Instabilité atmosphérique

L’énergie potentielle de convection disponible, ou EPCD, est une mesure de l’énergie qui sert à déterminer la quantité d’énergie dont dispose une particule pour s’élever dans l’atmosphère. L’EPCD est l’un des principaux indicateurs utilisés en météorologie pour prévoir le risque et la gravité des orages.  

Ce tableau présente les valeurs approximatives de l’EPCD et l’évaluation de l’instabilité atmosphérique correspondante. En l’absence d’EPCD, l’atmosphère est considérée comme stable. Plus les valeurs de l’EPCD augmentent, plus l’atmosphère est considérée comme instable. À noter que ces valeurs sont approximatives. Lorsqu’on évalue le risque de développement d’orages et des dangers connexes, il faut les analyser en association avec d’autres paramètres météorologiques (comme la présence d’énergie d'inhibition de la convection [EIC], d’un déclencheur éventuel ou de cisaillement du vent).

On évalue l’EPCD à l’aide d’un téphigramme; on détermine ainsi la façon dont une particule d’air se refroidit et se condense à mesure qu’elle s’élève dans l’atmosphère, par rapport à l’air ambiant qui l’entoure. Une masse d’air chaud et humide à la surface et de l’air plus froid dans la haute atmosphère contribuent à augmenter l’EPCD atmosphérique. Par ailleurs, lorsque l’air devient plus frais et plus sec dans les couches supérieures de l’atmosphère, ou lorsque de l’humidité et de la chaleur s’ajoutent aux couches inférieures de l’atmosphère (par exemple, pendant les principales heures de réchauffement d’une journée d’été), les valeurs de l’EPCD augmentent. En général, une valeur d’EPCD de 1 500 J/kg ou plus suffit à produire des orages violents au Canada, mais des orages peuvent se former à une EPCD d’aussi peu que 500 J/kg (pour de plus amples renseignements, le NWS explique visuellement l’EPCD iciOuvrir une nouvelle fenêtre [en anglais]).

Source de l'image : Environnement et Changement climatique Canada

L’énergie d'inhibition de la convection (EIC) agit contre la flottabilité d’une particule d’air dans la direction opposée à l’EPCD, et constitue par essence une « EPCD négative ». L'EIC se décrit comme étant l’énergie exercée sur une particule d’air pour décélérer ou ralentir son mouvement ascendant. Lorsqu’on détermine le potentiel orageux, l’ampleur de l'EIC constitue un autre indicateur permettant d’évaluer la possibilité de développement d’orages.

Dans cet exemple, on peut voir un profil atmosphérique avec une inversion à moyenne altitude. La particule 1 est légèrement plus chaude que l’air ambiant et s’élève jusqu’au niveau de l’inversion (inhibition de la convection). La particule ne contient pas assez d’énergie pour franchir l’inversion et surmonter l'EIC qui agit sur elle. La deuxième particule est beaucoup plus chaude que l’air ambiant et commence à s’élever. Elle contient plus d’énergie (EPCD) et est capable de dépasser le niveau de l’inversion. Une fois l’inversion surmontée, l’air entourant la particule est plus froid et cette dernière accélère encore plus verticalement pour s’élever dans la haute atmosphère. Si une force externe (comme un creux dans cet exemple) agit sur la particule 1, cette dernière peut être en mesure de surmonter l’inversion (EIC) si la force est suffisamment puissante.

On évalue également l'EIC à l’aide d’un téphigramme; pour ce faire, on détermine le moment où l’air ambiant est plus chaud qu’une particule d’air qui s’élève dans l’atmosphère. L'EIC est souvent présente lorsqu’il y a une inversion atmosphérique dans les niveaux moyens, ce qui signifie que la température augmente avec l’altitude. Une particule d’air initialement plus chaude que son environnement s’élève depuis la surface et rencontre un « plafond » d’air plus chaud dans les niveaux moyens et arrête son mouvement vertical.

Lorsque l’EPCD et l'EIC coexistent, on peut considérer l’atmosphère comme étant « conditionnellement instable », c’est-à-dire que l’atmosphère est largement instable, mais qu’il existe une barrière que les particules d’air doivent franchir pour s’élever librement au-delà d’une certaine hauteur. Il faut qu’une force extérieure (comme un front ou un creux, un changement d’élévation topographique ou un réchauffement supplémentaire de la surface) agisse sur la particule d’air pour lui fournir l’énergie supplémentaire dont elle a besoin pour surmonter la barrière et s’élever librement.

