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Les tempêtes

Le phénomène tempête

Quelques questions

Quels sont les paramètres météorologiques qui régissent l’état atmosphérique ?
L’atmosphère (du grec atmos, vapeur) est l’enveloppe gazeuse ceinturant en couches concentriques la Terre, jusqu’à une altitude voisine de 800 km. C’est au sein de l’atmosphère que prennent naissance les phénomènes météorologiques conditionnant le climat.

  Stratification atmosphérique


Trois grands paramètres permettent de caractériser l’état de l’atmosphère et de prévoir, par leur quantification et leur variation, ses perturbations :

la pression atmosphérique correspond à la pression exercée, sur une unité de surface, par la masse de la colonne d’air située à l’aplomb de cette surface. Elle diminue de ce fait avec l’altitude, suivant un gradient moyen (dans les basses couches de l’atmosphère) de 3 hectopascals (hPa) par tranche de 25 m.

La pression de référence, utilisée pour définir " haute " et " basse " pression est de 1013 hPa (soit 1013 mbar), correspondant encore à la pression d'une colonne de mercure de 760 mm de haut (baromètre de Torricelli). Il s'agit de la pression exercée au sol avec une température de 0 °C, au niveau de la mer et à une latitude de 45 °.

Au niveau de la mer, en France métropolitaine, la pression atmosphérique varie entre 950 hPa et 1050 hPa. Les zones de basse pression sont appelées dépressions, celles de haute pression anticyclones.

la température est un paramètre très variable, notamment en fonction de l’altitude, de la longitude, de la saison, des conditions météorologiques, etc. Elle diminue depuis le sol jusqu’au sommet de la troposphère, sauf cas très particuliers, suivant un gradient moyen de 0,6 °C par 100 m d’élévation.

le taux d’humidité (ou hygrométrie) correspond à la quantité d’eau contenue dans l’air sous forme de vapeur, provenant de l’évaporation des mers et des lacs notamment, et de la transpiration des plantes. Plus l’air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d’eau.

Qu’est-ce qu’une tempête ?

Les dépressions atmosphériques assurent la stabilité des températures climatiques observées dans l’atmosphère : elles sont la matérialisation dans les zones extratropicales des échanges nécessaires de chaleur entre l’équateur et les pôles.

Une tempête correspond à l’évolution d’une perturbation atmosphérique, ou dépression, pouvant s’étendre sur une largeur atteignant 2 000 km et le long de laquelle sont confrontées deux masses d’air aux caractéristiques distinctes (température, teneur en eau). De cette confrontation naissent notamment des vents pouvant être très violents. On parle de tempêtes lorsque les vents dépassent 89 km/h (soit 48 nœuds - degré 10 de l’échelle de Beaufort).

L’échelle de Beaufort, mise au point en 1805 par un amiral de la marine britannique, est une échelle de classification des vents de douze degrés, basée sur leur force et sur les effets induits sur l’environnement.

Le degré 11 est ainsi caractérisé :

  • terme descriptif : violente tempête ;
  • vitesse du vent moyen : de 56 à 63 nœuds (de103 à 117 km/h) ;
  • effets observés en mer :
    lames exceptionnellement hautes,
    mer recouverte de bancs d’écume blanche,
    visibilité très réduite ;
  • effets observés sur terre :
    très rarement observée,
    s’accompagne en général de ravages étendus.

Ce dossier traite des tempêtes des zones tempérées. Il aborde le cas particulier des tornades.

Les tornades sont des phénomènes localisés mais potentiellement très destructeurs. Elles se caractérisent par une durée de vie limitée (de quelques minutes à quelques dizaines de minutes le plus souvent) et par un diamètre réduit (tourbillon de quelques mètres à quelques centaines de mètres très exceptionnellement). La tornade est une colonne d’air tournante très violente, issue d’un nuage instable qu’elle relie au sol. Dans cette véritable cheminée aspirante la pression est très basse, la chute de pression pouvant
atteindre 80 hPa.

  Tornade
Une trombe marine est une tornade prenant naissance sur une surface d’eau (et pouvant se transformer en tornade terrestre en abordant les terres).

Par ailleurs, en été, de forts orages (isolés ou en lignes de grains) peuvent occasionner de violentes rafales de vent. Comme les cyclones, ils sortent du cadre de ce dossier.

Quelles différences entre tempête et cyclone ?

