Observatoire français des tornades et orages violents

Les épisodes orageux qui se mettent en place à l'avant et/ou au passage d'un front froid constituent le scénario habituel des dégradations orageuses organisées en France, notamment au printemps et en été. Ce cas de figure, qui s’étale généralement sur un ou deux jours, constitue le scénario le plus dynamique parmi les situations propices aux orages sur notre territoire, et il est dès lors pourvoyeur d'orages parfois violents.

Dans ces situations (pré-)frontales, un thalweg plus ou moins creux aborde habituellement le pays par l’Atlantique, induisant un flux de sud-ouest en altitude et la remontée, depuis l'Espagne ou la Méditerranée, d'une crête barocline de thêta élévées (advections d'air d'origine tropicale chaud et humide en basses couches). Ordinairement, en altitude, le flux est rapide et divergent, en sortie gauche et/ou en entrée droite des différentes branches du courant-jet qui précèdent l’arrivée d'une anomalie de tropopause. Au même moment, près du sol, un ou plusieurs axes de convergence des vents se mettent généralement en place au sein de l’advection chaude, en lien avec l’apparition de creusements dépressionnaires secondaires à quelques centaines de kilomètres à l'avant du front froid. Les orages se développent alors préférentiellement au niveau de ces lignes de convergence (ou sur la limite frontale elle-même), notamment lorsqu'elles entrent en phase avec les noyaux de divergence du courant-jet qui circule en altitude.
D’abord sous forme de cellules isolées de forte intensité et grêligènes, pouvant se structurer en supercellules, les orages tendent ensuite à s’organiser en systèmes convectifs de méso-échelle (MCS) parfois très pluvieux et venteux, qui peuvent parcourir plusieurs centaines de kilomètres, généralement des Pyrénées et du littoral Atlantique vers le Centre, le Nord - Pas de Calais et la Lorraine. Typiquement, la convection s’enclenche en cours d’après midi sur le Sud-Ouest ou le Massif Central, s’organise ensuite en MCS en soirée avant d’évacuer les frontières du nord-est en cours de nuit.

Les orages peuvent être parfois particulièrement violents dans ces situations, car ils bénéficient d'une forte instabilité (parfois plus de 2500 J/kg) et d'un environnement fortement cisaillé (cisaillements profonds parfois supérieurs à 20 ou 30 m/s, plus de 200 à 300 m²/s² d’hélicité relative 0-3 km).
C’est dans ces situations que l’on rencontre ainsi la majorité des grêlons géants, des tornades mésocycloniques ou encore une activité électrique produisant plusieurs dizaines de milliers d’impacts de foudre en quelques heures.

Même si les fronts froids sont les principaux pourvoyeurs d'orages, il n'est pas rare que des fronts ondulants puissent être aussi associés à une activité orageuse durable et très pluvieuse. Certains fronts chauds instables peuvent également produire des orages, même s'il s'agit plus souvent d'orages d'étage moyen peu sévères.

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>>> La situation du 30 août 2017 est caractéristique des dégradations orageuses préfrontales et frontales estivales. On remarque, sur la carte de gauche, l'enfoncement d'un thalweg d'altitude sur le proche Atlantique et, conséquemment, le positionnement d'une branche de jet sur la France. Les vents les plus forts, de secteur SSO et supérieurs à 150 km/h à 250 hPa (vers 10.000 mètres d'altitude), s'étirent des Pyrénées aux Hauts-de-France. Ils contribuent à accentuer le cisaillement des vents et à favoriser une bonne organisation des cellules orageuses. Dans les basses couches, les vents de secteurd sud à sud-ouest advectent jusqu'au nord du pays de l'air chaud et humide en provenance des latitudes tropicales (carte de droite), accentuant ainsi l'instabilité et fournissant le carburant nécessaire à l'alimention pérenne des systèmes orageux.

Très courante au cœur de l’été, cette situation se caractérise par des flux souvent anarchiques en surface et/ou en altitude, et par la faiblesse des forçages dynamiques.

