layout 1 (page 1)  · web viewla foudre intra-nuageuse, ou ic (intracloud) est mieux corrélée à...

22
Foudre totale : détection et suivi de cellules - SM SM États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.com 1 Utilisation des données de foudre totale dans la prévision des orages violents : Analyse d'une étude de cas mondiale : Amérique du Nord, Brésil et Australie Chonglin Liu et Stan Heckman Résumé La foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection des éclairs à la fois IC et CG, ou foudre totale, permet d'améliorer le délai de prévision et d'alerte relatif aux conditions météorologiques critiques. Créé spécifiquement pour détecter les décharges de foudre IC et CG, l'ENTLN (Earth Networks Total Lightning Network) couvre au moyen de capteurs en forte densité les zones contigües des États-Unis (dont l'Alaska) d'Hawaï et des Caraïbes, ainsi que l'Australie et le Brésil. Les autres zones sont couvertes par un réseau mondial de moindre densité destiné à la détection de la seule foudre nuage-sol (CG). L'étude des propriétés des cellules de foudre qui précèdent de nombreux orages violents en différents points de la zone contigüe des États-Unis a permis d'identifier certains schémas prédictifs de ces cellules. L'évolution dans le temps du taux de décharges de foudre et du rapport IC/CG des cellules individuelles est utilisée pour identifier les orages susceptibles de produire des grêles dévastatrices, de forts vents ou des tornades, et ce avec une avance importante sur les événements. Des études révèlent que les détections précoces de la hausse soudaine du taux de décharges IC et du pic du taux d'éclairs global qui en découle peuvent servir d'indicateur de conditions orageuses violentes. Les données de foudre de l'ENTLN ont permis le développement d'un suivi des cellules de décharge en temps réel et du programme d'alerte aux orages dangereux, le DTA (Dangerous Thunderstorm Alert) d'Earth Networks. Nous présenterons les résultats de différentes études d'orages. Introduction Le cycle de vie d'une cellule d'orage de convection peut se décrire selon un modèle classique à trois pôles, dans lequel la charge négative principale se trouve au centre de la cellule, la charge positive principale dans les cristaux sommitaux du nuage et la charge positive secondaire (plus faible) dans la section inférieure de la cellule, sous la charge négative (Williams 1989). L'électrification initiale des parties centrale et sommitale peut évoluer en éclairs intra-nuageux de charge suffisamment intense pour produire des éclairs au sol (Williams et al. 1989).

Upload: others

Post on 05-Sep-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

1

Utilisation des données de foudre totale dans la prévision des orages violents :

Analyse d'une étude de cas mondiale : Amérique du Nord, Brésil et Australie

Chonglin Liu et Stan Heckman

RésuméLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection des éclairs à la fois IC et CG, ou foudre totale, permet d'améliorer le délai de prévision et d'alerte relatif aux conditions météorologiques critiques. Créé spécifiquement pour détecter les décharges de foudre IC et CG, l'ENTLN (Earth Networks Total Lightning Network) couvre au moyen de capteurs en forte densité les zones contigües des États-Unis (dont l'Alaska) d'Hawaï et des Caraïbes, ainsi que l'Australie et le Brésil. Les autres zones sont couvertes par un réseau mondial de moindre densité destiné à la détection de la seule foudre nuage-sol (CG).

L'étude des propriétés des cellules de foudre qui précèdent de nombreux orages violents en différents points de la zone contigüe des États-Unis a permis d'identifier certains schémas prédictifs de ces cellules. L'évolution dans le temps du taux de décharges de foudre et du rapport IC/CG des cellules individuelles est utilisée pour identifier les orages susceptibles de produire des grêles dévastatrices, de forts vents ou des tornades, et ce avec une avance importante sur les événements. Des études révèlent que les détections précoces de la hausse soudaine du taux de décharges IC et du pic du taux d'éclairs global qui en découle peuvent servir d'indicateur de conditions orageusesviolentes. Les données de foudre de l'ENTLN ont permis le développement d'un suivi des cellules de décharge en temps réel et du programme d'alerte aux orages dangereux, le DTA(Dangerous Thunderstorm Alert) d'Earth Networks. Nous présenterons les résultats de différentes études d'orages.

