Formation d’une supercellule / Analyse de la tornade du Lac-Drolet

tornade lac drolet

Les supercellules sont parmi les manifestations de la nature les plus impressionnantes. En tant que chasseur de tempêtes, il s’agit du type d’orages que nous voulons le plus observer.

Les supercellules sont responsables de la plupart des phénomènes de temps violent, dont les tornades. Lors de la journée du 1er Aout 2006, le sud du Québec a subi deux tornades. Une EF1 à St-Gédéon-de-Beauce et la tornade EF2 du Lac Drolet en Estrie. Il y a eu aussi beaucoup d’autres orages violents qui ont affecté plusieurs parties du Québec, sans pour autant donner des tornades. Quelles en sont les raisons ? Cet article tentera de démontrer les ingrédients nécessaires pour discriminer les supercellules avec un potentiel tornadique ou non avec pour exemple l’évènement du 1er Aout 2006.

Mais avant tout, voici quelques notions sur les ingrédients nécessaires à la formation des orages supercellulaires.

La formation des supercellules.

Par définition, une supercellule est un orage avec un mésocyclone persistant. Le mésocyclone est tout simplement le courant ascendant de l’orage qui est en rotation. Nous avons besoin de 4 ingrédients clés pour la formation de ce type d’orages;

-Instabilité

-Humidité

-Soulèvement

-Cisaillement

Prenons chacun de ces ingrédients un à un en commençant par l’instabilité. Il s’agit tout simplement de la mesure d’énergie convective potentielle des courants ascendant aussi appelé CAPE. Une atmosphère peut être instable de plusieurs façons, avec une dépression qui arrive et refroidit l’air en hauteur alors que l’air est toujours chaud et humide au sol par exemple. Le réchauffement diurne joue un grand rôle aussi. Plus la température et l’humidité sont élevées au sol et plus rapidement ils diminuent dans la moyenne atmosphère, plus le potentiel convectif est important. Pour les orages, dépendant du setup en place, l’énergie n’est pas obligé d’être très élevé. Des valeurs de CAPE de 500 à 1000 peuvent parfois suffire pour soutenir de bons courants ascendant.

L’humidité joue un rôle important pour l’énergie, mais aussi pour la hauteur de la base des nuages, le type de supercellules possibles entre autres. Tous ces points sont importants pour identifier un potentiel tornadique. Une base trop élevée des nuages a tendance à réduire le risque alors que trop ou pas assez d’humidité aussi. Un écart de 5 à 10°C entre le point de rosée et la température est généralement l’idéal dans les 3 premier kilomètre de l’atmosphère.

Le soulèvement est ce qui va créé un mouvement vers le haut de l’air. Un front, un creux, des outflow boundaries, une dryline (USA seulement), la convergence de vents au sol, la divergence amenée par un courant-jet, des montagnes… Bref la liste est longue, nous verrons plus en détail certains de ces phénomènes plus loin. Mais pas de soulèvement, pas de courant ascendant, donc pas d’orages. Les drylines sont très prisées dans Tornado Alley puisque ce type de soulèvement n’apporte pas les inconvénients d’un front froid et si les orages s’éloignent assez d’elles dans un bon environnement, l’humidité disponible pour les orages risque d’être mieux balancé. Ce type de phénomène n’existe pas au Québec.

Finalement, l’ingrédient maitre pour la formation des supercellules est le cisaillement des vents. Il en existe deux types. Le cisaillement en vitesse et le cisaillement directionnel.

Le cisaillement en vitesse est la différence entre la force des vents au sol et celle en moyenne altitude.

Speed

Les vents plus faibles au sol et plus fort en altitude contribuent à créer un effet de rouleau compresseur dans l’air et sera relié à la formation du mésocyclone plus tard. Il s’agit d’une forme de vorticité. Pour voir si on a un potentiel de supercellule, on regarde la plupart du temps le cisaillement en vitesse entre la surface et 6 kilomètres de hauteur (0-6km). Le minimum requis est d’environ 30 noeuds et l’idéale se situe à 40 noeuds. On calcule ce paramètre en prenant la vitesse des vents à 6 km et en soustrayant à la vitesse de surface. Par exemple, si on a des vents de 45 noeuds à 6 km et des vents de 5 noeuds au sol on fait 45-5 = 40 noeuds pour le cisaillement 0-6 km.

