Frontologie, perturbations et instabilité

Source :
Petit manuel de
Météo montagne
(JJ Thillet & ©SD)

Le terme de front est approprié, il s’agit bien d’une opposition, d’un conflit entre les masses d’air chaud et les masses d’air froid.
Les Norvégiens, dans la première moitié du XIXe siècle, ont mis en relief le " front polaire ", qui nous concerne tout particulièrement, mais aussi le "front arctique", délimitant les masses d’air les plus froides des pôles, la zone de convergence intertropicale (ZCIT)🔗 séparant les alizés de l’hémisphère Nord de ceux de l’hémisphère Sud, qui devient un véritable front sur l’Afrique, le "front intertropical🔗" (FIT).

Les masses d’air à températures contrastées, du fait de leurs densités bien différentes, ont du mal à se mélanger. Elles peuvent rester juxtaposées plusieurs heures, voire plusieurs jours sans confondre leurs propriétés.
La frontière qui les sépare, mince surface de mélange profonde de quelques kilomètres, correspond à une ligne à l’échelle des cartes météo habituelles.

Le "front polaire🔗" est soumis à des influences qui amorcent ses ondulations. Souvent le facteur déclenchant provient de coulées plus froides de grandes dimensions ("gouttes froides", dans le jargon météo), qui, comme des icebergs, se détachent de la calotte  atmosphérique polaire à intervalles de l’ordre de la semaine.
En survolant les contrées plus chaudes dans leur trajectoire vers le Sud, elles se réchauffent et s’animent de mouvements tourbillonnaires de très grande envergure, en rapport avec la création d’une vaste zone dépressionnaire en leur sein.
Cette faiblesse de pression donne l’impulsion d’attraction.

Une sorte de vague naît puis s’amplifie en quelques heures, tout en courant le long de la limite frontale, portée par le vent général.
Très vite le secteur proche du sommet de l’onde s’est animé d’une rotation dépressionnaire poussant l’air chaud vers le nord, l’air froid postérieur vers le sud.

En peu d’heures, l’ondulation ressemble au schéma ci-contre où un coin d’air chaud inséré dans l’air froid progresse dans le sens du flux (de secteur ouest, donc vers l’est, le plus souvent dans nos régions).
A son bord avant, une limite de forme convexe correspondant à une poussée de l’air chaud : le "front chaud" (en rouge), dont l’arrivée fait passer d’une masse d’air à une plus chaude. Le front chaud est orné de demi-cercles, symboles de douceur. Au bord arrière de l’ondulation, une seconde limite, convexe aussi, représente, elle, le bord antérieur d’une invasion d’air polaire : le "front froid" (en bleu), orné, lui, de petites dents qui illustrent la morsure, coïncide avec l’arrivée d’une masse d’air plus froide. Entre ces deux fronts, le "secteur chaud".

L’ondulation, ses fronts et son secteur chaud constituent une perturbation.
Contrairement à ce que l’on pourrait croire à ce stade de l’explication, la perturbation n’est pas symétrique, l’air froid, avant et après, a trèsrarement les mêmes propriétés.
L’air postérieur provient de plus en plus directement du Nord, à mesure que le système prend de la vigueur : il est généralement plus froid, voire bien plus froid que la masse d’air froid antérieure. En même temps, il est plus dynamique, si bien qu’il impose son tempo à l’ensemble.
Le front chaud ayant quelque mal à repousser l’air froid qui le précède, le front froid va plus vite, rétrécit le secteur chaud. Mais comme en même temps l’ensemble est aspiré par la dépression proche, une sorte de vallée chaude prolonge en altitude le secteur chaud : l’occlusion.

Une coupe verticale suivant AB montre le secteur chaud encadré par les deux masses d’air froid, celle qui suit la perturbation ayant la température la plus basse. On note les différences d’inclinaison des deux fronts (particularités très importantes).
La "surface frontale chaude" est en pente douce de 1/200 environ ; elle correspond à un glissement de l’air chaud au-dessus de la masse froide antérieure relativement peu mobile, glissement qui s’accompagne d’un lent soulèvement.
La pente de la "surface frontale froide" est bien plus raide, bien plus brutale, de l’ordre de 1/50 ; on comprend qu’il s’agit bien là du véritable écoulement d’un fluide dense, freiné à sa base par la rugosité du sol, ce qui lui donne un profil convexe, au contact duquel les mouvements ascendants sont exacerbés.

Une coupe verticale suivant CD montre la masse d’air froid postérieure ayant  rattrapé la précédente, puis la soulevant - puisque cette dernière la moins dense, la plus légère -, propulsant dans le même mouvement ce qui reste du secteur chaud, occlus, prolongé par une vallée de même nature en altitude.

Perturbation à l’état adulte :

a) Vue par-dessus 

b) Vue en perspective, avec deux plans de coupe, selon AB qui traverse le secteur chaud et selon CD à travers l’occlusion

Répartition de la pression dans la perturbation et à sa périphérie

Pour comprendre comment une perturbation évolue tout en modifiant le champ de pression alentour, il faut garder à l’esprit qu’elle est travaillée par plusieurs mouvements : une translation accompagnant le flux porteur (vers l’est le plus souvent dans la zone tempérée), lui-même déterminé par l’interaction entre le “centre d’action” et son environnement (un anticyclone en général), mais aussi, simultanément, l'attraction par ce "centre d’action" qui l’a créée et en maîtrise l'expansion, plus les propulsions vers le haut associées à la prise en tenaille de l’air chaud par les deux masses froides.

L’ensemble de ces influences soulèvent le secteur chaud, surtout au sommet de l’onde (le "point triple" quand elle est occluse) et sur les surfaces frontales elles-mêmes. Il en résulte un allègement relatif de tout le système (l’ascendance joue en sens inverse du poids de l’air, donc le "réduit") : en conséquence, la perturbation est accompagnée d’une dépression, dont le centre est positionné vers son sommet (maximum d’ascendance).