Source de l'image : Environnement et Changement climatique Canada

La GFA valide à 1200Z, le 1^er juillet 2023, montre l’instabilité atmosphérique présente ce matin-là sur une grande partie de l’Ontario et du Québec. Des zones d’averses convectives plus organisées sont associées au creux qui s’étend à partir de la faible dépression située juste au sud-ouest de la baie James. Ce creux de surface sert de déclencheur aux orages. L’effet du relief constitue un autre élément déclencheur de la formation d’orages sur le centre et le nord du Québec. Le soulèvement orographique pousse l’air instable vers le haut et génère des orages isolés sur les terrains élevés.

L’instabilité atmosphérique pour les orages de surface a tendance à culminer en fin de journée, au moment où le réchauffement diurne est maximal. Cet effet est illustré ici sur la GFA 0000Z du 2 juillet 2023 avec des orages possibles sur la quasi-totalité de la zone de prévision. L’étendue de la couverture, les sommets et la gravité éventuelle ont également augmenté par rapport à la GFA de 1200Z, avec des sommets pouvant aller jusqu’à 42 000 pieds et des possibilités de grêle sur le sud du Québec.

 Profil atmosphérique 12Z

Les profils atmosphériques modélisés à CYUL à partir du HRRROuvrir une nouvelle fenêtre  (en anglais seulement), valides entre 1200Z le 1^er juillet et 0000Z le 2 juillet, illustrent l’instabilité généralisée présente tout au long de la journée. On peut cliquer sur le carrousel d’images pour voir les différentes images. À 1200Z le 1^er juillet, on constate la présence d’un couvercle thermique (cercle jaune), qui réduit la convection et augmente la stabilité dans les couches les plus basses de l’atmosphère (voir la section La science expliquée pour une explication de ce qu’est un « couvercle thermique »). Cette stabilité inhibe la convection en surface à moins qu’un déclencheur n’existe (comme le soulèvement orographique ou le creux, dans ce cas-ci) qui pourrait soulever des particules d’air vers de l’air plus instable en hauteur, où le mouvement ascendant est soutenu. La GFA montre déjà la présence de ce phénomène, tout comme les différents indices dans la section des observations.

Source de l'image : Pivotal Weather (en anglais seulement)

Profil atmosphérique 15Z 

Au fil de la journée, le couvercle s’érode considérablement, mais pas complètement au-dessus de CYUL, les points de rosée restant relativement élevés et l’air en altitude se refroidissant suffisamment en hauteur pour maintenir l’instabilité atmosphérique élevée. Tous ces éléments, ainsi que les déclencheurs tels que le creux, continuent de favoriser les averses convectives, les cumulus bourgeonnants et les cumulonimbus. Une dernière remarque importante : il s’agit d’un exemple de profils atmosphériques au-dessus d’un seul point, et ces profils peuvent varier de manière significative dans une région donnée. Les représentations graphiques présentées dans la section des cartes stratégiques illustrent une partie de cette variabilité.

Source de l'image : Pivotal Weather (en anglais seulement)

Profil atmosphérique 18Z 

Au fil de la journée, le couvercle s’érode considérablement, mais pas complètement au-dessus de CYUL, les points de rosée restant relativement élevés et l’air en altitude se refroidissant suffisamment en hauteur pour maintenir l’instabilité atmosphérique élevée. Tous ces éléments, ainsi que les déclencheurs tels que le creux, continuent de favoriser les averses convectives, les cumulus bourgeonnants et les cumulonimbus. Une dernière remarque importante : il s’agit d’un exemple de profils atmosphériques au-dessus d’un seul point, et ces profils peuvent varier de manière significative dans une région donnée. Les représentations graphiques présentées dans la section des cartes stratégiques illustrent une partie de cette variabilité.

Profil atmosphérique 21Z 

Au fil de la journée, le couvercle s’érode considérablement, mais pas complètement au-dessus de CYUL, les points de rosée restant relativement élevés et l’air en altitude se refroidissant suffisamment en hauteur pour maintenir l’instabilité atmosphérique élevée. Tous ces éléments, ainsi que les déclencheurs tels que le creux, continuent de favoriser les averses convectives, les cumulus bourgeonnants et les cumulonimbus. Une dernière remarque importante : il s’agit d’un exemple de profils atmosphériques au-dessus d’un seul point, et ces profils peuvent varier de manière significative dans une région donnée. Les représentations graphiques présentées dans la section des cartes stratégiques illustrent une partie de cette variabilité.

