Les fronts de rafales et les rafales descendantes

En Belgique, les fronts de rafales et les rafales descendantes provoquent chaque année des dégâts matériels et forestiers. Souvent, les médias emploient, à tort, les termes "mini tornades", "tornades" ou "tempêtes" pour décrire ces phénomènes venteux.

Dans ce dossier, ces phénomènes seront détaillés afin de pouvoir mieux les comprendre.

En guise de commencement,  le phénomène de front de rafales va être défini. Ensuite, une étude plus détaillée sera apportée sur le mécanisme des rafales descendantes et les dégâts engendrés. Enfin, des comparaisons entre les fronts de rafales, les rafales descendantes et les tornades seront effectuées.

Les fronts de rafales

Lorsque l’air froid et humide descend du nuage orageux via le courant descendant, il touche le sol et se propage dans toutes les directions. Cet air froid, appelé courant de densité, s’étale et rencontre l’air plus chaud situé à l’avant du nuage orageux.

Le contraste thermique provoque de brusques rafales de vent et cette zone de conflit thermique est appelée "front de rafales". Le front de rafales est donc une limite entre l’air froid descendant d’un nuage orageux et son environnement.

Plus le contraste thermique est important entre les deux masses d’air, plus le vent sera intense. La vigueur du vent dépendra également de la vitesse de déplacement du nuage orageux ainsi que du relief ou d’éventuels obstacles rencontrés. Par ailleurs, le front de rafales peut se produire sous les nuages convectifs de types cumulus congestus et cumulonimbus. Finalement, chaque orage produit obligatoirement un front de rafales qui, fort heureusement, n’est pas toujours violent.

Mais dans certains cas, les fronts de rafales peuvent produire de puissantes rafales de vent (parfois supérieures à 100 km/h dans les cas les plus extrêmes). Inutile donc de dire que de telles vitesses de vent peuvent engendrer des dégâts. À la différence des tornades où des rafales descendantes, les fronts de rafales influent sur de grandes zones. Les éventuels dégâts sont donc linéaires et répartis sur d'assez grandes surfaces (Un autre chapitre y est d'ailleurs consacré.).

Enfin, outre le vent, le passage d’un front de rafales engendre un écart plus ou moins important de la température (D'ailleurs, cet écart peut parfois atteindre plus de dix degrés.).

L'arcus

Il arrive fréquemment qu’un front de rafales soit matérialisé par un arcus. Ce nuage se forme lorsque le courant de densité issu du courant descendant oblige l’air plus chaud environnant à se soulever, ce dernier finissant par se condenser et former un nuage horizontal nommé "arcus".

L’arcus peut prendre plusieurs formes, mais cela ne faisant pas l'objet de ce dossier, cet aspect n'est pas developpé. On note simplement que l’arcus peut parfois prendre un aspect menaçant avec la présence de lambeaux déchiquetés tournoyants, signe de fortes turbulences au niveau du front de rafales  et, donc, de puissants coups de vent.

Les rafales descendantes (ou downburst en anglais)

Les rafales descendantes sont des courants descendants de forte intensité qui, en atteignant le sol, se propagent dans toutes les directions avec une force plus élevée dans le sens de déplacement de la cellule orageuse qui lui a donné naissance.

Une rafale descendante peut également être précédé par un front de rafales mais il n’est pas toujours aisé de faire la distinction entre les deux phénomènes, surtout si le front de rafales est vigoureux.

Les rafales descendantes peuvent engendrer d’importants dégâts, que ce soit à la végétation mais également aux habitations. En effet, les vents peuvent parfois dépasser les 150, voire 200 km/h dans les cas les plus extrêmes. Le 14 juillet 2010 par exemple, de telles vitesses ont pu être atteintes très localement.

Les orages à maturité sont constitués d’un courant ascendant et d’un courant descendant opérationnels. Le courant descendant se forme lorsque les gouttelettes d’eau ou de grésil deviennent trop lourdes pour être supporté par le courant ascendant. Ces particules d’eau et de glace vont donc entamer une descente vers le bas donnant ainsi naissance au courant descendant. C’est un processus « classique » pour tous les orages.