Il s’agit d’une mesure importante pour la rotation mais aussi pour que le courant ascendant ne soit pas noyé dans les précipitations de l’orage. Si vous avez une différence de vents trop faible entre la moyenne altitude et la surface, les précipitations tomberont directement dans le courant ascendant ce qui l’étouffera et mènera à la mort de l’orage. Voilà pourquoi il est préférable d’avoir au minimum 30 noeuds de différence.

Passons maintenant au cisaillement directionnel. Il s’agit du changement de direction des vents avec la hauteur.

directionnel

Sur cet exemple, nous avons des vents de surface en provenance du sud-est alors que plus on monte en altitude, ils passent sud-ouest pour finalement venir de l’ouest plus en hauteur. On a ici un bon cisaillement directionnel qui va induire encore plus de tourbillon, surtout dans les 3 premiers kilomètres de l’atmosphère. Il s’agit de l’helicité, et c’est un indice important pour la formation du mésocyclone de bas niveau. On peut même seulement regarder le cisaillement entre 0-1 km car celui-ci est souvent le meilleur discriminateur pour voir le potentiel tornadique. Le vent courbe beaucoup en montant dans l’atmosphère avec ce genre de profil ce qui est parfait pour la formation des tornades. *Nous expliquerons plus en détail ce que représentent tous ces graphiques un peu plus loin.

Exemple d’un profil de vent courbé.

Drolet téphi-hodo 1

Cependant, imaginer que les vents soient pratiquement tous de la même direction, disons du sud-ouest. Nous aurions toujours du cisaillement en vitesse, mais pas en direction, on appelle ce profil cisaillement unidirectionnel. Il est toujours possible d’avoir des supercellules mais le risque d’interaction entre celles-ci est beaucoup plus grand car cela augmente le risque de séparation des courants ascendants. Aussi, en séparant les courants ascendants, l’environnement ajoute une étape de plus pour que le mésocyclone se forme avec un tourbillon entrant directement dans celui-ci. Quand les orages interagissent trop ensemble, ils ont aussi tendance à devenir linéaire. Ces orages produisent plus rarement des tornades.

Exemple d’un profil de vent unidirectionnel.

linéaire

Bref, voici donc ce que ça donne lorsqu’on met tout ça ensemble.

Cisaillement

Nous avons donc notre rouleau compresseur qui tourne, encore plus de tourbillon au sol produit par le cisaillement directionnel et un courant ascendant qui redresse le tout de façon verticale dans le nuage d’orage qui se sera formé car l’atmosphère est instable et humide. Le mésocyclone de moyen niveau se forme, si l’helicité est suffisante, le mésocyclone de bas niveau deviendra plus fort et cela peut engendrer une tornade !

Parfois, les ingrédients sont là, mais il ne se passe rien.

Il existe aussi des moments ou, même si tous les ingrédients sont réunis, il ne se passera pas grand-chose ou bien la supercellule ne produira tout simplement pas de tornade. C’est le cas notamment lorsque nous avons affaire à un CAP, ou si vous préférez une inversion de température.

Graphique (téphigramme) montrant une inversion de température ou CAP.

cap

Plus on monte en altitude, plus la température se refroidi, normalement. Cependant il arrive des moments ou la température à la surface est beaucoup plus froide qu’en altitude. Cela arrive souvent lorsqu’il fait chaud et que, quand le soleil se couche, la température commence à refroidir à la surface, mais la chaleur prend beaucoup plus de temps à partir un peu plus haut en atmosphère.