IntroductionLe cycle de vie d'une cellule d'orage de convection peut se décrire selon un modèle classique à trois pôles, dans lequel la charge négative principale se trouve au centre de la cellule, la charge positive principale dans les cristaux sommitaux du nuage et la charge positive secondaire (plus faible) dans la section inférieure de la cellule, sous la charge négative (Williams 1989). L'électrification initiale desparties centrale et sommitale peut évoluer en éclairs intra-nuageux de charge suffisamment intense pour produire des éclairs au sol(Williams et al. 1989).

Pendant leur phase de développement, les orages violents, capables de générer des éclairs, de forts vents, de la grêle et des tornades, présentent certaines caractéristiques associées aux décharges de foudre, telles que de fortes décharges intra-nuageuses, ou décharges IC (IntraCloud). Dans les orages violents, les taux de décharge nuage-sol (CG ; Cloud-Ground) affichent des faibles négatifs ou des forts positifs exceptionnels. Pendant un orage violent, plus le volume des forts courants ascendants est important, plus la charge globale est élevée, et plus le nombre d'IC et de CG positifs augmente (Lang and et al2000 et 2001). Des études antérieures révèlent l'absence de corrélation entre le taux de décharges CG et la tornadogénèse et l'absence d'efficacité pratique d'une utilisation exclusive de schémas de décharges de foudre CG pour détecter la formation de tornades (Perez et al. 1997).

Une étude focalisée sur les orages violents en Floride et exploitant les données de foudre totale du réseau de mesure et de détection des décharges, le LDAR (Lightning Detection And Ranging network), confirme une caractéristique qui distingue les orages violents : le caractère systématique de la foudre totale et de la hausse rapide de son taux de décharges, annonciateur de conditions météorologiques critiques de toutes sortes : vent, grêle et tornades (Williams et al. 1999). Étant donné l'absence

Page 2: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

2

de capacité de détection IC, un système de détection d'éclairs CG pur n'est pas adapté à la prévision du développement d'orages violents. La structure convection/cellules d'un orage est souvent visible sur une image de radar météorologique et peut également être identifiée au sein d'agrégats de décharges de foudre lorsque les taux sont suffisamment élevés. En revanche, les cellules de foudre qui reposent sur des éclairs CG ne peuvent révéler que la phase mature d'une cellule de convection (Tuomi et al. 2005) et ne peuvent être exploitées pour une prévention précoce des orages violents.

Aux États-Unis, le service de météorologie nationale installé à Huntsville, Alabama, exploite les informations sur la foudre issues du système de cartographie NALMA (North Alabama Lightning Mapping Array) pour établir un diagnostic des tendances convectives ; ces informations débouchent sur un indice de confiance et un délai accrus quant à l'émission d'alertes aux tornades et aux orages violents (Darden et al. 2010). Une étude a permis aux éléments annonciateurs de décharges IC de fournir une alerte de court terme valide quant à un danger de microbursts au sol (Williams et al. 1989). Les cellules de décharge identifiées à partir des données de foudre totale permettraient de suivre l'intégralité du cycle de vie d'un orage. Une étude fondée sur des données issues du réseau européen LINET (Lightning Detection Network in Europe) a atteint un palier important dans le suivi des cellules de décharge en exploitant des données de foudre totale (Betz et al. 2008).

Page 3: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

2

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

L'ENTLN (Earth Networks Total Lightning Network) est un réseau de détection de la foudre totale ; ses capteurs à large bande détectent à la fois les signaux de décharge IC et CG. Le déploiement de ce réseau de capteurs haute densité et l'efficacité améliorée de la détection côté serveur, particulièrement en matière de détection de décharges IC, ont permis de suivre et de prévoir en pratique les conditions météorologiques violentes, et ceen temps réel. Plusieurs études révèlent que des conditions météorologiques violentes se produisent souvent quelques minutes après que le taux de décharges de foudre totale a atteint son maximum, et que le suivi de l'élévation de ce taux offre un délai supplémentaire pour la prévision de conditions météorologiques violentes. Le recours aux données de foudre totale de l'ENTLN a permis le développement d'un système de suivi des cellules de décharge en temps réel et, à partir de là, d'un système d'alerte aux orages dangereux, le Dangerous Thunderstorm Alert. Cette étude apporte des éclaircissements pour le développement de l'ENTLN et présente différents aspects, notamment les formes d'onde IC et CG, et l'efficacité de la détection IC. L'étude présente le concept d'émission d'alerte, accompagné de quelques exemples.

