La prévision des orages violents est la partie de la météorologie d'exploitation qui tente de prévoir le développement, l'intensité, le type de danger et les zones affectées par les orages pouvant donner de la grosse grêle, des vents destructeurs, des tornades et des pluies torrentielles.

La tâche du météorologue est d'appréhender tout d'abord comment se développe un orage violent, puis d'analyser le potentiel actuel et futur de l'orage au-dessus des régions sous sa responsabilité et enfin d’appliquer des techniques diagnostiques et des simulations informatiques pour prévoir leur développement. Suivre l'évolution des orages implique divers moyens, allant du signalement par un observateur local jusqu'à des systèmes de télédétection comme le radar météorologique. Les populations doivent aussi être alertées, au moyen de bulletins diffusés par les médias et les autorités locales lorsque les orages s'approchent des seuils de développement violent.

Histoire du développement de la prévision

Au-delà du folklore des oracles de l'Antiquité, la recherche pour prédire la formation des orages se développa à partir de la Renaissance par des observations. Par exemple, un fidèle adepte de la prise de données météorologiques, le gouverneur britannique John Winthrop, écrivit dans ses notes de juillet 1643, qu’un soudain coup de vent dans le nord-est du Massachusetts et sur la côte du New Hampshire déracina des arbres, remplit l’air de poussières, souleva un édifice public de Newbury et tua un amérindien... Même si cette description pourrait être reliée à une rafale descendante ou à une ligne de grain, elle pourrait être le premier signalement dans l’histoire d’une tornade. En juillet 1759, à la suite d’une terrible tornade passant à Leicester, Massachusetts, un descendant du gouverneur Winthrop écrivit : .

Cependant, les tentatives de compréhension de ces phénomènes et le développement de techniques de prévision ne se sont pas arrêtées à ces premières constatations. Les recherches en météorologie, ainsi que les travaux sur l'explication des orages, devinrent plus systématiques à partir du . Dans les années 1880, le Corps des signaux de l’armée américaine était chargé du service météorologique naissant des États-Unis.. L'officier John Park Finley fut la première personne à s'intéresser de près aux tornades et à proposer que la topographie des Grandes Plaines américaines était la plus propice à la rencontre de masses d'air très différentes qui contribue à leur formation. Il organisa une équipe de plus de pour documenter tous les cas de tornades sur le centre et l’est des États-Unis. Ceci a permis d'établir différentes conditions (ou configurations) favorables à la génération d'orages avec tornades. Il a ainsi reconnu la présence d'un creux barométrique allongé en cas d'orages violents produisant les tornades..

Présence d'une zone de basse pression bien définie ; Progression lente de la dépression avec déplacement vers le nord de la zone chaude et humide dans le quadrant sud-est ; Orientation nord-sud ou nord-est à sud-ouest d’un creux barométrique ; La descente d'un anticyclone bien marqué à l'arrière de la dépression ; Gradients de température élevés ; Augmentation de la vitesse des vents dans les quadrants sud-est, sud-ouest et nord-ouest de la dépression ; Courbe vers le nord des isothermes dans le quadrant sud-est et la partie est du quadrant sud-ouest de la dépression ; Courbe vers le sud des isothermes dans le quadrant nord-ouest et la partie nord du quadrant sud-ouest ; Fort gradient de température entre les maximums des courbes de température opposées ; Augmentation de l’humidité élevée dans le quadrant sud-est de la dépression ; Vérification de la fréquence climatologique de tornades dans la zone visée ; Vérification de l'occurrence de tornades selon le mois de l'année ; Les tornades se produisent fréquemment par groupes ayant des trajets parallèles, à quelques kilomètres les uns des autres ; Les tornades se produisent toujours dans le quadrant sud-est d'une dépression située à plusieurs kilomètres au sud-est de son centre ; Courbe orientale dans les quadrants sud-ouest et nord-ouest d'une ligne séparant les vents de surface nord et sud de la dépression.

Finley et le Corps essayèrent ensuite de faire les premières prédictions en suivant ces règles. La précision des données n'étant pas satisfaisante, le Weather Bureau, qui succéda au Corps, décida que les météorologistes à la prévision des orages ne devaient pas mentionner la possibilité de tornades dans leurs alertes météorologiques d'orages violents mais continuèrent à utiliser les règles. Cette décision n'a été levée qu'en 1938.

Avec la naissance de l’aviation, la recherche des conditions nécessaires à la formation de tornades et d'orages violents fut remise à l’ordre du jour dans les années 1920 et 1930. Le développement du radiosondage commença à donner plus d’informations sur la structure verticale de l’atmosphère ce qui permit de reconnaître les facteurs thermodynamiques et les déclencheurs synoptiques d’altitude nécessaires au déclenchement des nuages convectifs. Ces informations ont été rassemblées et interprétées par des chercheurs comme A. K. Showalter et J. R. Fulks aux États-Unis. En utilisant ces travaux ainsi que leurs propres observations, les officiers météo E. J. Fawbush et R. C. Miller, de la base aérienne Tinker (Tinker Air Force Base) de la US Air Force à Oklahoma City, ont pu prédire pour la première fois avec succès l’occurrence d’une tornade sur la base le en soirée..

Depuis, la recherche mondiale en météorologie a permis de mieux comprendre les orages et la façon de les prévoir.. La venue des modèles de prévision numérique du temps a permis de simuler le comportement de l'atmosphère à une échelle de plus en plus fine (c'est-à-dire précise) et la résolution des modèles actuels s'approche de celle des orages (moins de de diamètre). Les modèles permettent également de produire des algorithmes qui donnent une idée du potentiel violent des orages. La prévision reste cependant encore une interaction entre les données informatiques et l'expérience du météorologiste.