L’air chaud doit monter pour se condenser et réaliser son potentiel de convection. Cependant si la parcelle d’air qui monte rencontre de l’air encore plus chaud qu’elle, elle cessera de se soulever et rien ne se passera si cela dure trop longtemps. Comment une inversion s’érode telle ? Soit par le réchauffement diurne, donc que les températures augmentent graduellement vers la surface, ou bien par le refroidissement en moyenne altitude, ce refroidissement vient souvent de l’approche d’une dépression.

Le CAP est une lame à double tranchant. Il est en fait préférable d’en avoir un peu, mais pas trop. Une trop grosse inversion empêchera toute convection, tandis qu’aucun CAP dans un environnement instable favorisera trop l’interaction des orages ce qui diminue le potentiel de temps violent. L’idéale, c’est le principe de la casserole pleine d’eau bouillante. Quand le couvercle est dessus, la vapeur ne peut pas monter. Quand il n’y a aucun couvercle, la vapeur s’échappe sans retenue. Quand il y a un couvercle, mais qu’on enlève celui-ci après un certain temps, à ce moment la vapeur monte en explosant. Il se passe la même chose avec les orages, qui ont alors tendance à devenir violents et rester plus isolés dans ce dernier scénario.

Il va aussi arriver que des supercellules prennent naissance, mais qu’elles ne produisent pas de tornades. En fait, seulement quelque 25-30% des orages supercellulaires produiraient des tornades. La science tente encore d’élucider ce mystère, pourquoi certains orages en produisent, alors que d’autres non ? Il y a une petite piste du coté du RFD cependant, le RFD est le Rear Flank Downdraft de la supercellule, ce sont des courants descendants qui proviennent des hauteurs de l’orage et qui sont un peu plus froids et secs que l’air ambiant. Il est situé derrière le courant ascendant en rotation (mésocyclone) de la supercellule.

Apprenez en plus sur l’aspect visuelle et radar du RFD avec ces 2 articles: https://xtremchasequebec.com/2015/07/30/analyse-visuelle-dune-supercellule-classique/

https://xtremchasequebec.com/2015/04/06/faire-la-difference-entre-un-front-de-rafales-et-un-mesocyclonewall-cloud-nuage-mur/

Il semblerait que si le RFD soit plus froid d’environ 5°C que l’air ambiant au sol, cela serait suffisant pour empêcher la naissance d’une tornade. Plusieurs facteurs peuvent jouer la dedans, comme trop de précipitation dans le RFD ou que ce soit trop sec. Si les orages se forment trop près d’un front froid et que celui-ci bouge rapidement… Bref il faut toujours avoir une certaine balance.

Déroulement météo de la journée du 1er Aout 2006.

Pendant la journée du 1er Aout 2006, le Québec était en quelque sorte pris en sandwich entre un système dépressionnaire situé près de la Baie-James et un gros anticyclone dans le sud-est des États-Unis.

Carte de surface du matin montrant le système avec son front froid encore en Ontario et un front chaud traversant le Québec.

surfaceLe sud du Québec était situé sur le dessus de la crête de beau temps du sud-est des USA. Les températures lors de cette journée étaient très chaude, certains endroits on atteint des chaleurs au thermomètre de 33-34°C.

Avec le positionnement de l’anticyclone et de la dépression, les prémices étaient là pour que tous les ingrédients nécessaires à la formation d’orages violents soient là. La forte chaleur, l’humidité arrivant du golfe du Mexique et le cisaillement allait être optimal sur le sud du Québec. Les points de rosée sont d’ailleurs montés à des valeurs impressionnantes pendant la journée. Jusqu’à 25°C par endroits !

Carte de 850mb (1.5 km en altitude) ce matin-là.

850mb

Carte de 500mb (6 km en altitude) ce matin-là.

500mb

Carte de 250mb (10 km en altitude) ce matin-là. Celui-ci s’éloignait et ne jouerait pas un grand rôle dans cette journée.

250mb

La carte de prévision orageuse d’Environnement Canada pour cette journée était d’ailleurs sans équivoque. Il y aurait du temps violent sur le sud et le centre du Québec et la possibilité de tornade était là (représenté par le « T possible » sur la carte suivante).