ENTLN (Earth Networks Total Lightning Network)Le réseau de données sur la foudre totale d'Earth Networks, l'ENTLN (Earth Networks Total Lightning Network), est le résultat de dix années de recherche et de développement. En combinant des technologies de détection des éclairs avancées à des composants électroniques modernes, un capteur de décharges Earth Networks, ou ENLS (Earth Networks Lightning Sensor), peut acquérir les signaux détaillés émis à la fois par des décharges IC et CG, et transmettre des informations en continu à un serveur central. Un ENLS se compose d'une antenne, d'un récepteur GPS (Global Positioning System), d'un circuit de minutage qui repose sur le système GPS, d'un module de traitement numérique des signaux, ou DSP (Digital Signal Processor), d'un module de stockage embarqué et d'un équipement de communication Internet.

Comparé aux autres technologies de capteur existantes, l'ENLS est unique. Le capteur est constitué d'un système à large bande dont la fréquence de détection va de 1 Hz à 12 MHz. Sa plage de fréquences étendue permet au capteur de détecter non seulement des décharges CG, mais aussi des impulsions IC faibles. Le capteur enregistre les formes d'onde globales de chaque décharge et les transmet au serveur central sous forme de paquets de données compressés. Plutôt que d'utiliser uniquement les pics d'impulsion, la localisation des éclairs et la distinction entre décharges IC et CG font appel à l'ensemble de la forme d'onde. La richesse des informations relatives aux signaux améliore l'efficace de la détection et la précision de localisation du système. Côté serveur, des technologies de traitement numérique des signaux sophistiquées garantissent des détections de haute qualité et l'élimination des emplacements erronés.

Figure 1 : Le graphique de gauche présente les formes d'onde issues d'une impulsion IC à l'échelle de plusieurs capteurs ENTLN. Le graphique de droite présente les formes d'onde issues d'une décharge en retour (CG).

Lorsque la décharge se produit, de l'énergie électromagnétique est diffusée dans toutes les directions. Chaque capteur ENTLN ayant détecté les formes d'onde les enregistre et les envoie au serveur de détection des décharges central via une connexion Internet. Les heures d'arrivée précises sont calculées par la corrélation des formes d'onde issues de l'ensemble des capteurs

Page 4: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

3

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

qui ont détecté les décharges d'un éclair. L'heure d'arrivée et l'amplitude du signal de la forme d'onde permettent de déterminer le pic de tension de la décharge, ainsi que son emplacement exact : latitude, longitude et altitude. Les décharges sont alors agrégées dans un éclair si elles s'inscrivent dans une fourchette de 700 millisecondes et dans un rayon de 10 kilomètres. Un éclair qui contient au moins une décharge en retour est classé comme éclair CG. Dans la négative, il est classé comme éclair IC. Le suivi des cellules de foudre et la génération d'alertes font uniquement appel aux éclairs.

Page 5: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

4

(a) (b) (c)

Figure 2 : (a) Un capteur Earth Networks, ou ENLS (Earth Networks Lightning Sensor), avec d'autres équipements météorologiques, installé sur un mat standard ; (b) le réseau météorologique Earth Networksavec plus de 8 000 stations de surface ; (c) capteurs ENTLN en Amérique du Nord

Avec plus de 8 000 stations météorologiques de surface propriétaires et 1 200 caméras, essentiellement installées dans des écoles de quartier et des installations de sécurité publiques à travers les États-Unis, Earth Networks entretient le plus important réseau météorologique de surface exclusif au monde. Sur site, la station météorologique et le capteur de foudre sont raccordés à un dispositif de journalisation des données. Ce dernier transmet des données météorologiques et de foudre indépendantes à des serveurs centralisés, via une connexion Internet.