Le cyclone est un système de vent en rotation de grande échelle dû à une chute importante de la pression atmosphérique. D’une durée de vie de quelques heures à une trentaine de jours, il naît au-dessus des eaux chaudes tropicales. (Voir, sur le site de prim.net, les pages consacrées au risque cyclonique)

Tempêtes des latitudes tempérées et cyclones tropicaux se distinguent par quatre caractéristiques principales :

  • leur source d’énergie : les cyclones, dus pour l’essentiel à l’évaporation de l’eau de mer, ne peuvent donc prendre naissance que sur les zones océaniques. Les tempêtes naissent quant à elles des contrastes thermiques horizontaux de l’air : elles peuvent donc naître et se renforcer sur terre ;

  • leur morphologie : le cyclone tropical est symétrique autour de son œil ; les dépressions " tempérées " sont fortement asymétriques ;

  • la répartition des vents forts et des contrastes : formation d’une couronne de vents forts autour de l’¦il pour les cyclones ; organisation en tubes, prés des fronts pour les tempêtes ;

  • leur répartition géographique : les tempêtes touchent les zones tempérées et parmi elles l’Europe. Les cyclones ont pour lieu de prédilection l’océan Atlantique nord, le Pacifique et l’océan Indien, aux latitudes comprises en 5° et 35° Nord et Sud. Cependant, certains cyclones tropicaux " en fin de course " sont susceptibles de conserver une énergie suffisante pour être à l’origine de " coups de vent " générateurs de dégâts conséquents dans nos régions tempérées.

    Pour plus d’information sur les cyclones, on se reportera au dossier qui leur est consacré.

    Le phénomène tempête

    La naissance d’une tempête

  • Du nord de l’Atlantique vers l’Europe
    L’essentiel des perturbations touchant l’Europe se forme sur l’Atlantique, sur le front polaire séparant la zone d’air froid polaire (qui a tendance à s’écouler vers l’équateur) et la zone d’air chaud tropical (qui elle tend à remonter vers les pôles), soit entre 35 ° et 70° de latitude environ.

    Du fait de la dynamique de la haute atmosphère et de l’influence liée à la répartition des principales chaînes montagneuses, les dépressions hivernales de l’hémisphère nord tournoient en permanence en empruntant des trajectoires convergeant vers le pôle :
      - dans l’Atlantique nord, elles vont souvent du sud de Terre-Neuve au Groenland à l’est des États-Unis et du Canada ;
      - sous basses latitudes, elles se dirigent vers la Russie en traversant le nord de l’Europe ou en s’incurvant vers la Méditerranée.
    On parle de rail des dépressions (ou encore de lit perturbé), le long duquel se suivent les tempêtes au rythme d’une par jour en hiver. Toutes n’arrivent pas sur notre continent et restent en général en mer.

    Certaines perturbations trouvent leur origine dans des cyclones tropicaux atlantiques en fin de vie, remontés à travers l’Amérique du Nord puis repris par les courants d’ouest qui les conduisent jusqu’en Europe. Les conditions atmosphériques rencontrées sur leur chemin peuvent alors leur conférer une énergie suffisante pour qu’on puisse les qualifier de tempêtes.

    Enfin, certaines dépressions naissent sur la Méditerranée et intéressent en premier lieu l’Europe du Sud (Espagne, sud de la France et Italie notamment).

  • En hiver et en automne
    Les tempêtes " classiques " des régions tempérées surviennent surtout au cours des mois d’automne et d’hiver, notamment en janvier et février, voire en novembre et décembre (moins souvent en octobre ou en mars). Les cas de tempêtes recensés au cours des autres mois de l’année sont beaucoup plus rares. Cette répartition temporelle des événements tempétueux explique la dénomination de " tempêtes d’hiver ". Elle est notamment due au fait que les océans étant encore relativement chauds et l’air polaire déjà froid, le gradient de température entre les deux masses d’air en jeu est important. La puissance de la tempête est d’autant plus forte que ce gradient est élevé.
      Le cas des tornades
      Les tornades sont généralement associées aux conditions orageuses. Elles nécessitent un air humide, chaud pour la saison. En France, le plus grand nombre se produit entre juin et août. En saison hivernale (novembre à mars), on les rencontre plutôt à l’intérieur du pays, associées à des lignes de grains nées à l’avant de fronts froids tempétueux.

    La vie d’une tempête

    Dans la zone tempérée qui nous intéresse, appelée front polaire, les masses d’air froid et humide venant des pôles et les masses d’air chaud et sec venant du tropique [voir hors-texte pages précédentes] ne se mélangent pas, leurs caractéristiques physiques étant trop différentes. L’atmosphère n’est donc pas un milieu fluide homogène et les masses d’air le composant se déplacent en permanence.

