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Orages Monocellulaires - Unicellulaires

1. Introduction

Du Cumulus au Cumulonimbus :
Cumulonimbus Cappilatus Incus Avant de parler d'orage monocellulaire, qui est un classement sur les structures orageuses, il faut comprendre comment nait un véritable cumulonimbus, roi des nuages du haut de ses 10 kilomètres de haut (en moyenne). Tout commence avec la formation initiale du cumulus, d'abord d'espèce humilis, puis mediocris et à mesure que l'instabilité propice à son développement le fait s'élever, il devient un congestus (voir a. sur le schéma). Lorsque le cumulus atteint la tropopause (vers 10 à 12 km d'altitude en France), il se nomme cumulonimbus, d'espèce généralement pour commencer calvus (voir b. sur le schéma). Si la convection de l'orage naissant se poursuit, ne pouvant monter plus haut en altitude (limite de la troposphère), il s'étale sur les cotés et une coiffe ressemblant à des cirrus apparaît (cappilatus) sur le haut du nuage. Enfin généralement cette chevelure prend la forme caractéristique d'une enclume (incus). C'est cette forme la plus simple du cumulonimbus cappilatus incus (voir c. sur le schéma), qui désigne véritablement un orage monocellulaire classique.
Energie Potentielle Convective Disponible :
L'EPCD (ou Energie Potentielle Convective Disponible) s'exprime en Joule par Kilo. Elle permet de mesurer le carburant énergétique disponible dans l'atmosphère et capable de produire un orage. Une EPCD de 500 J/kg donnera certainement un orage faible. Alors qu'une EPCD de 3000 J/kg sera susceptible de générer un violent orage. Les orages monocellulaires sont des orages qui se rencontrent généralement avec une atmosphère comprise entre 500 et 1000 J/Kg.
Définition Générale :
Cumulonimbus Cappilatus Incus Les orages monocellulaires ne disposent que d'une seule et unique cellule convective (un seul cumulonimbus donc) et possèdent un cisaillement (voir définition paragraphe suivant) des vents généralement assez faible. Leurs durées de vie, en moyenne, varient de 30 à 60 minutes dans leur phase mûre. Ce sont les orages les plus fréquents à travers le monde, puisqu'ils peuvent se rencontrer parfois, même dans une atmosphère faiblement à moyennement instable.
Cisaillement des Vents :
Il s'agit d'une différence dans la vitesse (cisaillement de vitesse), ou dans la direction des vents (cisaillement directionnel) entre deux points de l’atmosphère. Il influe énormément sur l’intensité et la structure des orages. Ces changements (vitesse - directions) s'opèrent à différentes hauteurs de l'atmosphère la plupart du temps et conditionnent le degrés de complexification de l'orage. On parle alors d'un cisaillement vertical. Lorsqu'un cisaillement horizontal est présent, une rotation de l'orage sur lui-même peut avoir lieu (= mésocyclone présent sur les supercellules). Enfin certains orages violents possédants des formes absurdes sont souvent dues à la présence d'un cisaillement variable et complexe.
Cisaillement et Orage Monocellulaire :
Schéma d'un cisaillement sur un orage monocellulaire Bien que le cisaillement soit d'abord une condition pour des orages plus complexes que les monocellulaires, ils arrivent pourtant dans certaines conditions, que le cisaillement puisse se rencontrer même avec des orages moins complexes. Il influence dans ce cas là également la structure de ces orages monocellulaires. En effet, il arrive aussi qu’un trop fort cisaillement de vitesse (ou directionnel comme sur le schéma ci-dessus), souffle l'enclume dans un vaste panache en rompant l'organisation interne de l'orage. C'est pourquoi même avec un fort cisaillement des vents, le cumulonimbus restera malgré tout faiblement organisé (donc monocellulaire). C'est donc bien souvent, la nature particulière du cisaillement et non sa force, qui détermine la structure de l'orage.
Orage Orographique :
On devrait plutôt parler en fait d'ascendance orographique. Dès qu'un relief existe, celui-ci offre une pente permettant d'élever la masse d'air naturellement en altitude et de façon presque gratuite. Il s'agit d'une des 4 formes d'ascendance possible pour une masse d'air (par convergence - par instabilité - par orographie - par moyen thermique) et a lieu à une échelle locale comme régionale. Un orage orographique est donc un orage dont l'ascendance est forcée par le relief. Ceci explique par exemple pourquoi dans des conditions faiblement instables, se sont souvent les reliefs à être les premiers touchés. Il faut toujours se méfier des orages de montagne, car ils possèdent une forme d'ascendance supplémentaire les rendant plus fréquent, plus imprévisible (en fonction de la pente - ubac - adret) et parfois plus violent également.