Les emplacements des stations météorologiques de surface de son réseau existant ont permis à Earth Networks de déployer rapidement un maillage haute densité de capteurs de foudre sur le territoire des États-Unis. Ce réseau haute densité couvre la zone contigüe couvrant les États-Unis (y compris l'Alaska), Hawaï et le bassin des Caraïbes, ainsi que l'Australie et le Brésil. L'ENTLN poursuit son développement : chaque année voit typiquement s'ajouter des centaines de nouveaux capteurs. Un réseau mondial d'informations sur la foudre pour la détection des décharges CG à longue portée est également déployé au moyen de données basse fréquence, mais il ne s'inscrit pas dans le cadre de cette étude.

Efficacité de détection eterreur de classificationUn effort considérable a été déployé pour améliorer la détection IC, tant au niveau du déploiement des capteurs que de l'optimisation côté serveur. L'ENTLN affiche une détection IC relativement efficace (jusqu'à 95 %) dans l'est et le Midwest des États-Unis, là où se produit la majorité des orages. Dans les autres régions, l'efficacité s'améliore avec le déploiement continu de capteurs. L'ENTLN classifie les décharges IC avec une précision de plus de 95 %.

Figure 3 : Carte de l'efficacité estimée de la détection IC pour l'ENTLN aux États-Unis.

Page 6: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

5

Suivi des cellules de foudre et alerte aux orages dangereuxUne cellule de foudre est un agrégats d'éclairs dont la limite forme un polygone déterminé par la valeur de densité de la décharge sur une période donnée. Le polygone est calculé à chaque minute selon une fenêtre de données de six minutes. Les cheminements et les directions des cellules se déterminent en corrélant les polygones de celles-ci sur une période de temps donnée. En comptant les éclairs présents dans la cellule, il est possible d'estimer le taux de décharge de foudre (en décharges par minute). La vitesse et la zone de la cellule sont également calculées.

Les données d'éclair sont acheminées en flux depuis un service de gestion de la foudre vers le capteur de cellules dès que l'éclair est localisé. Le capteur de cellules conserve les éclairs dans une fenêtre mobile de six minutes. À chaque minute, deux processus de mise en grille s'exécutent. Ils font appel à un instantané des données d'éclair dans cette fenêtre temporelle. Le premier s'exécute sur une grille grossière afin de localiser rapidement des zones pertinentes, et le second sur une grille plus fine au moyen de fonctions de densité, pour définir les contours précis.

Figure 4 : Définition d'une cellule de foudre. La courbe qui suit le polygone indique le chemin déjà parcouru par la cellule. La flèche indique la direction de déplacement de la cellule.

Pour simplifier le calcul, un polygone convexe, qui correspond au polygone de cellule à un moment donné, est généré à partir de chacun des contours précis. Dans la majorité des cas, le polygone de cellule est semblable à celui de la minute précédente ; leur corrélation est donc

simple. Toutefois, en cas de hausse rapide du taux de décharge, ou de fusion ou de division de cellules, la corrélation des cellules qui en découlent n'est plus aussi évidente. Un soin particulier est apporté à la liaison des polygones de cellules et à la production d'un cheminement raisonnable des cellules en mouvement. Lorsqu'unecellule orageuse se regroupe après affaiblissement, selon la trajectoire de la cellule et le paramètre durée-distance des deux polygones,un cheminement de cellule continu peut être conservé.

Figure 5 : Graphique de taux de décharges de foudre totale avec to = moment de saut brusque ; tp = moment du pic du taux de décharges de foudre totale ; ts = moment des conditions météorologiques violentes ; ti = moment d'émission d'alerte aux orages dangereux (DTA) ; ts – ti représente le délai

de l'alerte.

Page 7: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

6

Une fois la cellule de foudre localisée et suivie, les taux d'éclair totaux - IC et CG compris - sont calculés. La surveillance des taux d'éclair et de leur évolution permet d'identifier les cellules d'orage violentes oucelles pouvant le devenir. La figure 5 présente un historique de cellule schématisé, le taux de foudre totale auquel se produit un saut brusque et les conditions météorologiques violentesqui suivent au moment ts, après les pics de taux en tp. Dans unmicroburst, le schéma peut se présenter une seule fois,tandis que dans une supercellule orageuse, il peut se reproduire de nombreuses fois sur toute la durée de vie de la cellule. Lorsqu'une cellule est identifiée et lorsquele taux de décharges de foudre totale franchit brusquement (saut) le seuil, une alerte aux orages dangereux (DTA) peut être émise au moment ti. Le seuil dutaux de décharges de foudre totale peut varier selonles régions et les types d'orages.