Source de l'image : Pivotal Weather (en anglais seulement)

 Profil atmosphérique 00Z

Au fil de la journée, le couvercle s’érode considérablement, mais pas complètement au-dessus de CYUL, les points de rosée restant relativement élevés et l’air en altitude se refroidissant suffisamment en hauteur pour maintenir l’instabilité atmosphérique élevée. Tous ces éléments, ainsi que les déclencheurs tels que le creux, continuent de favoriser les averses convectives, les cumulus bourgeonnants et les cumulonimbus. Une dernière remarque importante : il s’agit d’un exemple de profils atmosphériques au-dessus d’un seul point, et ces profils peuvent varier de manière significative dans une région donnée. Les représentations graphiques présentées dans la section des cartes stratégiques illustrent une partie de cette variabilité.

Source de l'image : Pivotal Weather (en anglais seulement)

Les données du modèle HRRR montrent l’énergie potentielle de convection disponible (EPCD) en surface et les valeurs de l'énergie d'inhibition de la convection (EIC) de 1400Z, le 1^er juillet, à 0200Z, le 2 juillet. Les régions grises à lignes hachurées indiquent les zones d'EIC, tandis que les zones de couleur unie indiquent les valeurs EPCD. Ces zones EPCD sont des zones d’instabilité atmosphérique. Comme le montrent les profils atmosphériques, les premiers graphiques font apparaître de vastes zones d'EIC et moins d’instabilité atmosphérique. Plus la journée avance dans les tranches horaires de 1500Z à 2300Z, plus l’instabilité atmosphérique augmente, à la fois du point de vue de la couverture géographique sur la région et de celui de valeurs EPCD prévues. Au coucher du soleil, le réchauffement diurne s’affaiblit et la stabilité atmosphérique dans les couches les plus basses commence à se rétablir, tandis que les températures de surface diminuent et qu’un couvercle thermique se reforme. Il en résulte des valeurs EPCD plus faibles et des zones d'EIC plus étendues, ce qui empêche la plupart des orages de se développer.

Source de l'image : College of DuPage (en anglais seulement)

La présence d’un ou de plusieurs creux d’onde courte et des zones de vorticité positive qui leur sont associées constitue un élément déclencheur supplémentaire qui contribue à renforcer l’instabilité atmosphérique. Ces zones de vorticité positive contribuent à créer un environnement propice au développement des orages et renforcent localement l’instabilité atmosphérique. Chacune de ces zones localisées, comparée aux zones de valeurs EPCD positives et à l’emplacement des déclencheurs (par ex. : creux), est celle où les précipitations et les orages prévus sont les plus probables. C’est ce que montrent les prévisions de précipitations sur le graphique suivant.

Source de l'image : College of DuPage (en anglais seulement)

Le modèle de prévision de réflectivité RADAR du HRRR montre les zones de précipitations et de convection attendues. Une grande partie de ce phénomène s’organise le long du creux de surface, bien que dans une masse d’air aussi instable, de très petits déclencheurs tels que la convergence localisée de l’air en surface suffisent à déclencher un fort mouvement vertical et le développement d’orages. La couverture orageuse la plus forte et la plus étendue a lieu en fin d’après-midi, juste avant le coucher du soleil, et les orages se terminent après 0100Z. Certaines zones d’orages persistent, principalement le long des zones où se trouvent les déclencheurs les plus puissants qui contribuent à maintenir l’instabilité atmosphérique.

Source de l'image : College of DuPage (en anglais seulement)

L’imagerie satellitaire visible pour le 1^er juillet dans le sud de l’Ontario et du Québec montre des orages qui s’y forment tout au long de la journée. Les images prises tôt le matin montrent la structure verticale des cumulonimbus alors que l’angle du soleil dans l’atmosphère projette des ombres sur le côté ouest des tempêtes au nord de Montréal. Le même phénomène se produit au coucher du soleil, cette fois à l’est des tempêtes. L’instabilité atmosphérique qui a régné tout au long de la journée a préparé le terrain pour une journée orageuse active dans les deux provinces.

Source de l'image : CIRAOuvrir une nouvelle fenêtre

Une seule image satellite, valide à 1200Z le 1^er juillet 2023, avec des cercles rouges indiquant l’emplacement des orages dans l’extrême est de l’Ontario et le sud du Québec. Des ombres projetées par le soleil levant sont visibles le long des bords ouest des tempêtes.

Source de l'image : CIRAOuvrir une nouvelle fenêtre