    Le contact entre deux masses d’air de caractéristiques différentes est appelé front atmosphérique. On distingue deux types de front : les fronts chauds et les fronts froids.

      Fronts chauds, fronts froids
    Du fait de la différence de densité entre les masses d’air chaud (lègère)
    et froid (lourde), un front est généralement oblique.

    Naissance et évolution

    Une perturbation prend forme et évolue de la façon suivante :

  • une ondulation affecte un front initialement stationnaire ;
  • des mouvements tourbillonnaires se forment, par effet de Coriolis, autour d’une dépression entre un front chaud en avant et un front froid en arrière ;
  • l’air initialement chaud et chargé d’humidité se refroidit et se condense entraînant la formation de nuages de pluies ;
  • le front froid compresse l’air chaud : les pluies et les vents augmentent ;
  • coupée de sa source par le front froid, la masse d’air chaud s’élève et n’a plus de contact avec le sol (formation d’un front occlus) ;
  • le front chaud disparait ; l’humidité restante se déverse ;
  • la tempête s’apaise et le front stationnaire se reforme, en attendant un prochain cycle.
  • Frontogènèse


      Le cas des tornades
      Il existe plusieurs variantes de tornades. Toutefois, on observe habituellement cinq étapes :

    • la mise en place : une colonne d’air en rotation se développe au sein d’un cumulonimbus, puis se dirige vers le sol. Un nuage en forme d’entonnoir (le tuba) descend en tourbillonnant vers le sol ;
    • la naissance : en atteignant le sol, la colonne devient, par définition, une tornade ;
    • la phase de maturité : le tuba atteint son plus grand diamètre, en restant au contact du sol la plupart du temps (des rebonds sont possibles). C’est au cours de cette phase que la tornade cause les dégâts les plus importants ;
    • la phase d’affaiblissement : le tuba se rétrécit et s’incline par rapport à sa position verticale initiale ;
    • le déclin : le tuba prend progressivement l’aspect d’une corde, se contorsionne, puis disparaît.

    La notion de rail des dépressions, le long duquel prennent naissance et évoluent les tempêtes, est récente. Elle est appelée à remplacer, en le précisant, le concept de front polaire :

  • existence d’un contraste thermique horizontal sur l’épaisseur de la troposphère (8 à 9 km), lié notamment au courant-jet (jet-stream) : ce contraste constitue une énergie potentiellement convertible en vent par un " moteur atmosphérique " [schéma 1] ;
  • existence de deux petits tourbillons dans le rail, l’un en surface et l’autre en altitude, situés de façon légèrement décalée dans l’espace l’un par rapport à l’autre : cette configuration favorise la croissance de la tempête avec une " fabrication " de vent. L’énergie thermique associée au courant-jet est également transformée en vent, au moyen de circulations d’air verticales [schéma 2] ;
  • progression vers l’est du système dépressionnaire par interaction avec le courant-jet, d’autant plus rapidement que celui-ci est fort [schéma 3] ;
    explosion de la dépression en tempête, au bout du Rail : la dépression
    se vide de son air, la pression baisse brutalement, le vent accélère avec force [schéma 4] ; [ voir 1, 2, 3, 4 dans le schéma "courant-jet" en bas de page].
  • formation de petits " courant-jets " à un ou deux kilomètres du sol, à l’origine de la formation de nouvelles structures : les fronts atmosphériques, au sein desquels se concentrent les effets des dépressions (vents les plus forts, maximum de pluie, etc.) ;
  • peu après l’explosion, la progression vers l’est est terminée, la structure se simplifie. C’est la fin de la tempête.

    Le rail des dépressions peut prendre pendant une durée relativement longue plusieurs formes, dont deux caractéristiques conditionnent le temps en Europe :

  • une configuration dite de " blocage " (le rail se scinde en deux branches au niveau du 30e méridien ouest) : les tempêtes restent sur l’Atlantique, l’Europe reçoit peu d’eau ;

  • une configuration dite " zonale " (le rail s’étend le long du 50e parallèle, de Terre-Neuve jusqu’aux îles britanniques) : les tempêtes touchent modérément l’Europe.

    Rail des dépréssions

    Propagation : vitesse et direction

    Les tempêtes " d’hiver ", venant de l’Atlantique et frappant l’Europe, parcourent plusieurs milliers de kilomètres en une durée comprise entre quelques jours et une semaine environ.