Page 8: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

7

Pour simplifier l'étude, un seuil de 25 éclairs/minute a été retenu. Combiner les informations issues des cellules, notamment la vitesse et la direction de déplacement ou encore la taille, permet de déterminer une zone d'alerte avant l'arrivée de l'orage. La cellule peut se recharger et le processus se répéter, entraînant le déclenchement d'autres alertes. Certaines cellules peuvent disparaître rapidement et d'autres perdurer pendant plusieurs heures. Même s'ils ne sont généralement pas violents en termes de forts vents, de grêle ou de tornades, certains orages peuvent contenir essentiellement des éclairs CG. Les décharges CG peuvent causer de sérieux dégâts aux biens et constituer des menaces pour les personnes.

Le polygone d'alerte couvre la distance qu'une cellule parcoure en 45 minutes à la vitesse affichée au moment où l'alerte est générée. Le polygone d'alerte est mis à jour toutes les 15 minutes pour refléter le cheminement mis à jour de la cellule. La densité de notre réseau météorologique de surface de 8 000 stations suffit à fournir des données sur la force des vents et les taux de précipitations en temps réel, tout au long du cheminement de la

cellule d'orage ; ces données de météorologie en temps réel fournissent des informations supplémentaires pour enrichir les alertes aux orages violents.

Le problème qui se posait aux précédentes études (Darden et al. 2010) tenait à la relation strict entre tendances artificielles des données de foudre et questions d'efficacité et de portée. C'est pour cette raison que le suivi de cellules fait appel aux données d'éclair plutôt qu'aux données de décharge ; les secondes peuvent être davantage altérées par l'efficacité de la détection. Des seuils peuvent être affectés lorsque l'efficacité de détection est identifiée dans une région donnée. Ce domaine fera l'objet d'études ultérieures.

Figure 6 : Un polygone d'alerte peut être créé dans une zone 45 minutes avant l'arrivée de la cellule en déplacement.

Études de cas et analyseNos météorologues ont examiné quotidiennement les cellules et les alertes issues de nombreux orages par le biais du système d'alerte et de suivi de cellules en direct. Nous avons étroitement surveillé la précision et le délai des alertes, et les avons comparés avec ceux des alertes aux conditions violentes du service de météorologie national, le NWS (National Weather Service). La majorité des orages tirés de différents lieux géographiques à l'échelle des États-Unis autorise un schéma clair de la répartition destaux de décharges de foudre totale sur la durée de vie des cellules. Selon les données de cellule, il est possible de disposer d'un délai de 10 à 30 minutes,

voire davantage,pour émettre des alertes aux orages dangereux, ou DTA (Dangerous Thunderstorm Alert). Trois cas typiques sont présentés ici : (1) une tornade cheminantsur 240 km ; (2) un orage de grêle qui se déplace rapidement ; (3) une tornade à déplacement lent avec forte pluie.

Page 9: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

8

Figure 7 : Relevé de cheminements de tornades aux États-Unis - Louisiane et Mississippi - le 24 avril 2010 (autorisation : NWS-Jackson).

Page 10: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

9

Figure 8 : Éclairs de foudre détectés par l'ENTLN (24 avril 2010, de 16h00 à 18h40UTC). Les points violets représentent les éclairs IC et les points jaunes les éclairs CG.

Figure 9 (a) : Cheminements de cellules de foudre détectés par l'ENTLN pour la tornade.

1. Tornade cheminant de la Louisiane au Mississippi (États-Unis), le 24 avril 2010Selon le relevé des orages du NWS LSR, il s'agissait d'une des tornades les plus meurtrières sur le territoire des États-Unis en2010 et du premier phénomène EF–4 (4 sur l'échelle Enhanced Fujita) de l'année. Le 24 avril 2010, une tornade frappe le sol à l'est de la Louisiane et s'oriente au nord-est vers le Mississippi sur une trajectoire de 240 kmet une largeur de 2,8 km. Il s'agit du plus long trajet enregistré pour une tornade à ce jour. Au Mississippi, les comtés de Yazoo et Holmes ont été particulièrement touchés, au moment où la tornade atteignait sa force maximale, avec des vents estimésà 274 km/h.