Analyse et repérage du potentiel d’orages violents

Le météorologue travaillant à la prévision des orages violents, aussi appelé prévisionniste., doit évaluer les éléments qui favorisent le développement des orages. Il doit ensuite estimer l’intensité de ces données tant du point de vue thermodynamique que de celui des déclencheurs dynamiques afin de déterminer les régions où ces paramètres atteignent des niveaux critiques pouvant causer des dommages. Ce travail suit essentiellement la même technique que Fawbush et Miller de 1948 mais avec des éléments plus récents sur la combinaison des différents déclencheurs pour déterminer le type de phénomène violent susceptible de se produire. Ces derniers éléments sont tirés des recherches en modélisation des orages.

Formation des orages Thermodynamique

Les nuages convectifs se forment dans une masse d’air instable où il y a disponibilité de chaleur et d’humidité à bas niveau et de l’air plus sec et froid en altitude.. Une parcelle d’air qu’on soulève diminue de température et de pression avec l’altitude selon la loi des gaz parfaits (). est la masse volumique de l'air, où Cp et Cv sont respectivement les capacités calorifiques à pression constante et à volume constant de l'air. Dans une atmosphère instable, elle atteint un niveau où elle devient plus chaude que l’air environnant : le « niveau de convection libre » (NCL).. Elle subit alors la poussée d'Archimède et s’élève librement jusqu’à ce que sa température soit de nouveau en équilibre avec la température environnante.

Quand la parcelle d'air s’élève, elle se refroidit jusqu’à son point de rosée, à un niveau appelé « niveau de condensation par ascension » (NCA) et la vapeur d'eau qu’elle contient commence à se condenser. Ce niveau peut être atteint avant ou après le NCL. La condensation libère une certaine quantité de chaleur, la chaleur latente, fournie à l’eau au moment de son évaporation. Il en résulte une diminution notable du taux de refroidissement de la masse d’air ascendante, ce qui augmente la différence de température entre la parcelle et l’environnement, et accroît ainsi la poussée d’Archimède. La base du nuage convectif se situera au NCA alors que son sommet sera au niveau d’équilibre ou légèrement plus haut à cause de l’inertie de la parcelle.

Ce mouvement ascendant, appelé convection libre, est un processus libérateur d’énergie : l’énergie potentielle (énergie potentielle de convection disponible) emmagasinée dans l’atmosphère instable se transforme en énergie cinétique de déplacement. On obtient des orages quand l’énergie cinétique libérée permet d’atteindre au moins une altitude où la température est sous alors qu’elle est au-dessus de zéro près du sol. En effet, le mouvement des gouttelettes de nuages et de précipitations permet d’arracher des électrons par collision. Ceci est plus efficace lorsque les gouttelettes se changent en glace, ce qui statistiquement est plus probable à des températures inférieures à . Le transport de charges crée une différence de potentiel électrique entre la base et le sommet du nuage, ainsi qu’entre le nuage et le sol ce qui donnera éventuellement de la foudre.

Bouchon

Une atmosphère instable comporte souvent une zone d’inversion de température, c’est-à-dire une mince couche d’air où la température augmente avec l’altitude. Ce phénomène inhibe temporairement la convection atmosphérique... Une parcelle d’air s’élevant à travers cette couche sera plus froide que l’air qui l’entoure et aura tendance à être repoussée vers le bas. L’inversion est donc très stable, elle empêche tout mouvement ascendant et rétablit l’équilibre. L’énergie nécessaire pour vaincre cette inversion est appelée énergie d'inhibition de la convection.

Un tel bouchon peut se former de différentes façons. : subsidence d'air en altitude qui se réchauffe adiabatiquement en descendant, advection d'air chaud en altitude (dit panache d'air chaud), mince front froid au sol qui s'insinue sous une masse d'air chaud ou refroidissement nocturne de l'air près de la surface. Il peut aussi se créer un inversion de densité de l'air par la variation de l'humidité relative dans la verticale qui agit comme un bouchon.

Au cours de la journée, lorsque le sol est chauffé par le soleil, l’air emprisonné sous cette inversion se réchauffe encore plus et peut également devenir plus humide du fait de l’évaporation. Si la zone d’inversion est localement érodée par des mélanges avec la couche inférieure ou si des phénomènes à grande échelle la soulèvent en bloc (front froid ou front de point de rosée. par exemple), la couche de surface devenue très instable jaillit violemment à certains endroits.. L’air à la surface du sol s’écoule alors horizontalement vers ces points d’éruption et forme de hauts nuages d’orage.

Déclencheurs dynamiques

Même en présence de facteurs thermodynamiques favorables, un courant ascendant n’apparaît que si l’air instable au voisinage du sol est poussé jusqu’à la convection libre. Dans une masse d’air uniforme et sans mouvement, le réchauffement seul peut suffire mais en général il existe des déclencheurs qui vont permettre de concentrer l’activité orageuses. :

une inversion locale peut s’atténuer ou même disparaître complètement si un courant-jet d’altitude passe dans le secteur. En effet, des vents intenses (plusieurs centaines de kilomètres par heure) se déplacent dans le courant-jet, refoulant vers le bas l’air devant eux et aspirant vers le haut l’air derrière eux. Ce phénomène d’aspiration ascendante, s’il est suffisamment fort, peut dissiper une inversion et favoriser la formation d’orages ou l’intensification des orages en cours ;