    Elles progressent à une vitesse moyenne de l’ordre de 40 km/h à 50 km/h, traversant ainsi la France en moyenne en trois jours. À titre de comparaison, on notera que la vitesse de déplacement d’un cyclone tropical est de l’ordre
    de 20 km/h.

    Leur propagation se fait suivant une direction générale sud-ouest / nord-est. La configuration du rail des dépressions conditionne leur trajectoire.

      Le cas des tornades
      D’une manière générale, les tornades ont, de préférence, une direction orientée de l’ouest-sud-ouest vers le nord-nord-est. Toutefois, il est fait état de tornades se déplaçant dans tous les sens, avec des trajectoires apparaissant " aléatoires " (brusques changements, zigzags, demi-tours, cercles, etc.). En France, la vitesse de déplacement des tornades étudiées varie approximativement entre 10 km/h et 70 km/h.

      La trajectoire des tornades européennes est le plus souvent inférieure à quelques kilomètres. Certaines dépassent 20 km, et quelques rares phénomènes dépassent 40 km.

    Les manifestations des tempêtes

    Les vents

    Les vents sont la conséquence directe de l’inégalité des pressions. Ils sont ainsi d’autant plus violents que le gradient de pression entre la zone anticyclonique et la zone dépressionnaire est élevé. On notera par ailleurs que l’énergie d’un vent est proportionnelle au carré de sa vitesse (un vent de 200 km/h exerce une force quatre fois supérieure à celle d’un vent de 100 km/h).

    Du fait des forces de frottement :

      - la vitesse des vents à l’intérieur des terres est souvent inférieure à celle des rafales soufflant sur les mers. De plus, l’intensité des vents décroît au fur à mesure de l’avancement de la perturbation sur le continent. Ceci explique la menace pesant plus particulièrement sur les zones littorales ;
      - en revanche, en raison du caractère turbulent de l’écoulement de l’air, la violence (et donc le pouvoir destructeur) des vents terrestres peut être sensiblement supérieure à celle des vents marins.

    Bien que le développement d’une tempête résulte d’interactions entre les basses couches de l’atmosphère et le courant-jet, sa force n’est globalement que peu sensible à la surface du sol dès lors que la dépression existe. Un courant-jet assez fort associé à des phénomènes tourbillonnants d’une amplitude suffisante sont de nature à compenser les déperditions dues sur terre aux forces de frottement, et à entraîner une amplification de la tempête.

    Les vents sont dus non seulement aux différences de température des masses d’air, provoquant des différences de pression, mais aussi notamment :

    • à la rotation de la Terre (force de Coriolis) ;
    • à la courbure des trajectoires des courants aériens ;
    • aux frottements sur la surface terrestre.
      Le cas des tornades
      Les vitesses maximales estimées des vents dans les tornades les plus fortes sont de l’ordre de 450 km/h, tandis que les courants ascendants au c¦ur de la tornade atteignent 290 km/h.

    La pluie

    Les pluies potentiellement importantes associées aux tempêtes constituent un phénomène générateur d’aléas importants : inondations plus ou moins rapides, glissements de terrains et coulées boueuses.

    Les vagues et les marées

    Le passage de fortes tempêtes s’accompagne généralement, sous l’effet conjugué du vent et d’un état dépressionnaire très marqué, de marées anormalement hautes. Pour les tempêtes les plus importantes, la hausse temporaire du niveau de la mer peut être supérieure de plusieurs mètres par rapport au niveau d’eau " normal ", et devenir ainsi particulièrement dévastatrice. Ce phénomène est appelé marée de tempête.
    La hauteur des vagues, et donc les dommages qu’elles sont susceptibles de causer, sont directement fonction de la vitesse du vent. On considère ainsi qu’un vent établi soufflant à 130 km/h peut entraîner la formation de vagues déferlantes d’une hauteur de 15 m.

  •  

    Quelques définitions

    L’atmosphère est constituée d’une succession de couches aux caractéristiques chimiques, physiques et thermiques analogues.

    La troposphère, partie de l’atmosphère où nous vivons, s’étend jusqu’à 11 km d’altitude en moyenne (7 km aux pôles, 17 à 20 km à l’équateur). Elle est le siège d’un brassage intense de masses d’air, vertical et horizontal : c’est le domaine de la majeure partie des phénomènes météorologiques. La troposphère est constituée d’un mélange de vapeur d’eau et de gaz, avec une prédominance de l’azote (78%) et de l’oxygène (21%). De nombreux autres gaz, tels l’argon, l’anhydride de carbone et le néon, complètent ce mélange.