Dans ce scénario, la convection profonde est essentiellement enclenchée par des forçages dits de basses couches (typiquement des zones de convergence des vents de surface ou le soulèvement induit par l’orographie). Ces orages, généralement assez brefs, peuvent toutefois s’avérer durables si un léger flux en altitude parvient à séparer les courants descendants et ascendants des cellules. Les orages peuvent alors durer autant de temps qu’ils sont alimentés en air chaud et adopter un comportement à pulsations. C’est généralement dans ces configurations, où le réchauffement diurne est maximal, que l’on retrouve de très fortes valeurs de CAPE (parfois plus de 3000 J/kg), notamment si des traces d'air froid circulent conjointement en altitude (a fortiori en cas de goutte froide). C’est aussi la situation la plus pérenne dans le temps, puisqu’elle peut se reproduire plusieurs jours d’affilée, tant que les conditions synoptiques n’évoluent pas.

Les orages de marais barométrique se développent typiquement en cours d'après-midi, et se dissipent progressivement en fin de soirée et début de nuit. Les plus actifs d'entre eux peuvent produire des lames d'eau sévères, en raison de la faible mobilité des cellules orageuses dans cette configuration.

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>>> La situation du 22 mai 2018 est un exemple typique de cette configuration de marais barométrique avec goutte froide. Le champ de pression au sol (carte de gauche) est faiblement dépressionnaire et surtout très lâche sur l'ensemble de la France (les isobares sont peu serrées). Ce flux anarchique est surplombé en altitude par une circulation close d'air froid (goutte froide), pointée ici à -20°C à 500 hPa (soit vers 5.500 mètres d'altitude). Cette dernière accentue l'instabilité de la masse d'air et favorise les mouvements verticaux, d'où une situation propice aux orages d'évolution diurne, parfois très pluvieux compte tenu de la faiblesse des vents à tous les niveaux.

Les épisodes méditerranéens répondent à une configuration spécifique aux régions qui s'étirent des Pyrénées-Orientales et de l'Aude jusqu'à la moyenne vallée du Rhône et aux Alpes-Maritimes.

Au printemps, et plus fréquemment à l’automne, des gouttes froides d’altitude « décrochent » vers la péninsule Ibérique. A l’avant, la dynamique d’altitude devient alors parfois intense au-dessus du bassin méditerranéen occidental en même temps que de l’air chaud, très humide et instable afflue du large vers le littoral méditerranéen. Des systèmes orageux très peu mobiles et générant d’intenses précipitations se développent alors et peuvent durer des heures durant, tant que l’ensemble des éléments nécessaires à leur maintien est réuni.

Le relief joue un grand rôle dans ces situations, en permettant la formation continuelle, par soulèvement orographique, de nouvelles cellules orageuses. Les Corbières, la Montagne Noire, l'ensemble des Cévennes et les reliefs du Var ainsi que des Alpes-Maritimes peuvent alors concentrer durablement une activité orageuse diluvienne et très électrique. Des cumuls de précipitations supérieurs à 400 mm peuvent être enregistrés en moins de 24h dans de telles configurations, avec pour conséquence des inondations parfois catastrophiques.

Ces puissants orages sont par ailleurs régulièrement associés à des développements orageux périphériques, qui affectent les plaines et le littoral languedocien en adoptant parfois des structures supercellulaires. Il n'est pas rare d'y observer de la grêle et des tornades.

Les épisodes orageux méditerranéens sont régulièrement précédés, pendant quelques heures voire une journée entière, par des pluies continues faibles à modérées et peu ou pas orageuses, notamment sur les hauteurs des Cévennes. D'où la dénomination d'"épisode cévenol" pour désigner cette phase préliminaire de certains épisodes méditerranéens.

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>>> La situation du 23 octobre 2019 est un exemple typique de configuration génératrice d'épisode méditerranéen. On note en particulier l'isolement d'un minimum dépressionnaire d'altitude sur la péninsule ibérique (à gauche), qui pilote un rapide flux cyclonique de l'Algérie aux Baléares puis au Golfe du Lion. Dans le même temps, au sol, une dépression se creuse entre les Baléares et la Catalogne (à droite) ; elle produit un axe de vents forts qui s'étire de la Libye et de la Sardaigne jusqu'aux côtes méditerranéennes françaises, où il vient buter sur les reliefs des Corbières et des Cévennes. Ces vents très soutenus assurent une forte convergence entre Roussillon et Languedoc et alimentent les orages en air chaud et humide.