2. Orage Monocellulaire Classique

A. Définition

Généralité :
Schéma Orage à Pulsation On orage monocellulaire classique reste généralement faible. Il est constitué d'une cellule convective unique sous forme d'un cumulonimbus isolé et se forme souvent dans un environnement sans turbulence ni cisaillement du vent (ou faible). C'est le cas-type pour étudier le fonctionnement d'un cumulonimbus. Ils ne durent généralement pas plus d'1 heure, mais peuvent causer parfois pendant ce laps de temps, tout de même de fortes averses, chutes de grêles, et de la foudre.
Hausse et baisse de la température :
Dans un environnement instable, lorsque la température de la journée est au maximale (généralement en fin d'après-midi), des poches d'airs plus chaudes que les autres, peuvent commencer à monter en altitude. Dès que la température commence à chuter (début de la nuit - chute locale de la T°C - orage adjacent en étalement), les orages monocellulaires classiques ont la particularité ensuite de se désagréger aussi rapidement qu'ils sont apparues.
Orage adjacent en étalement :
Lorsque l'air descendant, en fin de vie de l'orage, prend le dessus sur l'air ascendant, de l'air plus frais s'étale au sol. Cependant, la création d’un courant d’étalement plus frais, peut sous certaines conditions, déstabiliser la masse d'air alentour et provoquer de nouvelles ascendances à coté. De nouveaux orages monocellulaires peuvent ainsi se créer successivement les uns à cotés des autres, jusqu’à la tombée de la nuit. Ainsi, l'air subsident d'un orage s'étalant au sol, peut favoriser l'instabilité et l'ascendance du cumulonimbus d'à coté. Il existe cependant une certaine compétition des cellules entre elles. Plus un orage monocellulaire est loin d'un autre, plus il dispose d'énergie convective autour de lui, ce qui pondère quelques peu cet effet.
Désagrégation de l'orage :
Enfin, lorsque le courant descendant chargé de précipitations s'engouffre à travers le couloir d’ascendance, l’approvisionnement du cumulonimbus en air chaud s'arête. L'orage n’étant plus alimenté à la base, il se désagrègera sur place rapidement, sous forme de pluie ou de virga.

B. Orage Stationnaire

Déplacement Stationnaire :
Schéma d'un orage monocellulaire classique stationnaireUn cisaillement du vent nul ou une masse d'air uniforme sans vent est nécessaire pour qu'un orage stationnaire se développe. Il est tout à fait possible que toute la masse d'air situé dans son ensemble à une échelle plus grande que le simple orage, se déplace elle-même. Stationnaire ne veut donc pas dire statique pour autant, par exemple sur une animation satellite. Une masse d'air uniforme possédant un flux dominant équilibré sans turbulence, mais dans des conditions instables localement, sera susceptible de provoquer des orages stationnaires qui se déplaceront pourtant par rapport au sol. Le cumulonimbus est un phénomène local, ainsi tout l'air situé autour de lui, même s'il possède une vitesse cinétique d'ensemble, peut adopter un comportement parfaitement immobile localement. Un orage stationnaire ne peut en revanche pas être très rapide pendant son déplacement au-dessus du sol (entre 0 et 20km/h), la moindre turbulence le déstructurant comme telle, facilement.
Forme Symétrique :
L'orage stationnaire peut adopter une forme parfaitement symétrique si aucune turbulence ne pointe à l'horizon. L'orage presque, cylindrique peut posséder dans ce cas, une enclume qui déborde en altitude de tous les cotés. La sortie en air froid descend depuis le centre du cumulonimbus et se dirige au sol dans presque toutes les directions sur les cotés. De même, l'air chaud situé autour de l'orage, monte par dessus cet air froid subsident et alimente ainsi l'orage stationnaire dans toutes les directions en air chaud ascendant. Une forme aussi parfaite ne dure généralement cependant pas très longtemps.
Orages Faibles :
Les orages stationnaires sont généralement faible et ne durent souvent pas longtemps. On prend souvent un orage stationnaire, sans aucun cisaillement du vent pour parler d'un orage monocellulaire classique. Le cas-type pour étudier un orage d'intensité et de durée faible. Car comme l'explique le schéma ci-dessus, dès que le cumulonimbus atteint sa phase mûre, l'alimentation principale en air chaud cesse, coupé par l'air froid descendant. Ce "courant de densité" froid qui se prolonge au sol par l'intermédiaire des précipitations, peut dans certains cas, par "effet d'étalement" (comme vu précédemment), soulever l'air chaud situé à la frontière de ce "front de rafale" et pourquoi pas générer à terme, un autre orage monocellulaire stationnaire et indépendant à coté.

