Observatoire français des tornades et orages violents

Définition et formation d'une tornade

Qu'est-ce qu'une tornade ?

D'une manière générale, une tornade se définit comme un violent tourbillon de vent d'axe vertical, qui relie le sol à la base d'un nuage cumuliforme (Cumulonimbus) sous une forme qui s'apparente à celle d'un entonnoir, et qui est ordinairement rendu visible par la condensation de la vapeur d'eau en son sein ("tuba") et par les débris soulevés par le vent ("buisson").

Même si l'aspect visuel d'une tornade (colonne nuageuse en forme d'entonnoir) permet généralement d'identifier le phénomène, la tornade se définit avant tout comme un vent rotatif. Son aspect visuel est secondaire, et il peut d'ailleurs être très variable ; ainsi par exemple, il est relativement fréquent que le corps de la tornade ne soit pas entièrement condensé et que l'impression visuelle se limite à une excroissance nuageuse (tuba) qui demeure éloignée du sol, avec un buisson concomitant au niveau du sol. Ce n'est donc pas la présence d'une colonne entièrement condensée qui définit la tornade.

Par ailleurs, la définition générale implique que le vent rotatif soit "violent" pour parler de tornade. Ce caractère violent est unanimement repris dans les définitions américaines ou européennes, et permet d'exclure les rotations faibles du champ des tornades. De fait, l'existence d'un mésocyclone - et a fortiori d'un tuba - implique généralement la présence d'une colonne de vents rotatifs jusqu'au sol, même à des vitesses très faibles et donc peu perceptibles comme tels sur place. Il ne suffit donc pas qu'un vent rotatif soit identifié entre le sol et une base nuageuse pour que l'on parle de tornade : il faut que cette rotation soit "violente".

Dès lors, Keraunos a retenu les critères suivants pour définir une tornade de manière opérationnelle :

* présence d'un tourbillon de vent d'axe vertical reliant le sol et la base d'un nuage cumuliforme ;
* ce tourbillon doit être suffisamment intense pour produire des dommages au sol ;
* si aucun dommage au sol ne peut être identifié, on parlera de tornade si les deux conditions visuelles suivantes sont remplies : présence d'un tuba aux contours lisses et présence d'un buisson au niveau du sol.

Les phénomènes en rotation qui ne remplissent pas ces critères sont classés, selon les cas, en tornade très probable ("liste 2") ou en autres phénomènes tourbillonnaires (tubas, tourbillons de poussière, gustnado,...).

Les principes de classement et d'analyse des cas de tornades sont détaillés dans cette page (cf. la section dédiée aux critères de validation).

Ci-dessous, tornade à Seysse (31) le 29 avril 2012 :


 

Comment se forme une tornade ?

On entend souvent dire que les tornades se forment suite à la rencontre brutale entre de l'air chaud et de l'air froid. Cette simplification est abusive et n'explique pas le processus de formation des tornades : sous nos latitudes tempérées, des masses d'air froid et des masses d'air chaud se confrontent en permanence, sans que pour autant nous ayons à déplorer des tornades chaque jour. Même s'il demeure un certain nombre de mystères relatifs à la naissance d'une tornade, les principaux mécanismes à l'œuvre sont désormais connus. 
Dans tous les cas, la tornade se forme sous le courant ascendant d'air chaud d'une cellule convective et résulte du redressement à la verticale de tourbillons d'axe horizontal présents dans l'environnement. Ces tourbillons d'axe primitivement horizontal sont la conséquence d'un cisaillement des vents dans l'atmosphère (changement de direction et de vitesse du vent avec l'altitude). Dès lors, les éléments nécessaires à la formation d'une tornade sont : un cisaillement des vents et une instabilité atmosphérique. Sur cette base commune, on distingue deux principaux modes de formations.
 