 

Le tourbillon de vent
induit par la perturbation

Nuages et précipitations associés à la perturbation

Les surfaces frontales se comportent comme des reliefs pour l’air en mouvement : elles le contraignent à monter.
Cycle classique : ascendance, refroidissement, nuage si l’air est assez humide, précipitation si ascendance puissante et air assez riche en vapeur d'eau.
La perturbation n’est pas symétrique. A la pente douce du front chaud répond celle plus abrupte du front froid.
Les ascendances sont plus brutales et rapides sur le second que sur le premier : la nature des nuages formés et l’intensité des précipitations sont bien différents.

Système perturbé complet (ci-contre en haut) tel qu’il se présente classiquement (en automne et en hiver surtout) :
a) Le front chaud où se succèdent sur plusieurs centaines de kilomètres des nuages paisibles en général. Premiers signes, loin devant le front : les cirrus (Ci). Le voile s’étend, s’épaissit, pour aboutir au nimbostratus (Ns) et à ses précipitations tranquilles, continues et durables (neige en montagne, pluie en plaine) ;
b) Le secteur chaud encore bien humide. Accalmie chargée de nuées plus ou moins éparses, à plusieurs niveaux (plus un secteur chaud est vaste plus l’amélioration est en principe marquée ; celle d'un secteur chaud très étroit passe presque inaperçue) ;
c) Le front froid et sa violence qui génère des nuages puissants, cumulus (Cu) ou cumulonimbus (Cb,) porteurs d’averses, d’orages aussi (en été surtout).
d) La "traîne", ensemble de nuages instables qui suit le front froid. Des cumulus (Cu) d’abord modestes dans un ciel bien bleu, lavé et rafraîchi, puis de plus en plus développés, jusqu’à donner des averses à mesure que s'épaissit l'air froid, voire de l’orage lors des invasions froides océaniques vigoureuses (giboulées).
e) Évolutions de la pression, de la direction du vent et de la visibilité au cours de ces phases.

Un assemblage plus ramassé et mixte
quand passe une occlusion (ci-dessous)

Fronts froids secondaires

Pulsations d’air polaire supplémentaires, plus froides encore, car plus directes, qui s’engouffrent dans les flux de nord-ouest à nord, le plus souvent, derrière la perturbation.
A leur approche, les "fronts froids secondaires" "cassent" la traîne, parce qu’à leur approche un mouvement d’air descendant des hautes altitudes assèche la masse d’air : les cumulus s’affaissent, se résorbent, le ciel prend une belle couleur bleue, bien propre, bien lavé par les récentes précipitations.
Une embellie souvent spectaculaire et pourtant assez difficile à prévoir correctement, provisoire, même si elle peut durer parfois plusieurs heures, "trop belle pour être honnête"…

Un front froid secondaire, pulsation plus froide encore dans l’air polaire apporté par le front froid principal ; entre les deux, accalmie de quelques heures parfois, avant la récidive

Famille de perturbations

La persistance d’un centre d’action sensiblement stationnaire (anticyclone des Açores, dépression d’Islande ; deux moteurs conjugués en général) fait que le front polaire se stabilise plusieurs jours sur un axe relativement stable, tout en étant animé d’ondulations successives, fabriquées selon le processus : la "famille de perturbations". Elles se suivent à la cadence de 24 h à 36 h pour les flux les plus rapides.
Elles sont séparées par des embellies éphémères, peuvent accumuler en quelques jours des précipitations intenses, sur les reliefs exposés en particulier. Situations à inondations, avalanches, éboulements des terrains saturés d’eau.

La circulation zonale ; la circulation méridienne

Hormis les phénomènes purement locaux, les perturbations se déplacent dans les "courants porteurs" déterminés par les "centres d’actions", au long du "front polaire". A la latitude de la France les régimes sont d’ouest dominant.
Un flux approximativement orienté ouest-est sur plusieurs milliers de kilomètres (l’Atlantique) est dit "zonal".
Très fréquemment cependant, les courants perturbés, et les jet-streams qui balisent le front polaire dans la haute troposphère, dessinent de vastes ondulations sur un hémisphère, de plusieurs milliers de kilomètres d’amplitude, alternant des branches où le vent vient du sud-ouest avec d’autres où il vient du nord-ouest.
La longueur d’onde de ces ondulations (distance entre deux sommets ou deux creux) atteint plusieurs milliers de kilomètres, ce qui donne une idée de l’éloignement entre deux branches opposées, telles qu’elles apparaissent sur la figure inférieure. Il est intéressant de constater que ces propriétés expliquent qu’il est fréquent qu’une branche nord-ouest irriguant l’Europe occidentale d’air polaire océanique correspond simultanément à son pendant arctique (continentalité) vers les vastes plaines du Canada et des USA. C’est la circulation "méridienne ".
La circulation zonale se maintient quelques jours bloquant les transferts de froid et de chaleur entre pôle et tropiques. Mais le flux reprend ses méandres, de telle sorte qu’à une "poussée d’air chaud" du sud vers le nord correspondent, à quelques milliers de kilomètres de de part et d’autre, des "descentes d’air froid" du nord vers le sud. Ces échanges d’énergie entre zones chaudes et froides de la planète oeuvrent à lisser les extrêmes en évitant les accumulations locales de chaleur ou de froid intenses.
Les perturbations empruntent ces grands rails de circulation ce qui les conduit à aborder les pays par l’ouest, le sud-ouest, ou le nord-ouest, directions dominantes qui représentent sensiblement les 2/3 des flux qui survolent la France. L’autre 1/3 rassemble les régimes couvrant le secteur du nord au sud par l’est.
L’image des méandres, bien connue pour les rivières de plaine, correspond aussi à d’autres configurations spectaculaires. Ainsi, à force de s’étirer les "poussées chaudes " se coupent de leurs racines, séparant de vastes plages de chaleur que les météos nomment "bulles chaudes". Isolées, elles peuvent se maintenir plusieurs jours en vivant sur leurs réserves, qui sur le Groenland, qui sur le Nord de l’Europe. De même pour l’air froid qui se détache en "gouttes froides" autonomes.
Ne pas oublier toutefois que l’échelle est de l’ordre du millier de kilomètres...
Une autre image très parlante est celle de ces lampes de salon de naguère, où dans un tube transparent fermé, coexistaient deux fluides de densités différentes. Du fait de l’échauffement à la base, l’un d’eux, allégé, formait des protubérances qui montaient, puis se scindaient à leur sommet, répliques de ces vastes volumes atmosphériques qui conquièrent leur liberté.
Pour bien déceler ces lignes de force de la circulation générale, il faut consulter des cartes météo d’altitude, à partir de 3000m, en "atmosphère libre", qui échappent au parasitage induit par les effets de sol, dont la multiplicité brouillonne masque l’essentiel.
Déjà, on comprend bien que tout se tient à la surface de la Terre, qu’un mouvement dans un sens quelque part se répercute par un effet opposé dans le voisinage, par réaction, par compensation. Tous ces engrenages, tous ces échanges très cohérents constituent la "circulation globale".
On ne sera pas surpris d’apprendre que, pour en prévoir les évolutions, il faille rassembler des données venues de partout.