À l'échelle des deux états, on dénombre au moins 10 morts et 146 blessés. Cet orage a produitun très grand nombre d'éclairs (139 152 éclairs en environ 4 heures, majoritairement de type IC). La figure 8 présente les éclairs le long d'une partie du cheminement de la tornade.

La figure 9a révèle qu'une cellule de foudre unique s'est formée et que son cheminement a perduré sur toute la durée de vie de la tornade. La figure 9b montre la zone couverte par la cellule d'éclairs, toute proche du cheminement de tornade fourni par le rapport d'orage de la figure 7. Fondé sur le détecteur de cellules, le premier DTA, tiré de la cellule de foudre adjacente précédente,a été émis à 10h07 CDT. Sans cette cellule précédente, la première alerte (tirée de celle-ci) aurait été émise à 10h35 CDT, soit 35minutes seulement avant que la tornade ne frappe le sol.

Page 11: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

10

Figure 9 (b) : Zone couverte par les cellules de foudre.

Page 12: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

11

L'orage a généré des taux de décharges élevés en continu. Aussi, les polygones d'alerte qui en découlent ont couvert l'intégralité du cheminement de la tornade (voir figures 10).

Figure 10 (a) : Premier polygone d'alerte, le 24 avril 2010, à 15h07 UTC.

Le graphique de taux de décharges de foudre de la figure 11 révèle clairement le schéma décrit à la section précédente ; avant que l'orage ne s'intensifie, le taux d'éclairs de foudre total s'élève, atteintson pic puis décroît. Ce schéma peut se répéter de nombreuses fois sur la durée de vie d'une supercellule d'orage. Dans ce cas d'orage précis, le taux de décharges de foudre totale le plus élevé (89 éclairs/minute) précède la plus forte activité de tornade, qui produit ici des dommages de catégorie EF-4.

Figure 10 (b) : Alerte ultérieure sur le trajet de la tornade.

Page 13: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

12

Figure 11 : Taux de décharges au cours de la tornade, le 24 avril 2010.

Page 14: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

13

2. Orage de grêle sur le Mississippi, le 2 mai 2010La figure 12 montre une cellule de foudre unique longue de deux heures au sein de laquelle le taux de décharges augmente progressivement, avec quelques hausses initiales soudaines, pour entamer une baisse graduelle. Plusieurs rapports, faisant état de grêlons de la taille d'une balle de golf, ont été générés le long du trajet de la cellule. La majeure partie de la grêle s'est produite pendant la décroissance qui a suivi le pic du taux de décharge (à 71 éclairs/minute). La première alerte aux orages dangereux, ou DAT (Dangerous ThunderstormAlert), émise par Earth Networks à partir du suivi de cette cellule remonte à 21h27 UTC, soit 30 minutes avant le rapport sur la premièregrêle.

Figure 12 : Orage dans le Mississippi, le 2 mai 2010. Le graphique du haut illustre le trajet de la cellule de foudre du sud-ouest vers le nord-ouest ; les triangles verts correspondent aux emplacements réels de la grêle rapportée. Le graphique du bas présente les taux de décharges de foudre (en éclairs/minute) pendant l'orage.

Page 15: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

14

Figure 13 : Taux d'éclairs du 6 juillet 2010, Brule, Dakota du Sud, États-Unis.