    La pression atmosphérique est exprimée en hectopascals, unité abrégée
    " hPa", exprimant la pression exercée par une masse de 1,013 g sur une surface
    de 1 cm2.

    Une ligne de grains est une ligne d’instabilité bien marquée, accompagnée de rafales de vents, de turbulences et souvent de fortes averses orageuses.

    Un front chaud sépare une masse d’air chaud poussant une masse d’air froid.

    Un front froid sépare une masse d’air froid poussant une masse d’air chaud.

    Quelques précisions

    Les circulations des masses d’air

    Les processus qui génèrent les circulations des masses d’air et, au-delà, mènent à la formation des tempêtes sont complexes.
    On essaiera ici, de manière très simplifiée, d’en souligner les grandes lignes.
    On notera que le processus décrit ici pour l’hémisphère nord est identique, mais inversé comme dans un miroir, dans l’hémisphère sud.

    À l’équateur, l’air fortement chauffé par le Soleil, monte en altitude, provoquant une basse pression au sol (1). L’air tropical se met en mouvement pour " remplir " cette dépression (2), tandis qu’en altitude, l’air se refroidit et redescend peu à peu jusqu’à atteindre le sol, au niveau de la latitude 20° (3). Ce cycle vertical forme comme un tube autour de la Terre (cellule de Hadley). C’est parmi les hautes pressions créées au niveau du 20e parallèle que l’on trouve notre célèbre anticyclone des Açores et les grandes régions désertiques.

    Vers le pôle, l’air est très froid et dense, créant une zone de haute pression, qui ne demande qu’à se " vider " vers les zones tempérées au sud (4). En passant sur l’océan, l’air se charge en humidité et se réchauffe, ce qui provoque sa montée en altitude et une zone de basse pression au niveau de la latitude 60° (5). En retournant vers le pôle, l’air crée ainsi une seconde boucle (6).

      Cellule de Hadley


    Dans les zones intermédiaires, justement appelées " tempérées ", les différences de températures étant atténuées, les circulations verticales en boucles sont moins marquées. Il existe bien un courant principal sud-nord (7) entre les hautes pressions tropicales et les basses pressions du cercle polaire, mais les forces de Coriolis prennent le pas sur les forces ascendantes ou descendantes. Les principales circulations d’air se font alors plutôt dans un plan horizontal en basse altitude.

    La force de Coriolis est la force centrifuge due à la rotation terrestre.
    Elle s’exerce sur tous les objets en mouvement, y compris l’atmosphère et les océans. Dans l’hémisphère nord, les vents sont déviés vers la droite.

    Ainsi, entre tropique et équateur, les vents sont déviés vers l’est, devenant les célèbres alizés du nord-est. C’est dans cette zone que se développent les cyclones tropicaux.

    Entre 20° et 60°, la déviation des vents vers l’ouest est accentuée par les courants jets [jet-stream].

      Force de Coriolis


    Dans le mouvement des vents entre les zones de hautes et basses pressions un équilibre se crée entre la force de Coriolis, centrifuge, et la force qui les attire vers le " creux " de la dépression (force de gradient de pression).

    Il en résulte un mouvement d’enroulement des vents autour de la zone de basse pression, suivant à peu près les lignes d’égale pression.

      Mouvement d'enroulement


    Le courant-jet (ou jet-stream) est une zone de forts vents d’ouest dominant, formant un ruban étroit situé dans des latitudes moyennes et atteignant son maximum juste sous la tropopause.
    Le courant-jet ne " pousse " pas le système dépressionnaire : le vent fort est en altitude tandis que la dépression est en général tapie au sol.
    Celle-ci " pompe " dans le courant-jet de " l’essence " par la formation d’un " moteur atmosphérique ".

      Courant-jet


    Vitesses maximales de vents enregistrées en France métropolitaine :

      - en plaine, 252 km/h à Belfort en 1955 ;
      - en montagne, 320 km/h au mont Ventoux en 1967.

    Des vitesses au sol atteintes par les vents à l’occasion de quelques tempêtes récentes

    - rafales à 200 km/h et 180 km/h respectivement sur l’île d’Oléron
    et dans la région parisienne, à l’occasion des tempêtes de décembre 1999 ;
    - anémomètre bloqué à 216 km/h à la pointe du Raz (Bretagne) le 16 octobre 1987 ;
    - 209 km/h au cap Sagro en Corse le 19 décembre 1988.

     

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