La spécificité de la montagne

Tout y prend une dimension différente (d'abord, parce qu’elle en compte trois !). La progression des perturbations y rencontre un obstacle plus ou moins étendu, plus ou moins développé en hauteur. Elle doit contourner, si possible (relief isolé, de peu d’ampleur), ou surmonter. Ce faisant elle s’en trouve amplifiée, aggravée. Ses nuages deviennent plus denses, souvent plus vastes, dans presque tous les cas, plus prodigues en précipitations. La montagne est terre de contraste : le beau temps y est plus beau, plus pur, le mauvais temps y est plus intense.
L’approche d’une perturbation classique ne doit en principe surprendre personne un tant soit peu expérimenté ou tout simplement observateur. L’arrivée des cirrus🔗, souvent suivis ou accompagnés par l’allongement et l’extension des "traînées d’avion ou Cotras🔗" (plus les hautes couches de l’atmosphère deviennent humides, plus les rejets de vapeur des réacteurs signent leur passage par le surcroît d'eau qu'ils éjectent – a contrario, les traînées courtes et fugaces indiquent clairement que l’air est sec : un vrai bon signe), se produit loin devant le secteur précipitant. Un œil sur le ciel, un autre sur l’altimètre éventuellement, permettent de suivre la progression de l’aggravation, qui, la plupart du temps, prend au moins une demi-journée.
Le mauvais temps installé, le mieux à faire est d’attendre… le retour du Soleil généreux. L’instabilité de la traîne, malgré ses éclaircies, n’autorise pas à faire des projets d’envergure.
Elle est même assez perverse car elle offre parfois des améliorations spectaculaires de plusieurs heures, mais trompeuses, en particulier à l’approche des fronts froids secondaires. Le passage de ces "répliques" est souvent rapide, brutal, accompagné d’intempéries brèves mais intenses ("lignes de grains") et, en plus, d’une nouvelle chute des températures.
Même en été où, l’espace de 24 à 48 h, il arrive que l’iso 0 chute de 4500 m à 2500 m (soit 12 à 15°C de baisse du thermomètre), avec neige pas loin des 2000 m, voire plus bas encore.
La haute montagne, mouillée par les premières pluies "chaudes", se révèle alors prise, quelques heures plus tard, dans une gangue de neige et de glace. Retour de l’hiver en plein été, piège mortel pour qui s’y laisse prendre.
Les aggravations intenses et durables (de l’ordre de la semaine) sont toujours accompagnées d’une approche ou même du passage d’un jet-stream dans la haute troposphère. Il se répercute en vents tempétueux en haute montagne, de l’ordre de 100 km/h ou davantage. La progression y est quasiment impossible, le froid redoublé (température ressentie)
Après les fortes perturbations estivales, il convient d’attendre 2 à 3 jours que la chaleur revenue tasse les récentes neiges, purge les pentes et couloirs des amoncellements, rende la montagne saine à la pratique des sports engagés.

La montagne retient les perturbations

C’est le cas avec le front chaud dont l’activité se prolonge contre le relief, alors que le système perturbé poursuit son chemin au-delà de la chaîne. Mais, simultanément, l'effet de blocage produit par des chaînes de montagne très étendues comme les Vosges, le Jura, les Alpes ou les Pyrénées entraîne la création de poches de froid résiduelles au fond des vallées.
En hiver, leur persistance prolonge, assez fréquemment, les chutes de neige de plusieurs heures dans les vallées bien fermées comme celles de l’Arve, de la Tarentaise, de la Maurienne, où les vents portés par l’ouest, empêchant l’évacuation de l’air froid des basses couches.
Cette intensification et ce prolongement de l’activité des perturbations au contact du relief, lorsqu’elles sont accompagnées de vents assez forts pour les soulever efficacement, sont appelés "effet orographique". Les Suisses évoquent le "remous alpin", vaste et dense bouillonnement des nuages contre les versants de l’arc montagneux (notamment en régime nord-ouest, fréquemment bien chargé en humidité océanique et compte-tenu de l’orientation générale ouest-est de leurs chaînes).
Sous le vent, l’air froid tapi au sol par densité, à l’abri des chaînes étendues, ne s’évacue pas tant que des turbulences ne le chasse pas. On trouve, par exemple, ce contexte dans la plaine d’Alsace, dans le bassin du Pô, où le renouvellement des masses d’air est difficile, au pied français des Pyrénées par régime doux provenant de la péninsule ibérique.
Fréquemment les redoux survolent l’air froid sans l’entamer ; il peut dès lors accueillir des chutes de neige ou favoriser des situations à verglas étendu.