Cependant, il peut arriver que dans leur chute, les particules d’eau et de glace rencontrent une couche d’air sec. En traversant celle-ci, certaines de ces particules vont s’évaporer et refroidir ainsi l’air ambiant.
Etant donné que l’air froid est plus lourd que l’air chaud, le poids de cet air refroidi va fortement accentuer la vigueur du courant descendant. Précisons qu’à chaque étape de sa descente vers le sol, l’air situé à l’intérieur du courant descendant sera plus froid que son environnement et donc plus lourd, processus qui accentue de fait sa chute vers le sol (parfois supérieure à 80 km/h)
Lorsque dans les basses couches de  l’orage,  l’air est fortement chargé en humidité, celui-ci va s’humidifier et "peser" encore plus lourd avant de toucher le sol.

Tous ces éléments vont amener la survenue au sol d’un courant descendant puissant capable de provoquer d’importants dégâts aux habitations et à la végétation. Cette « chute » peut être comparée à une gigantesque chasse d’eau. Lorsque l'impact au sol a lieu, l’air froid va se propager dans toutes les directions avec une intensité plus forte dans le sens de déplacement de la cellule orageuse. Un vortex horizontal (appelé "ring vortex" en anglais) va se former à l’extrémité de la rafale descendante, lequel vortex, dans le cas d’une rafale descendante sèche, ne sera visible que par la poussière qui est soulevée par le vent violent.

Outre les éléments dont nous venons de faire part, d’autres facteurs peuvent venir accentuer la vigueur d’une rafale descendante.
Les recherches menées par notre collectif sur les rafales descendantes ayant eu lieu en Belgique ces dernières années ont permis de mettre en avant des situations météorologiques bien particulières, pratiquement toutes marquées par la présence d’une puissante dynamique d’altitude.
Pour bien comprendre, commençons par l’effet que va avoir cette puissante dynamique sur les orages.
Lorsque la situation météorologique est dominée par la présence de vents très forts en altitude, ceux-ci vont amener les orages à se structurer en lignes. Ces orages en ligne (lignes de grains) vont se déplacer rapidement et un puissant front de rafales va se mettre en place à l’avant de la structure.
Dans ce type d’orages, les courants ascendant se trouvant à l’avant et les courants descendants se trouvant à l’arrière.

Lorsqu’un vent violent souffle à une altitude proche ou supérieure à 5000 mètres, celui-ci va littéralement rentrer dans le nuage orageux, à environ mi-hauteur.
Cet air, qui est généralement très sec, va brutalement provoquer l’évaporation des gouttelettes d’eau et des particules de glace situées à l’endroit du nuage où cette intrusion d’air sec a lieu. Cette évaporation soudaine va alourdir l’air et entamer rapidement une chute vers le sol.
Bien sûr, comme la force du vent n’est pas identique partout, les intrusions d’air sec se font plus marquées à certains endroits par rapport à d’autres.  En outre, comme au sein de lignes de grains, les orages sont à des stades d’évolution différents, les intrusions d’air sec n’aboutiront pas aux mêmes effets pour chaque cellule. Ainsi, il peut arriver dans certains cas que l’on assiste à la survenue de rafales descendantes consécutives.

Les types d'orages pouvant produire les plus fortes rafales descendantes

Les orages monocellulaires peuvent parfois produire des rafales descendantes. Cependant, la vigueur du courant descendant est généralement moins élevée qu'au sein d'orages supercellulaires ou multicellulaires.

Le nombre de cas de rafales descendantes issues d'orages monocellulaires ne sont pas légions en Belgique. Cela s'explique par l'absence générale d'une forte dynamique d'altitude. En faisant référence au paragraphe sur la formation des rafales descendantes, la présence d'une puissante dynamique d'altitude peut accentuer la chute des précipitations vers la surface, intensifiant ainsi l'impact de la rafale descendante au sol.