On désigne par traîne le régime de temps qui fait suite au passage d'un front froid. Elle se manifeste concrètement par un ciel généralement variable, composé de cumulus ou de cumulonimbus séparés par des éclaicies parfois larges. L'activité de la traîne peut varier : il arrive que les cumulus soient de faible dimension et ne produisent que peu voire pas d'averses ; à l'inverse, la traîne peut être très chargée et instable, avec de nombreux développements cumuliformes et de fréquentes averses, parfois orageuses. On parle alors de "traîne active".

L'instabilité associée à ces ciels de traîne est la conséquence d'une irruption d'air froid dans les étages moyens de la troposphère (entre 3000 et 6000 mètres d'altitude typiquement). Les traînes constituent ainsi un cas typique d'instabilité de masse d'air froid, à l'inverse des trois situations détaillées plus haut. Même si l'instabilité est plus faible dans ces situations de masse d'air froid que dans les situations frontales, méditerranéennes ou de marais barométrique, on peut observer ponctuellement des valeurs de MUCAPE proches de 1000 J/kg lorsque les advections froides en altitude sont importantes (parfois jusqu’à -35 ou -40°C à 500 hPa) et qu’elles se superposent à des basses couches réchauffées par quelques heures d’ensoleillement. Il en résulte des grains parfois violents, producteurs d'impacts de foudre positifs destructeurs, de fortes rafales de vent, de chutes de grésil ou de petite grêle, ainsi que de tornades.

Des fronts secondaires organisés en systèmes rectilignes (lignes de grains) ou à tendance arquée (structures type Comma Cloud) peuvent également prendre naissance entre deux masses d'air froid, au sein de la traîne. De fortes rafales de vent accompagnent souvent ces structures convectives de méso-échelle.

Cette configuration est susceptible de se produire toute l’année, mais elle se rencontre préférentiellement en saison froide, soit d'octobre-novembre à mars-avril. Les traînes sont ainsi responsables de la quasi-totalité de l’activité orageuse hivernale.

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>>> La situation du 11 janvier 2016 présente un exemple typique de traîne active. On note ce jour-là la présence d'un puissant flux d'ouest depuis l'Atlantique jusque sur l'Europe, avec des vents supérieurs à 250 km/h au coeur du courant-jet (carte de gauche). Ces vents violents véhiculent en altitude de l'air très froid, venu des latitudes polaires (carte de droite), avec des températures à 500 hPa (soit vers 5.500 mètres d'altitude) qui descendent progressivement sous les -30°C par le nord-ouest de la France. De nombreuses averses, accompagnées de fréquents orages très actifs et venteux, ont balayé notamment la moitié ouest de la France ce jour-là.

>>> Comma Cloud
Littéralement "nuage en forme de virgule", un comma cloud désigne une structure nuageuse d'échelle synoptique identifiable sur les images satellite sous la forme d'une virgule ou d'un semi-arc. On les observe ordinairement en saison froide, lorsqu'un front froid secondaire très actif s'organise sur le bord d'attaque de fortes advections froides à l'étage moyen. La forme en virgule trahit un début d'enroulement du système nuageux autour d'un minimum dépressionnaire. Ce type de structure nuageuse est régulièrement associé à des averses orageuses organisées en ligne de grains, susceptibles d'être particulièrement venteuses.

>>> Épisode convectif
On parle d'épisode convectif pour désigner une période de temps perturbé dont les manifestations sensibles (fortes averses, orages,...) sont en majorité liées à un état instable de l'atmosphère.

>>> Spanish Plume
Cette expression désigne la configuration synoptique classique des offensives orageuses estivales de grande échelle en Europe de l'ouest en général, et en France en particulier. On parle de Spanish Plume lorsque l'air chaud des hauts plateaux espagnols remonte vers la France dans un flux de sud-ouest piloté par un thalweg approchant lentement par l'Atlantique. Cette arrivée d'air chaud dans les basses couches de l'atmosphère s'accompagne typiquement du développement d'un marais barométrique dépressionnaire voire même du creusement d'une dépression secondaire sur la France (parfois issue de la dépression thermique espagnole), surplombée par un courant-jet de sud-ouest en haute troposphère. L'ensemble crée une configuration propice à des orages organisés et parfois forts, grâce à la conjonction d'une forte instabilité verticale et de forçages synoptiques nombreux.