La montagne stimule les précipitations de traîne

La traîne est plus ou moins chargée d’averses. En montagne, elle prend assez souvent des proportions bien plus conséquentes qu’en plaine (jusqu'à des rapports de l'ordre de 1 à 50 : 1 mm à Genève, 50 mm à Morzine au cours d’un même épisode océanique). En effet, le flux percute les pentes et y bouillonne, d’autant plus qu’il est instable, la plupart du temps bien chargé en eau au survol des océans. Et cela peut durer des heures. Dans le même temps la perturbation s’éloigne sous le vent, où de larges éclaircies de foehn se sont déjà installées au-delà de la ligne de crête.
Contrastes que l’on peut vivre en quasi direct en traversant la chaîne par ses tunnels : d’un côté le temps bouché, des précipitations intenses, de pluie ou neige selon la saison, de l’autre un soleil radieux, une température bien plus agréable. Côté “sous le vent”, seul le mur de foehn sur les crêtes signale que tout près, les conditions sont radicalement différentes.
De telles situations actives et persistantes vont jusqu’à déposer de 50 à 100 cm de neige poudreuse sur le relief hivernal. Avec pour conséquence de sérieux risques d’avalanches.

Quand front froid et relief font tenailles

On distingue les cas où l’air humide précédant le front froid est "stable". Il est soulevé, épuise son eau en pluie ou neige, mais tranquillement (précipitations continues). Puis il y a les situations, estivales surtout, où l’air humide précédant le front froid est "instable".
Les ascendances stimulées sont bien plus intenses, elles s’accompagnent alors d’averses ou d’orages, avec les risques d’excès dont ils sont parfois capables.

Air "instable"expulsé
par le resserrement
de son volume; il s’y
déclenche averses et orages

Air "stable" coincé entre front froid et montagne ; contraint de monter, mais en douceur

Selon que le front froid domine la montagne ou non

Quand la nappe polaire suivant le front froid est moins épaisse que la hauteur moyenne de la chaîne, elle vient butter contre les versants, après avoir expulsé l’air chaud antérieur en l’essorant éventuellement d’une partie de son humidité (précipitations). Elle se stabilise là sans jamais passer de l’autre côté, sous le vent.
Ainsi, des refroidissements qui affectent les versants français des Alpes ou des Pyrénées ne parviennent jamais ni en Italie ni en Espagne.
Par contre, si la masse d’air polaire est très épaisse, elle bascule par-dessus les crêtes, ce qui l’amène à dominer l’air chaud qui stagne de l’autre côté.
Cette répartition verticale -chaud en bas/froid au-dessus- est particulièrement instable ; elle déclenche en été de violents orages avec fréquemment de la grêle. C’est le cas pour le Val d’Aoste, la Plaine du Pô, chauds et moites en été. Ou encore pour les Alpes Maritimes par régimes de nord-ouest à nord-est apportant du froid en altitude tandis que le piémont baigne dans la douce humidité méditerranéenne.
Toutefois, ces évolutions réclament un vent réduit au niveau des sommets, sinon l’effet de foehn associé aux vents rapides réchauffe et assèche l’air froid en bascule lui retirant toute possibilité de créer la répartition verticale instable.

Une masse d’air froid bascule par-dessus les Alpes
et surmonte conflictuellement l’air chaud du Piémont

Front froid isolé

L’été surtout, parce que les parties actives des perturbations océaniques passent plus au nord, que le front chaud est dilué par la chaleur des sols, les perturbations ne conservent plus que leur front froid au niveau des reliefs de la "moitié Sud" de la France.
Il n’en est que plus redoutable car la plupart des signes précurseurs s’en trouvent gommés. Par ailleurs, ils sont généralement orageux.

Fronts masqués

Les nappes froides qui occupent plaines et basses vallées en saison froide sont fréquemment survolées par des fronts chauds qui ne parviennent pas à les bousculer : la température grimpe en altitude, reste stationnaire en bas.
Et même, certains fronts froids un peu mous manquent de puissance pour chahuter l’air froid des basses couches, d’autant que, venus de l’Océan, leur "froid" est moins "froid" que celui accumulé sous les inversions : plus légers, ils le surmontent.
Ces fronts, pas forcément actifs mais bien réels en montagne par les fluctuations des températures d’un jour à l’autre (de 5 à 10 °C en plus ou en moins), passent inaperçus pour les habitants des basses altitudes.
Ce n’est qu’à l’occasion de perturbations vigoureuses, portées par des vents suffisamment turbulents, que la chape de froid inférieure est disloquée. On peut dès lors s’étonner que le front, dit "froid", "réchauffe" en fait l’ambiance en remplaçant l’air très froid, "continentalisé", par une masse d’air peu froide parce que d’origine maritime.

Le front chaud survole la couche froide. La température monte en altitude, ne bouge pas dans la vallée

Le front froid turbulent chasse la petite nappe très froide en vallée. La température baisse en montagne mais… monte dans la cuvette

Les cumulus représentent toute une famille de nuages ayant sensiblement la même apparence d’amoncellement blanc avec une base blanche ou sombre. Tous issus de la convection (ascendances thermiques), leur différence essentielle réside dans leurs dimensions.
Selon la puissance des ascendances, l’humidité disponible, leur développement s’étage du plus humble au plus majestueux et menaçant. Avec aussi pour conséquence une activité très diversifiée, depuis la seule présence décorative jusqu’au déchaînement de l’orage. La turbulence interne de ces véritables montagnes nuageuses est telle qu’elle maintient en suspension plusieurs centaines de milliers de tonnes d’eau (gouttes ou cristaux).

Divers cumulus :
fractus (Cu fra) humilis (Cu hum),
mediocris (Cu med),
congestus (Cu con)

Front de rafale

Le brassage interne aux orages est fait de mouvements de compensation : aux ascendances intenses, qui peuvent dépasser les 100 km/h, répondent, au stade de maturité, des mouvements descendants également puissants, accélérés par les précipitations qui les entraînent dans leur chute et transférant de l’air froid des couches supérieures vers le sol.
Ces vents catabatiques ou "fronts de rafale" représentent un danger sournois par les coups de vents inopinés qu’ils provoquent.
Les crêtes du pourtour des grands lacs, comme ceux du Léman ou d’Annecy, sont équipées de dispositifs de détection et d’alerte par feux clignotants des déferlements de ces coups de vents aussi violents que soudains (Joran, Vaudaire, Bornan…), loin des orages qui les ont déclenchés. Ils ont causé par le passé nombre de victimes par chavirement, alors que la navigation était paisible l’instant d’avant.