C. Orage Mobile

Une Mobilité Non Apparente :
Schéma d'un orage monocellulaire classique mobile Comme nous l'avons vu précédemment, la mobilité de l'orage n'a pas comme référence le sol (c'est à dire, le déplacement réel), mais est bien relative au déplacement du cumulonimbus autour de lui, la masse d'air régional pouvant elle-même se déplacer pour des raisons synoptiques (= de grande échelle) autour de la Terre. On appelle aussi les orages mobiles, des orages monocellulaires possédant un cisaillement vertical des vents (mais c'était plus long à dire, et sans doute pas toujours vrai).

Pour les mêmes raisons qu'un orage stationnaire puisse dans certaines conditions se déplacer par rapport au sol, un orage mobile peut aussi donner l'impression d'être statique, parfois. Plusieurs raisons peuvent l'expliquer :
- Pendant le déplacement d'une masse d'air régionale, un relief peut temporairement provoquer localement par ascendance orographique, un orage qui restera bloqué sur le relief alors que le reste de la masse d'air continuera son déplacement. Ce type d'orage mobile par rapport à l'air autour de lui, donnera pourtant l'impression de rester statique, et même sur une animation satellite.
- Si par un curieux hasard, un cisaillement directionnel égale (par convergence par exemple) permet que la masse d'air régionale se déplace à l'exact inverse de la masse d'air locale, alors le cumulonimbus situé à la convergence des deux masses d'airs aura un comportement mobile par rapport à l'air autour de lui, mais semblera statique à nos yeux terrestres.

Ces deux comportements sont facilement identifiables sur animation satellite en comparant le cumulonimbus par rapport aux nuages situés autour et faisant partis du même flux dominant d'ensemble.
Un Cisaillement des Vents :
Lorsqu'il y a un cisaillement vertical des vents, donc (souvent de vitesse et parfois directionnel), l'orage monocellulaire adopte une organisation plus complexe, lui permettant de perdurer plus longtemps qu'un orage stationnaire. Ces orages ont une ligne d'alimentation ascendante penchée d'un coté (parfois même en escalier). Le cumulonimbus perd ainsi sa symétrie. L'enclume étant souvent plus rapide que le reste de l'orage, une chevelure de vaste panache de cirrus, coiffant ainsi le cumulonimbus (incus), apparaît à l'avant. On peut aussi parfois apercevoir des mammas en-dessous de cette enclume, lorsque de l'air plus sec est situé à l'avant et en altitude. Le cisaillement nécessaire à ce type d'orage reste toutefois faible dans l'ensemble.
Orages plus longs :
Les orages monocellulaires "mobiles" durent généralement plus longtemps qu'un orage stationnaire, car l'orage se déplaçant légèrement, la zone d'origine du courant aérien ascendant chaud n'est jamais remplacé (plus tard en fait) par le courant descendant situé à l'avant de l'orage. Ces orages, très fréquents également, ont donc la capacité d'être plus longtemps alimenté en air chaud. Un orage monocellulaire mobile reste généralement faible, mais peut évoluer en orage plus compliqué, grâce à son début d'organisation. Ainsi, si l'instabilité (ou EPCD) ou si le cisaillement des vents augmente, un orage monocellulaire mobile aura plus de facilité qu'un orage stationnaire à évoluer en orage multicellulaire (à protubérances multiples nottamment) - ce qui fera l'objet du prochain chapitre.
Vers un Orage plus Complexe :
- Un orage "mobile" ou possédant un début de "cisaillement de vitesse" est donc en quelques sortes l'évolution mineure d'un orage multicellulaire classique. L'un dérivant de l'autre, la frontière est parfois ambigu entre un presque-orage-multicellulaire à protubérances multiples, conditionné par un plus fort cisaillement, et un presque-orage-monocellulaire avec une belle ligne d'alimentation aérien ascendant en forme d'escalier, possédant un cisaillement de vitesse moyen par exemple. L'orage peut très bien rester en l'état une dizaine de minutes, avant de s'effondrer finalement. Il s'agira alors d'un orage mixte.