Les tornades mésocycloniques

Ces tornades sont issues d'une rotation d'ensemble de la colonne d'air ascendant qui alimente l'orage (mésocyclone). Cette rotation d'ensemble est imprimée par le redressement à la verticale des tourbillons d'axe horizontal générés par le cisaillement vertical des vents, et constitue dans les couches moyennes de l'atmosphère un meso-vortex d'un diamètre moyen d'une dizaine de kilomètres. 
Ce tourbillon vertical ne suffit néanmoins pas à donner naissance à une tornade, ce qui explique d'ailleurs qu'une majorité de supercellules ne génèrent pas de tornade. Ainsi, pour entrer en phase tornadique, le tourbillon vertical déjà constitué à l'étage moyen est indispensable, dans la mesure où il distribue favorablement les flux convectifs et organise un courant descendant décalé par rapport au courant ascendant. Néanmoins, s'il est nécessaire, ce mésocyclone de l'étage moyen n'est pas suffisant et doit être doublé par un mésocyclone en basses couches, généralement situé entre 1 et 2 km d'altitude. C'est ce dernier qui va permettre à la rotation de s'accélérer et de se concentrer en un tourbillon de quelques centaines de mètres de diamètre. 
La génération de ce mésocyclone de basses couches résulte de l'interaction et de la mise en phase entre la rotation imprimée par le mésocyclone des couches moyennes et le courant descendant d'air froid de l'orage, qui va produire près du sol un fort tourbillon horizontal par effet barocline (renforcement du gradient horizontal de température). 
Ce tourbillon horizontal basculera efficacement à la verticale grâce à la proximité des fortes ascendances convectives. C'est ainsi quand la circulation supercellulaire est à maturité que le mésocyclone de basses couches se constitue en renfort du mésocyclone de l'étage moyen, avec un décalage latéral du côté de l'interface avec les courants descendants. 
La supercellule entre alors en phase tornadique : la circulation rotative étant en équilibre cyclostrophique, la quasi-totalité de l'air circulant autour de la tornade en formation est contraint de s'y engouffrer par le bas. Pour peu que le mésocyclone soit stable, le mécanisme s'emballe et, par conservation du moment cinétique, la circulation se concentre en s'accélérant en un tube qui gagne rapidement vers le sol. La tornade se forme alors, et concentre ses vents les plus intenses dans les 2 à 300 mètres les plus proches du sol.

 

Les tornades non-mésocycloniques

Alors qu'une tornade issue d'un mésocyclone résulte d'une rotation en profondeur de l'atmosphère, une tornade non-supercellulaire ne met en jeu que les plus basses couches atmosphériques. Dès lors, les tornades non-mésocycloniques présentent une durée de vie courte et une intensité faible à modérée, qui ne peut prétendre excéder le niveau EF2 que dans de très rares cas. 
Elles ne sont pas néanmoins à négliger, dans la mesure où elles représentent la majorité des cas de tornades. Ces tornades se forment dans la phase de développement d'un nuage convectif, sans nécessité d'une interaction avec un courant descendant, par exploitation d'un misocyclone induit par des discontinuités de surface associées à une forte convergence en basses couches (front de brise par exemple). 
En résumé, ces tornades se forment lorsqu'une forte convection s'enclenche en aplomb d'un misocyclone (circulation rotative d'un diamètre inférieur à 4 km), ce dernier étant généré par une discontinuité de basses couches.
 

A quoi cela ressemble ?

Visuellement, une tornade en formation se manifeste sous la forme d'un appendice qui se constitue sous la base du nuage d'orage. Ce petit appendice (tuba) prend progressivement de l'ampleur et commence à se prolonger en direction du sol. Généralement, dans le même temps apparaît au niveau du sol un début de buisson, c'est-à-dire un soulèvement de poussières. Ce dernier indique que le tourbillon de vent se prolonge jusqu'au sol : la tornade est formée. 
Le plus souvent, dans les secondes qui suivent, la jonction entre le sol et la base du nuage orageux devient visible, sous la forme d'un entonnoir continu. Son apparence varie alors de façon importante au cours de sa brève durée de vie et peut aller d'un fin cordon tortueux et incliné à une massive tornade large et verticale. 
Les tornades les plus intenses se présentent généralement sous la forme d'une colonne relativement courte et parfaitement verticale. Néanmoins, ce ne sont pas les tornades les plus larges qui sont nécessairement les plus violentes : il n'est pas rare que les tornades de forte intensité n'excèdent pas 200 à 300 mètres de large, alors que certaines tornades de plus d'un kilomètre de diamètre ont déjà été classées d'intensité EF1. 
L'extension verticale de la tornade dépend étroitement de la hauteur de la base de nuage d'orage. Néanmoins, quelle que soit la hauteur de la base du nuage, la rotation s'étend depuis le sol jusqu'aux niveaux moyens de la cellule orageuse (du moins dans le cas des supercellules) ; on peut donc considérer qu'une tornade implique ordinairement une rotation sur 4 à 6 km de hauteur, même si seuls quelques centaines de mètres en sont visibles sous le nuage d'orage. 
Une tornade se dissipe soit par défaut d'instabilité (affaiblissement des ascendances) soit si elle est confrontée à un environnement qui n'assure plus une convergence et une rotation suffisantes. Généralement, une tornade se dissipe lorsque la cellule orageuse à laquelle elle est associée entre dans une phase dominée par la subsidence (renforcement des courants descendants et destruction de leur équilibre avec les ascendances).