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Mais comment faire pour s’y retrouver ? Comment faire pour déterminer à quel endroit il y a le plus de chances que des tornades prennent naissance ? C’est là qu’une analyse très minutieuse est de mise. Voici alors d’autres notions qui vous aideront à identifier un potentiel de tornade.

Le front froid qui allait entrer par l’ouest du Québec dans la journée allait très certainement donner naissance à des orages violents. Par contre, la région de l’Estrie était loin de ce front et manquait a priori de soulèvement. Il y avait cependant peut-être un petit creux dans cette région car des orages s’étaient déjà formés dans la matinée et tôt en après-midi.

Sat 1 1

Lorsque des orages passent en quelque part, ils déversent beaucoup de précipitations. Ces précipitations font partie de leur courants descendants qui sont aussi beaucoup plus froids que l’air alentour. Quand les orages s’en vont, la masse d’air dans laquelle ils ont évolué est modifié. Elle reste beaucoup plus froide qu’aux alentours parfois même pendant plusieurs heures. Ce phénomène s’appelle des « outflow boundaries » que l’on pourrait traduire en français par une frontière de courant descendant.

Les outflow boundaries (OFB) agissent un peu comme un front froid à petite échelle. Elles peuvent servir d’élément déclencheur pour le soulèvement de la masse d’air et aussi parfois augmenter un peu la vorticité localement puisque l’air chaud circule autour de l’air plus frais qu’elles produisent. Quand l’atmosphère redevient suffisamment instable dans ces régions, les orages peuvent prendre naissance de nouveau et bénéficier de plus de tourbillon près de ces frontières.

À noter que, comme dans le cas du RFD, si l’outflow est trop encore trop froid, cela peut couper le courant ascendant de l’orage et celui-ci s’éteindra après l’avoir traversée. Cependant, il est reconnu que cela peut tout de même augmenter momentanément la rotation dans l’orage.

Image satellite vers 16h40.

sat 2 2

On peut voir les outflow boundaries au radar quand elles sont proches de celui-ci, mais on peut très bien les distinguer au satellite aussi. Sur l’image du haut, on voit qu’en fin d’après-midi, les orages se sont éloigné de la région de l’Estrie. Dans la zone entourée en rouge, on voit aussi des zones sans nuages alors que des petits champs de cumulus se forment alentour. Ce sont des outflow boundaries. On voit aussi une mince ligne pointée juste à l’extérieur du rectangle rouge, il s’agit possiblement d’une petite outflow boundary aussi. Le village de Lac-Drolet est situé tout près de cette étroite ligne.

Les deux prochains graphiques représentent une coupe verticale de l’atmosphère. Celui à la gauche s’appelle un téphigramme, tandis que celui à droite est un hodographe. Le téphigramme permet de bien voir tout ce qui se passe dans l’atmosphère. On y retrouve la hauteur de l’atmosphère située sur sa gauche, les vents avec l’altitude située sur sa droite, la température (ligne rouge), le point de rosée (ligne verte), les températures (-10, 0, 10, 20, 30, ect) sont situés juste en dessous. La ligne pointillée représente le CAPE avec l’espace entre la ligne rouge, donc l’instabilité. Tous les ingrédients clés sont visibles sur les téphigrammes.

Le graphique de droite, l’hodographe, est quant à lui une représentation des vents en altitude seulement et toujours calculé en nœud. Chaque hauteur de l’atmosphère y est représentée pour démontrer quel profil de vent se retrouve dans notre setup. Comme nous le disions plus tôt, un hodographe qui est surtout linéaire ne favorise pas la rotation dans les bas niveaux, donc il ne favorise pas la formation des tornades. Un hodographe courbé, comme celui-ci, montre qu’il y a beaucoup de tourbillon disponible dans la basse atmosphère, donc le risque de tornade est bien présent.