- D'autre part, en partant du constat sur la nature parfois "variable" du cisaillement, il est tout à fait possible d'imaginer dans un cas extrême, un orage pourquoi pas violent, possédant un très fort cisaillement des vents (variable par ex.) déstructurant son organisation de façon chaotique, mais qui garde son caractère d'une cellule unique et qui donc peut encore être classé comme monocellulaire. Il s'agira sans doute dans cas d'un OMNI (Objet Météorologique Non Identifié), possédant une structure monocellulaire très complexe (ou bien alors parfois un Orage Cyclique, ce qui est identifiable par imagerie radar).

- Enfin, il faut comprendre (surtout pour un photographe qui capture à un instant T une structure orageuse), qu'un orage multicellulaire classique dérivant très souvent au départ d'un orage monocellulaire mobile, il est très facile de se tromper sur la nature de l'orage que l'on a en face de soi, à un moment T, alors qu'il se trouve tout simplement en phase de mutation de l'un à l'autre.

3. Orage Monocellulaire à Pulsation

Définition :
Orage Monocellulaire à Pulsation Plus violent qu'un orage monocellulaire classique, il se caractérise cependant, comme lui, par une cellule convective unique et isolé, mais possède un cycle de vie plus long qui se manifeste par une plus forte convection. On appelle "pulsation" ce moment d'intense convection. Cette photo a été prise depuis le Nord d'Angers, le 13 juin 2006. Les images radars démontreront qu'il s'agissait bien d'un orage à pulsation de part sa phase violente qui dura presque 40 minutes. L'orage gardera sa configuration mono-cellulaire pourtant pendant tout son périple d'à peine 1 heure à travers la région du Mans, à 80 kilomètres de là. Un très léger cisaillement de vitesse est observable sur cet photo, ainsi qu'un toit pénétrant en forme de petit pileu.
Poussée convective :
Cette poussée convective donne lieu à une période de phénomènes orageux pouvant être violent mais relativement peu durable (notamment en matière de forte précipitation). Ceci témoigne d'une instabilité plus importante et d'une hauteur de tropopause plus élevé, permettant l'accumulation de plus d'énergie dans l'orage, qu'un orage monocellulaire classique.
Durée de l'orage et pulsation :
Alors qu'un orage monocellulaire simple dure en moyenne seulement 30 minutes dont les 2 derniers tiers en phase de précipitation, un orage à pulsation peut durer presque 45 minutes, mais sera beaucoup plus intense et donc plus court en proportion de son énergie dépensé. La phase de précipitation intensive ne pouvant durer que le dernier tiers de sa vie. On appelle ce bref moment d'énergie, une pulsation.
Observation :
On aperçoit souvent un pileux au début de formation d'un orage à pulsation, témoignant d'une rapidité de développement vertical. Enfin un orage à pulsation est très reconnaissable à sa signature radar qui passe rapidement d'un état fort (zone d'intense précipitation) à une désagrégation rapide.