Des précurseurs

Les vents forts en altitude provoquent des ondulations verticales de l’atmosphère, tout particulièrement lorsqu’ils butent contre des reliefs.
Dans les sommets d’onde, sièges d’ascendances rapides, il se forme des plages de nuages caractéristiques, en forme d’amande, de lentille, de soucoupe, d’os de seiche : les altocumulus lenticularis (Ac len) ou lenticulaires.
L’été, à l’avant des systèmes orageux, fronts ou plages d’organisation mal définie, l’atmosphère est instable à plusieurs niveaux, en particulier à l’étage moyen, vers les 3 000/5 000 m. On observe dès lors des fragments de nuages maltraités par les turbulences. Ils montrent des sortes de balles déchiquetées, plus ou moins isolées, plus ou moins organisées en nappes d’étendue variable : les altocumulus floccus (Ac flo). D’autres fois, ils forment des bancs horizontaux, de faible extension, montrant des sortes de tourelles, créneaux : les altocumulus castellanus (Ac cas).
Au levant et au couchant, ces nuées tourmentées, parfois même assez sombres et menaçantes par place, donnent des ciels somptueux, parmi ceux transcendés par Jacques Brel : "pour qu’un ciel flamboie, le rouge et le noir ne s’épousent-ils pas ?"

Altocumulus lenticularis
(Ac len)

Altocumulus floccus (Ac flo)
et

Altocumulus castellanus (Ac cas)

Grêle et grésil

Les intenses ascendances soutiennent des éléments très gros dans les cumulonimbus, comme une balle légère qui danse au-dessus d’un jet d’eau. Il leur arrive d’être pris et repris dans des mouvements verticaux qui les font remonter avant qu’ils ne retombent…
Et cela peut se reproduire plusieurs fois. Des gros éléments parviennent à se fabriquer, alternant des phases de dégel et regel, captant des gouttes ou des cristaux selon le niveau - donc la température - du nuage : la "grêle".
Elle finit par frapper le sol où elle est redoutée pour ses dégâts sur les cultures, les toits, les carrosseries, les hommes, leurs troupeaux…. Elle dévoile, à sa découpe par le travers, des cercles concentriques, plus ou moins translucides, signatures de son périple.
Les plus gros grêlons observés à travers le monde (dans les plaines à tornades des États-Unis notamment) dépassaient le… kg ! Les grosses chutes de grêle se produisent en saison chaude quand l’air est riche en eau.
En hiver, les cumulonimbus des invasions polaires, beaucoup moins développés, bien moins puissants, relativement pauvres en réserve d’eau, libèrent du "grésil", agglomérat de "granules de glace", de cristaux, de flocons, de bien plus petites dimensions (diamètre de 1 à 5 mm seulement alors que la grêle, atteint ou dépasse nettement le centimètre).

Le cumulonimbus, un énorme condensateur

Électriquement, le cumulonimbus n’est rien d’autre qu’un énorme condensateur développé entre la proximité du sol et la tropopause, vers 10 000 m en moyenne en hiver dans nos contrées, vers 12 à 13 000 m en été.
Sa croissance imposante et fréquemment rapide est le résultat d’une instabilité très accusée dans l’ensemble de la troposphère, même s’il existe quelques minces tranches stables, vite transpercées, oubliées par le nuage en cours d’ascension.
Un résultat spectaculaire, parmi d’autres, est l’électrisation du nuage provoquée par l’éclatement des gouttes, les fractures de cristaux, les frottements de tous ces éléments entre eux, les processus très rapides de congélation des micro sphères liquides, le tout répartissant de l’électricité statique… Il se trouve que les éléments les plus petits et légers se chargent positivement. Propulsés au niveau de l’enclume, ils donnent au cumulonimbus une tête chargée positivement.
Les éléments plus lourds sont préférentiellement chargés négativement. Sous leur poids ils se rassemblent majoritairement à la base du nuage. Par réaction le sol se charge positivement, et c’est dans ses aspérités (cheminées, clochers, arbres, sommets…) que les charges "+" sont relativement les plus concentrées tout en se rapprochant des charges opposées, ce qui augmente la différence de voltage au centimètre ("effet de pointe").
Elles sont les cibles les plus fréquentes de la "foudre", transfert de charges entre nuage et sol ou sol vers le nuage. Les orages rétablissent l’équilibre des charges électriques entre les "plaques" d’un condensateur encore bien plus gigantesque : la surface de la Terre (négative) et la couche supérieure de l'ionosphère🔗, là où se déploient les tentures aux formes et nuances irréelles des "aurores polaires", entre 85 et 500 km. 2 000 orages à chaque instant sur la Terre compensent les courants de fuite traversant l’atmosphère, isolant non parfait, qui finiraient par réduire à néant la différence de potentiel terre/ionosphère.

Éclair, tonnerre

La différence de potentiel entre le sol et la base du nuage atteint le million de volts, allant parfois jusqu’à 100 millions. Même si l’air est isolant, sa résistance a des limites face à une contrainte aussi forte.
Quand elles sont dépassées, un "traceur" part de la zone la plus chargée du nuage (base en général). Un effluve qui se fraie le premier chemin, qui avance en hésitant, par bonds successifs. Parvenu à quelque 200 à 300 m du sol un autre traceur part à sa rencontre, d’une "pointe" à proximité.
La rencontre des deux achève de frayer un canal ionisé par où se précipitent, court-circuit géant, une ou plusieurs grosses décharges (0,1 milliseconde pour une impulsion, jusqu’à 2 s pour plusieurs) : l’"éclair" proprement dit. Des intensités qui vont jusqu’à 200 000 ampères, une température de 30 000 °C, l’éclair est une "étincelle" de très forte puissance qui détruit, incendie et tue (une vingtaine de victimes par an en France, nettement moins toutefois que lorsqu'elle était rurale, les paysans étant forcément plus exposés que les citadins).
L’échauffement intense produit par le passage du courant, à l’instar de ce qui se passe dans une ampoule à incandescence, transforme instantanément l’air en plasma très brillant, accompagné d'une dilatation explosive qui provoque une onde de choc acoustique : le "tonnerre". Ses roulements, quelquefois, répercutent les décharges saccadées, spasmes titanesques, que l’écho des montagnes fait ricocher de versant en versant.

