheric Convection: Research and Operational Forecasting Aspects, CISM, 2007
  • Homeyer C.R : On the Development of Above-Anvil Cirrus Plumes in Extratropical Convection, AMS, 2017
  • Horstmeyer S : Occluding Mesocyclones – Evidence from the El Reno, OK Tornado – Part II Radar, Inside The Forecast, 2013
  • Mersereau D : How Do You Spot a Tornado Using Weather Radar, The Vane, 2013
  • Nowotarski C.J & Markowski P.M & Richardson Y.P : Supercell Low-Level Mesocyclones in Simulations with a Sheared Convective Boundary Layer, OpenSky UCAR, 2015
  • Potts S.L & Agee E : Multiple vortex phenomena in thunderstorms and tornadoes: Three scales for multiple vortices, AMS, 2002
  • Tamás P.M : Supercell and non-supercell thunderstorms comparison of lightning activity, Eötvös Loránd University, 2021
  • Tanamachi R.L : Observations of ZDR Columns in Supercells in 2019 by a Mobile, Dual-Polarized, Phased-Array Radar, Purdue University, 2020
  • Shi J : Radar-Based Automatic Identification and Quantification of Weak Echo Regions for Hail Nowcasting, Atmosphere, 2019
  • Shultz D.M & Kanak K.M & Straka J.M : The Mysteries of Mammatus Clouds: Observations and Formation Mechanisms, Journal of the Atmospheric Sciences, 2006
  • Wurman J : The Multiple Vortex Structure of a Tornado, University of Oklahoma, 2002
  • Zhang G & Mahale V.N & Putnam B.J : Current Status and Future Challenges of Weather Radar Polarimetry: Bridging the Gap between Radar Meteorology/Hydrology/Engineering and Numerical Weather Prediction, Advances in Atmospheric Sciences, 2019

Autres

  • COMET Program, Bureau of Meteorology – Australia, Radar Signatures for Severe Convective Weather
  • EUMeTrain : Sandwich products – satellite imagery visualisation technique
  • National Weather Service : Dual-Pol Applications
  • NOAA – NSSL : Interpretation of Doppler Velocity Patterns Within Convective Storms
  • Satellite Liaison Blog : GOES-R & JPSS: The Future of Weather Satellites
  • The University of Arizona : Department of Hydrology and Atmospheric Sciences : A more detailed and quantitative consideration of organized convection: Part III – Supercell thunderstorms
  • Tim Vasquez’s Forecast Lab : December 10, 2021 – Arkansas – Kentucky tornado outbreak radar animation
  • Twitter : Cappucci M – radar images
  • UCLA – Atmospheric & Oceanic Sciences : Radar N0X Interpret 
  • University of Illinois : Evolution of Tornadic Supercell
  • Weather.gov : Spotters Guide 2011
  • Divers : American Meteorological Society, AMS : Glossary of Meteorology, NOAA National Severe Storms Laboratory, NOAA Storm Prediction Center, U.S. National Weather Service, Wikipedia
  • Imageries : Infoclimat, Météociel, Météo-France, NWS

Remerciements

  • Valerian Jewtoukoff, pour ses relectures, commentaires et explications techniques
  • Claire BELLIARD, pour ses corrections orthographiques et syntaxiques
  • Dean Gill, Jeff Wallace, pour leurs photos / vidéos

Les images non signées sont sous licence « Creative Commons »

Article écrit en 2022/2023

Copyright : Damien BELLIARD – www.meteobell.com

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