* Petite précision pour le téphigramme et l’hodographe de cet évènement. Je l’ai bâti moi-même à l’aide du logiciel SHARPpy ainsi que de toutes les données archivées disponibles de cette journée avec l’aide du Storm Prediction Center et de Météocentre. J’ai utilisé les cartes de surface, de 925mb, 850mb, 700mb, 500mb, 300mb et 250mb ainsi que les téphigramme et hodographe environnant pour extrapoler le tout et donner une idée de ce à quoi l’atmosphère pouvait ressembler près de Lac Drolet au moment de la tornade.

Drolet téphi-hodo mod 1

Nous allons maintenant nous concentrer un peu plus sur l’hodographe car il contient d’autres informations importantes. Le sens de déplacement des orages est quelque chose d’important puisque cela détermine aussi la quantité d’helicité qui peut être ingérée dans le mésocyclone. Dans le cas-ci, le sens de déplacement normal des orages était indiqué par le petit carré brun sur l’hodographe. On parle souvent d’orages « left mover » et « right mover » en chasse d’orages. Il arrive parfois pour plusieurs raisons que les orages dévient de la trajectoire normale qu’ils devraient prendre. Les orages qui dévient à gauche sont appelés « left mover » et sont généralement moins fort car ils profitent de beaucoup moins d’helicité. Dans de très rare cas ils peuvent devenir dominant, mais 90% du temps, ils meurent. Les orages qui dévient à droite eux sont appelés « right mover ». C’est souvent le cas des supercellules, qui crée un peu leur propres environnements et ont tendance alors à bouger plus vers la droite du vecteur de déplacement normal. Ces orages vont bénéficier de beaucoup plus d’hélicité et se retrouvent avec un potentiel tornadique accru. Dans le cas de l’orage du Lac Drolet, celui-ci était légèrement right mover (étoile rouge sur l’hodographe).

* L’helicité est aussi l’abréviation SRH, pour Storm Relative Helicity.

Drolet téphi-hodo mod 11

Il existe aussi deux autres paramètres qu’on peut regarder pour évaluer un potentiel de tornade dans une région. Ces indices ne sont pas infaillibles car il faut les mettre en relation avec plusieurs autres choses mais dans le cas qui nous concerne ici, ils étaient dans le mille. Il s’agit du EHI (Energy Helicity Index) un indice qui met en relation le potentiel instable et l’helicité disponible et le STP (Significant Tornado Parameter) qui est un indice qui comprend beaucoup de variable.

On calcule le EHI de façon assez simple, on prend le CAPE x SRH / 160 000. Dans le cas présent, le logiciel a calculé l’helicité (SRH) disponible pour l’orage à environ 200, par rapport à son sens de déplacement. Le CAPE lui est à 3085. Donc si on calcule 3085 x 200 / 160 000 = 3.85. Un indice EHI en bas de 1 représente un risque de tornade presque inexistant. Entre 1 et 5, le risque de fortes tornades (EF2, EF3) est présent alors que supérieur à 5, le risque de tornades violentes (EF4, EF5) est la. le 3.85 concorde bien avec la EF2 du Lac Drolet.

Le STP était aussi favorable lors de cette journée comme le démontre le graphique ci-dessous. Sur ce graphique, la ligne jaune représente la valeur du STP. Chaque boîte verte représente le risque associé avec l’évènement présent (non tornadique, EF1, EF2, EF3, EF4+). Dans chaque boîte verte, il y a une petite ligne verte qui représente la moyenne de ce que l’atmosphère présente peut donner comme risque tornadique. On voit donc que la ligne jaune se rapproche le plus du risque de EF2-EF3 dans ce cas-ci. Encore une fois cela concorde avec la tornade du Lac Drolet.

Drolet téphi-hodo tor

Récapitulons un peu le tout. Nous avions donc beaucoup d’instabilité présente (environ 3000 de CAPE), juste assez d’humidité disponible, du soulèvement possible avec des outflow boundaries dans ce secteur et le cisaillement 0-6 km de 35 noeuds, plus qu’intéressant pour la formation d’orages violents, et un cisaillement directionnel 0-1 km de 20-25 noeuds très suffisants pour la formation de tornades. Le front chaud était devenu quasi stationnaire en Estrie/Beauce, ce qui augmentait localement l’helicité et créait une petite zone de convergence. En plus, il y avait possiblement une petite outflow boundary tout près de Lac Drolet. On ne pouvait demander mieux pour avoir une tornade !