4. Orage Monocellulaire Cyclique

Définition :
Orage Monocellulaire Cyclique Il s'agit d'un orage monocellulaire qui possède plusieurs cycles de pulsation orageuse. Ainsi au cours de son cycle de vie, cet orage possède plusieurs phases d'ascendance-subsidence sous forme de pulsations successives.
Pulsations multiples :
Un regain d’activité est visible après chaque pulsation de l'orage, ce qui permet à la cellule orageuse de se maintenir en vie pendant plusieurs heures, en s'affaiblissant puis se renforçant ainsi de suite, toujours de manière intense et rapide comme un orage à pulsation simple, mais de manière cette fois, successive.
Conditions :
Ce type d’orage peut se rencontrer dans des situations d'avantage instable, et témoigne de condition orageuse assez forte. Malgré le fait que cela ne soit qu'un orage monocellulaire, de part sa nature d'orage à pulsion à la durée de vie exceptionnelle, cet orage peut causer d'intenses précipitations et de sérieux dégâts sur son passage, particulièrement si son déplacement est lent.
Observations :
Les orages cycliques sont facilement identifiables grâce à une enclume qui s'étirent un peu plus lors de chaque « pulsation » (enclume très étalée ou multicouche visible par exemple). De plus on aperçoit souvent comme pour les orages monocellulaires à pulsation, des pileux à leur sommet témoignant également d'un rapide développement vertical. Mais comme vous pouvez le voir sur cette photo prise depuis Angers, alors que l'orage sévissait du coté du Mans, le 17 mai 2006, il est possible cette fois-ci d'observer une succession d'assiettes au sommet du CB, comme autant de nouvelles poussées convectives et qui sont observable après chaque phase d'affaiblissement juste avant le nouveau renforcement de l'orage cyclique. A noter que ceci est observable sur d'autres types d'orages, mais les pileus sont particulièrement intense avec un orage cyclique.

5. Orages Monocellulaires en Essaim

Orage Monocellulaire Cyclique
Définition :
Un orage en essaim est comme son nom l'indique, un regroupement hétéroclyte de différents orages monocellulaires, souvent à différents stades de maturité. Il peut très bien être confondu avec un orage multicellulaire au premier abord. Mais alors qu'un orage multicellulaire possède une organisation générale, un orage en essaim est constitué de plusieurs cellules convectives bien différenciées et non organisées entre elles.
Conditions :
L'instabilité nécessaire doit forcément être plus importante qu'un orage monocellulaire classique, car la présence de plusieurs cellules convectives dans un espace régional restrein témoigne de conditions d'instabilité favorable aux orages (présence par exemple d'un cisaillement vertical modéré ou de condition propice à un courant d'étalement au sol). La présence d'un environnement orageux en masse d'air uniforme favorise souvent ce type d'orage, grâce au fait que les différentes mono-cellules convectives ont du mal à s'organiser entre elles. C'est le cas lors d'un marais barométrique par exemple (masse d'air uniforme chaude), ou d'une traîne active (masse d'air uniforme froide) comme sur ce panorama pris le 08 mai 2006 à Trélazé.
Observations :
Les différentes cellules monocellulaires composant l'orage en essaim, peuvent être rattachés en partie de façon nuageuse, mais les cumulonimbus vivent chacun de façon totalement indépendants et chaotiques (malgré la présence de phénomène d'étalement favorisant certainement l'ascendance de l'orage voisin - comme abordé précédemment). Sur une image satellite, on ne verrait qu'un amas blanc de nuage d'altitude à différents stade de maturité ou non, mais une image radar révélerait bien des foyers de précipitation bien isolés les uns des autres, et sans aucune relation bien défini de cause à effet.
Evolution en Orage Multicellulaire :
Si un cisaillement des vents devient par exemple plus important, un orage monocellulaire en essaim peut tout de même évoluer par clonage en plusieurs orages à protubérances multicellulaires, assez proches entre eux, avec quelques orages monocellulaires disséminés ici et là, tous rassemblées dans un vaste essaim. Enfin, même sans cisaillement, l'orage en essaim peut également évoluer en orage multicellulaire classique par fusion des différentes cellules entre elles, et pourquoi pas engendrer (rarement tout de même), si l'instabilité devient vraiment très forte sur de vastes zones, un Système Convectif de Méso-Echelle (SCME - ou MCS en anglais) - (voir le dossier sur les orages multicellulaires).