Plusieurs sortes d’éclairs

La plupart (autour de 80 %) partent des nuages, quelques-uns montent du sol, notamment des sommets en forme d'aiguille ou de piton. Généralement la charge descendante est négative.
Mais il existe aussi des poches de charges positives à la base des cumulonimbus ; elles produisent des coups de foudre plus intenses que les autres. Les "coups positifs" peuvent également tomber de la partie supérieure du nuage.
On connaît aussi les éclairs "intra-nuages", issus des échanges entre les secteurs chargés différemment d’un même nuage, les "inter-nuages" d’un nuage à l’autre, à l’"horizontale", sur des distances de plusieurs kilomètres parfois.
Et puis, ce témoignage d’un éclair tombé d’un ciel serein sur le Mont-Blanc, d’un nuage distant. Cet autre d’éclairs par ciel clair à Caracas, en plein jour. Peut-être produits par les frictions de poussières dans des ascendances turbulentes intenses, à l’origine d’une électricité statique poussée à la rupture.

Quelles précautions ?

Chez soi, quand l’orage claque tout près, on ferme les fenêtres pour empêcher les courants d’air, on évite de toucher des appareils électriques, les tuyaux métalliques et les radiateurs du chauffage central, on ne téléphone pas avec des combinés filaires, on ne prend pas de bain ni de douche...
Dans une voiture on est bien protégé par l’"effet Faraday", dans les voitures fermées (le courant circule autour avant de s’évacuer au sol).
Même protection dans une cabine de téléphérique, dans les refuges recouverts de plaques métalliques. En pleine nature, ne pas se mettre sous un arbre isolé (pointe !), ni même à la lisière d’une forêt ou sous un arbre qui dépasserait nettement les autres ; mais la forêt homogène est un bon abri, à distance des troncs.
Ne pas s’adosser à une paroi en montagne, car les courants de terre sont susceptibles de la parcourir, surtout si elle est mouillée.
L’entrée immédiate d’une grotte n’est pas un endroit sûr non plus : les courants de terre peuvent sauter d’un bord à l’autre.
Surpris par l’orage en terrain découvert, il convient de se débarrasser de toute ferraille, de se mettre accroupi, si possible sur un objet isolant (corde), dans un creux de chemin ou de rocher (minimiser la "pointe" corporelle), de joindre les pieds (plus ils sont écartés plus le courant dérivé du sol à travers le corps est intense – les ruminants ont un handicap supplémentaire : les courants leur traversent le cœur, d’une patte arrière à une patte avant !).
Évidemment, ni réjouissant ni confortable sous des trombes d’eau… Pour se rassurer, se répéter que, pour un point donné – en plaine toutefois, car sur les sommets c’est bien davantage –, la théorie évalue la probabilité de foudroiement direct à 1 fois en 10 000 ans (pour un arbre c’est 50 fois plus déjà).

Les moyens de détection par les services météo

Les radars 🔗 i détectent les précipitations et tout spécialement les averses intenses délivrées par les cumulonimbus. La France en compte une trentaine à ce jour, dont 2 en Corse.🔗 Leur usage est d’abord tourné vers la sécurité (transports, routes, agriculture, annonce et suivi des crues…).
Les orages sont fort bien repérés par les satellites et leurs images. Les enclumes, même ponctuelles, y apparaissent particulièrement blanches (éclat des cristaux de glace). Les images des systèmes orageux vont du local à des surfaces couvrant plusieurs départements, très blanches, denses, réparties en taches globulaires, comme des têtes de "rosés des prés". Le rafraîchissement des images toutes les 5 minutes permet un suivi fin de leur apparition, leur évolution, leur trajectoire, leur vitesse de déplacement. Nombreux sont d’ailleurs ceux qui naissent et meurent sur place, développés sur les versants ensoleillés, éteints par l’arrivée de la nuit.
L’éclair signe son passage par des perturbations du champ électromagnétique local (les mêmes qui faisaient crachouiller les radios d'antan). Elles sont détectées en France et en Europe par le réseau de capteurs de Météorage, qui dispose de 100 capteurs en Europe🔗 et affiche en moyenne une efficacité de détection supérieure à 98% avec une précision de localisation de 100 m.
En Europe, un autre organisme recense aussi les impacts de foudre sur laquelle se base site Keraunos🔗 : Blitzortung 🔗
Les satellites, pour leur part, réceptionnent le "parasitage" des éclairs intra et inter-nuageux, localisant ainsi les foyers orageux actifs et permettant d’en surveiller le déplacement.

Répartition géographique des orages

Jour avec orage : Auparavant, Météo-France comptabilisait comme "jour d’orage" un jour où le météorologue en station entendait le tonnerre au moins une fois. Le réseau métropolitain comportait alors plus d'une centaine de stations avec observateur (souvent en H24 comme sur les aéroports et dans les grands centres).
Désormais, il y a très peu d'observateurs sur le réseau national et les statistiques des jours d'orage tels définis par l'OMM ne sont plus possibles.
Depuis la fin des années 1990, la société Météorage (qui deviendra une filiale de Météo-France dans les années 2000) a implanté des capteurs permettant de localiser avec précision les impacts de foudre (nuage-sol) sur l'Hexagone (puis sur une partie de l'Europe depuis quelques années). Grâce à ses capteurs, Meteorage arrive à détecter et localiser près de 98% des impacts de foudre sur la France avec une précision de 100 m.
Désormais, les jours avec orage sont déterminés grâce à ce service spécialisé qui permet de couvrir l'ensemble du territoire français sans trop de lacunes.