Carte de surface montrant le cisaillement (flèche rouge et bleue), le front chaud (ligne rouge) et Lac Drolet (étoile rouge).

QC 2

Donc, vers 18h, le premier écho radar de l’orage qui allait donner la tornade était capté. La tornade a pris naissance environ vers 19h. Voici la représentation radar de l’évènement.

radar 1 1

Animation radar de l’évènement. La flèche rouge pointe l’orage qui a produit la tornade. La ligne rouge représente la position approximative du front chaud. Le « T » représente le moment ou la tornade était au sol.

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Les fronts chauds sont reconnus pour rehausser le risque de tornade lorsqu’ils interagissent avec des orages supercellulaires. Ils apportent souvent un meilleur profil de vent à la surface et par conséquent un meilleur tourbillon pour les orages. On peut voir sur l’animation que l’orage tornadique a produit sa tornade tout près du front chaud. Cependant en traversant l’autre côté de celui-ci, les conditions devenaient moins bonnes car ce n’était plus dans le secteur chaud. Les orages se sont amalgamés ensemble et n’ont pas reproduit de tornade. Un autre facteur intéressant, l’orage était isolé au moment de la tornade, donc pas d’interaction des autres orages pour gâcher le courant ascendant.

Pourquoi il n’y a pas eu de tornades rapportées ailleurs ?

Les orages qui se sont formés dans cette journée étaient très violents pour la majorité. Il y a eu beaucoup de rapport de vents violents, grêle, pluie torrentielle… Mais aucun autre rapport de tornade malgré que de très forts orages ont balayé un corridor allant de l’Abitibi jusqu’à la rive sud de Montréal. L’atmosphère était aussi très instable, il y avait du soulèvement apporté par un front froid, de l’humidité et du cisaillement en vitesse.

La faiblesse pour un setup tornadique dans ces secteurs se situait probablement plus au niveau du manque de cisaillement directionnel, donc du peu de tourbillon dans la basse atmosphère. En effet, lorsqu’on regarde les vents de surfaces sur ces secteurs, ils étaient tous alignés sud-ouest, pratiquement de la même façon qu’en altitude. Cela enlevait donc beaucoup d’hélicité pour ces secteurs. De plus, vu que le mécanisme de soulèvement était un front froid rapide, les courants descendants plus froids des orages avaient plus de chances d’être fort, ce qui est mauvais pour générer une tornade. Ces secteurs ont donc eu droit à quelques supercellules mais qui se sont rapidement amalgamés ensemble pour former une très forte ligne d’orages. Rappelons que les orages qui forment des lignes et qui interagissent beaucoup ensemble ne sont pas favorable pour la formation des tornades mais peuvent toujours donner du temps violent, comme des micro-rafales, de la grêle et ect.

QC 22

Pour un chasseur de tornades, c’est donc en Estrie/Beauce qu’il fallait être lors de cette journée. Comme vous pouvez le voir, la prévision de ce type d’évènement est assez complexe, mais avec du temps et beaucoup d’études sur le sujet, on peut parvenir à reconnaitre les meilleures zones possibles pour le développement des tornades.

La vidéo suivante de la tornade a été filmé par Sébastien Rancourt et Marianne Fortier, résident de l’endroit, que nous remercions énormément pour la permission d’inclure dans cet article. Bon visionnement !

 

En terminant, voici la liste officielle des rapports de temps violents compilée par Environnement Canada lors de cette journée très orageuse !

Sommaire

Pierre-Marc Doucet.

* Si vous avez des questions ou commentaires, écrivez-les dans l’espace prévu à cet effet ! Il s’agit d’une analyse sans prétention et nous vous encourageons à commenter si vous voulez apporter votre grain de sel :).

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