Cependant, le risque d'avoir la survenue de rafales descendantes "humides" au passage d'orages monocellulaires est le plus important lorsque l'orage est stationnaire ou quasi stationnaire. En effet, l'air froid issu de l'orage stagne et forme ce que l'on nomme une poche d'air froid. Ce dernier faisant baisser la température sous l'orage, cet air froid et plus sec peut accentuer la chute du courant descendant. En faisant référence au chapitre consacré à la formation du phénomène, la sécheresse amène une évaporation partielle des particules d'eau et de glace. Cette évaporation refroidissant encore l'air ambiant, le poids du courant descendant est, de ce fait, plus important.

On note que les orages monocellulaires sont les plus à même à produire des rafales descendantes "sèches". Cependant, ce type de rafales descendantes se retrouve assez rarement dans nos contrées.

Avant d’aller plus loin, revenons d'abord à la base même du fonctionnement d’un nuage orageux monocellulaire classique, où les précipitations finissent par retomber à l’intérieur de la cheminée du courant ascendant. De ce fait, la chaleur et l’énergie acheminés par celui-ci vont disparaître et la cellule va finir par se désagréger (voir dossier sur la généralité des orages).

Lorsque la cellule orageuse se trouve dans un contexte cisaillé (présence d’un cisaillement de vent vertical de vitesse), le vent, soufflant plus fort en altitude que dans les couches moyennes et à la surface, incline la colonne ascendante. Si la cellule est également dotée d’un cisaillement horizontal, nous sommes alors en présence d’une situation propice au développement d’un orage supercellulaire, les vents soufflant dans des directions bien spécifiques (vents cycloniques) engendrant de ce fait une rotation du nuage orageux.

Comme la colonne ascendante est inclinée, les précipitations retombent en dehors du courant ascendant permettant ainsi à celui-ci de perdurer. De plus, les précipitations cessant de chuter dans la cheminée ascendante ne sont donc plus "freinées" par celle-ci.
Dès lors, les précipitations retombent plus facilement et intensifient le courant descendant. Pour peu que ces précipitations rencontrent une couche d'air sec (ce qui arrive assez fréquemment), l'évaporation de celles-ci va entraîner une accentuation de la vigueur du courant descendant. Au sein des supercellules, le courant descendant est nommé "FFD pour "Forward Flank Downdraft" (ou courant descendant de flanc avant) - Voir le dossier sur la généralité des orages.

Cependant, les recherches menées aux Etats-Unis ont démontré qu'au sein d'une supercellule,  le "FFD" n'était pas le seul courant descendant capable de produire une rafale descendante.  En effet, ces recherches ont permis de démontrer que certaines rafales descendantes pouvaient également se produire au passage du "RFD" pour"Rear Flank Downdraft" (ou courant descendant de flanc arrière).
Cependant, la formation même de ce type de rafales descendantes n'est pas tout à fait identique à celles décrites dans ce dossier.
On pourrait même dire que le "RFD" est en quelque sorte lui même une puissante rafale descendante. Ce courant aérien peut en effet frapper violemment le sol et produire ainsi de puissantes rafales de vent.

En Belgique, les dégâts provoqués par le passage d'un RFD sont souvent difficiles à distinguer de ceux produits par une rafale descendante issue du "FFD".
Toutefois, les recherches menées par notre collectif nous ont permis d'envisager la possibilité d'avoir eu un puissant "RFD" le 7 juin 2012, ayant brisé des centaines d'arbres dans la région de Zutendaal, en province de Limbourg. A défaut de pouvoir confirmer cela, cela reste bien entendu une hypothèse.

Les recherches menées au sein du collectif Belgorage mettent clairement en avant un plus grand nombre de rafales descendantes issues d'orages multicellulaires par rapport aux orages monocellulaires ou supercellulaires.