Répartition des
impacts de foudre
(moyenne 1997-2014)

Les grandes catégories d'orage dans nos régions

Plusieurs types d’orages se présentent, dans des situations totalement différentes, allant du "beau temps" à des situations très perturbées. La dangerosité qu’ils représentent pour le montagnard est toujours une réalité mais le contexte fait que ce danger recouvre toute une gamme de gravité.

Orage isolé de "beau temps"
Apparemment paradoxal d’associer orage et beau temps. Et pourtant, l’orage de fin de journée, en été, n’est pas exceptionnel ni une catastrophe en soi. Bien des jours agréablement ensoleillés se terminent ainsi. Comme den montagne, il est de toute façon préférable, pour l’état de la neige, la stabilité des pierres, pour éviter la grosse chaleur, d’avoir terminé les courses exposées avant midi, un petit épisode de pluie vespéral, même ponctué de quelques coups de tonnerre, ne porte pas trop à de sérieuses conséquences, sauf pour les attardés imprudents ou malchanceux, ou ceux qui sont engagés dans des ascensions de plusieurs jours, ce qui est devenu peu fréquent dans nos pays.
Ce type d’orage s’inscrit dans une sorte de cycle, mais absolument pas régulier, d’où l’inanité de croire à une cadence commode de retour des épisodes.
Suite au passage d’une perturbation, la masse d’air est renouvelée. Une sorte de purge s’est faite, évacuant la masse d’air précédente usée, ses poussières, ses pollutions. L’air polaire apporté par la traîne est propre, frais, vivifiant. Pendant 2 à 3 jours, en moyenne, il offre de très belles journées de ciel bleu décoré de quelques cumulus modestes, apparus au fil des heures au-dessus des sommets, effacés le soir ; ils en relèvent la pureté et la couleur. Les courses de neige sont rassurantes, stabilisées par un bon regel nocturne.
L’expression de "grand beau" est bien appropriée. Mais ces conditions idéales évoluent vers un beau temps moins franc, un ciel vaguement brumeux des pollens et poussières redistribués par les ascendances dans les premiers 4 000 m. Et puis, la température grimpant de jour en jour, les cumulus prennent plus d’ampleur, s’attardent davantage en début de nuit. Le temps devient plus "lourd", les nuits moins froides en haute montagne où la neige est moins porteuse au petit matin. D’ailleurs le vent en altitude, est revenu au sud-ouest, faiblement mais transportant chaleur des terres arides et humidité des mers lointaines. La masse d’air a vieilli, elle est devenue franchement instable, mûre pour l’orage de chaleur en fin d’après-midi.
Cet orage est local, il préfère la montagne où les versants aspirent la chaleur et l’humidité des vallées et plaines alentour (brises d’aval). Un jour ici, un autre ailleurs. Imprévisible dans sa localisation précise ! Tout au moins peut-on dire que les grands appareils glaciaires, sources de fraîcheur, sont plutôt moins touchés, quand il n’y a pas de vent pour déplacer les foyers instables. Si le vent est modéré en altitude, il a plutôt tendance à réduire le risque orageux en modérant les surchauffes locales, en cisaillant les ascendances, en dispersant les nuées qui peuvent moins facilement s’accumuler en masses volumineuses. Orage local mais pas forcément faible, bien au contraire, car l’endroit où l’atmosphère cède sert de soupape au surcroît de chaleur accumulée au fil des jours pour tout un secteur, un peu comme la brèche du barrage où le flot s’engouffre tumultueux.
En Indonésie, l’orage est presque permanent mais pour autant pas violent en général, bouillonnement d’évacuation continue des surchauffes. Au sud du Sahara, des entrées maritimes humides localisées, arrivant sur des contrées chauffées à blanc, créent des conditions explosives d’orages peu nombreux mais très intenses (danger des lits d’oueds arides brusquement inondés par des cataractes de pluie distantes, sans que le tonnerre gronde l’alerte car trop lointain). En général, au bout d’une semaine, grosso modo, arrive un front froid par l’ouest. Aggravation d’ampleur générale qui emporte tout et termine le cycle.

Orage de plage orageuse
Fréquemment, des résidus de descentes polaires se perdent dans des marais barométriques entre Açores et Canaries. Elles "mijotent" sur place une semaine, deux semaines, méandres oubliés de la circulation générale (gouttes froides), se gavant d’humidité et de calories. Recyclées par des courants de sud-ouest, elles remontent sur l’Europe-de-l’Ouest donnant une vigueur supplémentaire à des perturbations mal structurées qui vont pomper très au sud des forces nouvelles. En été, celles-ci survolent les vastes plateaux espagnols très chauds, s’y renforçant encore en calories. Elles parviennent sur la France en plus ou moins vastes plages très instables, où l’orage n’a pas vraiment d’heure, susceptible d’éclater n’importe quand, de jour… comme de nuit.
Leur extension, leur progression vers le nord-est souvent assez lente, une relative modération de leur activité orageuse font qu’elles sont bien prévisibles, repérées de loin. C’est en matinée que d’ordinaire les conditions sont les meilleures.
Après des nuits chargées et lourdes (souvent on note un rebond d’activité orageuse en deuxième partie de nuit), le ciel est très encombré au réveil. On s’étonne que la nappe nuageuse se fractionne, ouvrant l’espace à quelques heures d’assez beau temps, de chaleur "piquante", qui excite taons et mouches. Dans l’après-midi, la hausse des températures multiplie les cumulonimbus et les foyers d’orage.
Des conditions qui parfois durent plusieurs jours, soit que la plage orageuse stationne mollement sur une partie du pays, soit qu’en régime de sud-ouest établi des pulsations instables se succèdent dans le flux. Ayant survolé des pays arides, ces masses d’air transportent assez souvent des limons qui troublent l’atmosphère, rendent la chaleur plus pénible en été. Elles les déposent au sol, sur la neige en hiver, sur les voitures en minces pellicules ocres à l’occasion de faibles averses (les plus conséquentes en contiennent aussi mais le ruissellement évacue tout).
Un vrai casse-tête pour les météorologistes qui ont un mal fou, même peu à l’avance, à prévoir les périodes d’embellies impromptues de quelques heures.

Orage de front froid
Une masse d’air froid balayant une contrée, c’est un rouleau compresseur en marche, à ceci près qu’elle n’écrase pas mais propulse en hauteur l’air en place. Mouvement brutal, souvent puissant, qui conduit à former des nuages très denses, répartis de façon continue le long de la surface frontale, mur d’intempéries accusées, étiré sur des centaines de kilomètres ou davantage. Même en hiver, un front froid peut donner de l’orage, surtout lorsqu’il se conjugue au relief pour contraindre les masses d’air en place au soulèvement.
En été, ce type d’aggravation présente un réel danger pour la pratique des sports de montagne car l’activité orageuse y est soutenue, éventuellement intense, assez soudaine fréquemment ("front froid isolé"), surtout pour qui n’a pas de vue étendue vers l’ouest, secteur de provenance prépondérant (ce qui, par exemple, explique le risque particulier de mauvaise surprise pour les grimpeurs sur les voies italiennes du mont Blanc : pilier du Frêney aux tragédies nombreuses…).. Rafales, averses intenses, souvent de grésil en haute montagne, de grêle parfois… Température en forte baisse, passant soudainement, en quelques instants d’une température estivale à une quasi hivernale (iso 0°C chutant de 4500 à 3500 m, quelquefois moins, si un front froid secondaire suit de près, ajoutant un surcroît de froidure ; neige jusque vers 3000 m, voire plus bas).

Orage de traîne
Dans la masse froide qui suit le front froid, un bouillonnement s’organise assez vite lorsque la traîne est active, après une éventuelle accalmie qui peut durer une bonne demi journée en régime de sud-ouest (bien moins en général par ouest ou nord ouest). L’activité orageuse, sauf au passage éventuel de "limites secondaires" accompagnées de "lignes de grains", est plutôt faible car dissipée sur une très vaste surface. D’ailleurs le conflit majeur s’est produit au passage du front froid, là où le contraste entre masses d’air est le plus accusé ; la "bombe" est pour l’essentiel épuisée. Les cumulonimbus d’été y donnent du "grésil" en moyenne et haute montagne, de la "neige roulée l’hiver", jusqu’en plaine.
L’inconvénient majeur de ce type de temps est la durée des intempéries par "effet orographique" ("remous alpin" lié à la conjugaison du vent et de l’instabilité) à laquelle se superpose le froid. Des conditions à éviter absolument pour l’exercice de sports de montagne exposés. Le pire est atteint lorsque une “goutte froide” polaire bien marquée étend son influence glaciale aux reliefs, ce qui peut arriver même en été. Dans ce contexte hivernal, il est fréquent que la neige blanchisse jusque vers 1 800 m (en 1969, neige au sol sous le niveau de la Flégère - 1 894 m -, vers le 10 juillet, puis durant près d’une semaine au moment du 15 août).

Les trombes, les tornades

Des phénomènes tourbillonnaires intenses se forment parfois sous des cumulonimbus très puissants, la trombe, terrestre, lacustre ou marine. Dans un premier temps la très vigoureuse aspiration qui part de la base du nuage n’est pas visible ; elle se matérialise cependant par un tourbillon de poussière ou petits débris sur terre, d’embruns arrachés à la surface agitée de la mer ou des lacs : le "buisson".
C’est alors que part de la base du nuage une sorte de cône renversé et effilé : le "tuba", prolongement du nuage de 10 à 100 m de diamètre ; condensation due à la brutale détente de l’air alentour aspiré par la succion de la dépression interne.
Il descend en direction du buisson, le rejoint ou non selon les cas.. Le tuba est proche de la verticale si le cumulonimbus est immobile ; il se déforme sinon, en prenant une allure sinueuse selon les différentes directions du vent dans la couche concernée.
Un déplacement plutôt lent en général, mais qui peut aussi être rapide puisqu’il dépend de celle du flux général emportant le nuage. Une durée de vie courte, de l’ordre d’une dizaine de minutes. Un cheminement assez rectiligne de quelques centaines de mètres au plus. Mais des dégâts qui sont souvent importants: toits arrachés par l’aspiration, arbres brisés, cultures saccagées par la rotation violente du vent.
Peu fréquentes en France (305 recensées entre 1680 et 1999 par J. Dessens), elles se répartissent assez bien, sauf du sud du Massif Central à Rhône-Alpes où elles sont rares, tandis que leur densité est plus marquée des Pays de Loire au Nord, dans la vallée de l’Aude et le Jura. Elles se produisent, de nuit comme de jour, surtout au voisinage de fronts froids vigoureux, dans des régimes rapides de sud-ouest ou ouest.
Les tornades sont de nature identique mais de dimension et d’impact bien supérieurs. Elles sont particulièrement nombreuses dans les grandes plaines du centre des Etats-Unis ("tornado alley"), de plus en plus depuis quelques années (plus de 1 000 par an), probablement à cause du réchauffement en cours de la planète.
Elles sont fréquentes là où s’affrontent des masses d’air très contrastées, les polaires coulant du nord appuyées contre le flanc est des Rocheuses, les tropicales venues du Golfe du Mexique, gavées de chaleur latente pompée aux eaux tropicales, excitées par la surchauffe des terres sèches de l’été.

L'échelle Fujita (conçue en 1971 par le météorologue japonais Tetsuya Fujita) sert à classer les tornades par ordre de gravité, en fonction des dégâts causés. Depuis 2007, on utilise l'échelle "Fujita améliorée" afin de réduire les incertitudes associées à la force des vents en prenant mieux en compte la réalité des constructions. Elle possède également six niveaux de EF0 à EF5 ; EF pour Enhanced Fujita (Fujita améliorée).

Étapes du développement
d’une trombe