En fait, tous les types d’orages multicellulaires sont susceptibles de produire des rafales descendantes mais dans ce dossier, nous allons nous attarder sur ceux qui s'avèrent probablement les plus à même de produire des dégâts, à savoir les orages multicellulaires dits "en ligne" ou appelés "squall lines storm" en anglais.
Nous pouvons citer les lignes de grains, les échos en arc, les LEWP et les derechos.

Chacun de ces types d’orages en ligne évoluent, passant parfois d’une étape à une autre. Par exemple, une ligne de grains « classique » mais sous l’influence d’un courant jet peut évoluer vers un écho en arc : le jet soufflant plus fort au centre de la ligne qu’aux extrémités, cette ligne d’orages va alors prendre une forme courbée et deviendra plus violente.
De même, un LEWP est le résultat de l’évolution d’une ligne de grains de structure classique, mais dont l’intensité bien plus élevée peut produire des mésocyclones voire des tornades.

En Belgique, des orages multicellulaires en ligne se produisent plusieurs fois par an. Mais les plus « extrêmes », à savoir les LEWP et les derechos, se font beaucoup plus rares.
Les orages en ligne se constituent le plus souvent à l’avant d’un puissant front froid.
Comme vu précédemment, ces orages sont donc disposés en ligne (linéaire ou courbée) et chaque cellule orageuse qui la compose se trouve à un stade évolutif qui lui est propre. Toutefois, nous retrouvons les cellules les plus vigoureuses à l’avant de la ligne et une zone plus calme dite "stratiforme" à l’arrière.
L’important contraste thermique entre les différentes couches troposphériques permet le développement rapide des cellules orageuses d’autant plus que celles-ci se déplacent rapidement.
En outre, nous retrouvons un fort gradient thermique entre l'air situé à l'avant des cellules orageuses et l'air froid issu des courants descendants. Cet important contraste de températures va engendrer un front de rafales plus ou moins intense, auquel peuvent s'ajouter des rafales descendantes souvent vigoureuses.

Or, étant donné qu'au sein d'orages multicellulaires, différentes cellules orageuses s’organisent entre elles à des stades de développements différents, chaque cellule est donc susceptible de produire à un moment ou à un autre une rafale descendante.

Il peut même arriver que deux cellules côte à côte produisent au même moment chacune une rafale descendante. Sur le terrain, on peut donc avoir affaire à plusieurs couloirs de dégâts plus ou moins sévères.

Comparaison des dégâts entre les rafales descendantes, les fronts de rafales et les tornades

Contrairement à ce que l’on pourrait croire, les tornades ne sont pas les seuls phénomènes à produire des dégâts sur des zones restreintes. En effet, au sein même des rafales descendantes se produisent des couloirs d’accélération parfois dénommés "burst swath", qui le plus souvent ne mesurent qu’une dizaine de mètres de large.
Bien entendu, ces "burst swath" faisant partie d’une rafale descendante plus large, d’autres dégâts sont occasionnés à d’autres endroits.

Les fronts de rafales puissants produisent quant à eux des dégâts généralement plus réguliers, et sur des superficies plus grandes.

Les tornades sont des phénomènes extrêmement brefs (quelques secondes lors du passage à un endroit donné). Les microrafales perdurent quelques minutes et les macrorafales plus d’une dizaine de minutes, à l’instar des fronts de rafales.

Une tornade provoque des dégâts concentrés et convergents tandis qu’une rafale descendante produit des dégâts divergents. Toutefois, comme nous l’avons décrit dans le paragraphe sur la formation des rafales descendantes, il peut arriver que deux microrafales se forment à proximité l’une de l’autre, en quel cas, les dégâts observés seront plus difficiles à analyser, mais cela reste une situation peu courante.

Références

Afin d'élaborer ce dossier, nous avons parcouru de nombreux liens, la très grande majorité d'entre eux provenant d'Internet et en langue anglaise.

Voici une liste des sites consultés afin de rédiger ce dossier. La très grande majorité des données proviennent du National Weather Service et du National Severe Storm.

Atmos

Skystef

Keraunos

NSSL/NOAA

NWS/NOAA