3. Tornade aux États-Unis, dans le Dakota du Sud, le 6 juillet 2010Cet orage à déplacement lent, à proximité de Brule, dans le Dakota du Sud, a produit des frappes de tornades qui ont fait l'objet de rapports. Parallèlement, d'autres rapports font état de dommages dûs au vent et à des grêlons de la taille d'une pièce de 1 euro. D'après la chronologie orageuse rapportée par le NWS, les frappes de tornades se sont produites lorsqueles taux de décharges de foudre totale ont atteint leurs points bas. Le taux de foudre totale le plus élevé est de 66 décharges/minute et le taux IC le plus élevé de 51 décharges/minute. Les taux CG sont restés relativement bas et constants durant l'orage. La première DTA produite par Earth Networks à partir du suivi de cette cellule a été émise à 20h35 UTC, soit 46 minutes avantl'identification de la première frappe de tornade. Les taux de décharge de la majorité des orages accompagnés de tornades ont tendanceà fluctuer de manière plus marquée que ceux des orages accompagnés uniquement de grêlées ou de vents. L'identificationdes signatures des différents orages à partir de la répartition du taux de décharges de foudre totale nécessite une étude supplémentaire.

4. Brisbane, Australie : Victimes de la foudre ;16 décembre 2010Une cellule orageuse produisant une forte densité dedécharges IC et CG est détectée entre00h00 et 06h00 UTC en Australie, à Brisbane (Queensland), et cause un décès. Un homme perd la vie après avoir été frappé par la foudre au Hawks Nest Golf Club (Nouvelle Galles du Sud). Cette image révèle une quantité considérable d'éclairs dans plusieurs cellules orageuses à l'échelle de la région, ainsi que les trajectoires des cellules et les DTA générées à partir de l'ENTLN.

Page 16: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

15

Figure 14 : L'ENTLN détecte une forte densité d'éclairs IC et CG près de Brisbane (Australie ; Queensland), le 16 décembre 2010. Les détails du suivi des cellules orageuses et les polygones DTA sont également mis en évidence.

Page 17: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

16

5. San Paulo, Brésil : inondation catastrophique ;le 12 janvier 2011Un système orageux aux proportions exceptionnelles a produit une inondation catastrophique près de Rio et causé plus de 900 décès. Une image dule réseau de surveillance de la foudre totale brésilien, le BTLN (Brazilian Total Lightning Network), générée le 21 janvier 2011 entre 17h00 et 23h00, illustre le développement du système orageux au large de la côte brésilienne, produisant une forte densité de décharges IC et CG. Les trajectoires de cellules orageuses présentées parallèlement aux DTA décrites par les polygones de couleurs fournissentun avertissement anticipé quant aux orages violents.

Figure 15 : Le BTLN (Brazilian Total Lightning Network) détecte de fortesdécharges IC et CG générant des alertes aux orages dangereux (DTA ; polygones) le12 janvier 2011 près de San Paulo.

ConclusionsCette étude apporte des éléments supplémentaires quant à la relation entre le taux de foudre totale et les conditions météorologiques violentes. Le taux d'éclairs CG d'un orage n'affiche aucune corrélation claire avec les activités de ces conditions. En revanche, le taux d'éclairs IC et ses hausses brutales peuvent constituer des indicateurs précoces d'orages violents capables de produire de la grêle, un fort vent ou des tornades. Les orages de convection les plus violents peuvent générer un taux d'éclairs IC élevés et un rapport éclairs IC/CG élevé. Suivre les cellules de foudre au sein d'un orage et surveiller les taux de décharges de foudre totale permet à Earth Networks d'émettre des alertes aux orages dangereux, ou DTA (Dangerous Thunderstorm Alert), dans un délai pouvant aller jusqu'à 30 minutes avant que des conditions météorologiques violentes ne se développent au sol. L'ENTLN est un réseau de détection de la foudre totale capablede détecter efficacement des éclairs nuage-sol (CG) et intra-nuageux (IC). Il permet de fournir un avertissement anticipé de conditions météorologiques violentes. Le suivi des cellules et les DTA peuvent s'utiliser dans le cadre d'un outil automatisé de prévision des orages violents. Ces technologies complètent le radar, les données de modélisation informatique et les observations en vue de permettre l'émission d'avertissements fiables quant à des conditions météorologiques violentes. Une étude plus avant est nécessaire pour déterminer le seuil DTA adapté aux différentes caractéristiques orageuseset aux différences géographiques relatives dans le cadre de l'efficacité de détection de l'ENTLN. Il en va de même pour la corrélation entre lesDTA émises par Earth Networks et les avertissements sur les orages dangereux du NWS, en vue d'évaluer les délais et la précision.

RemerciementsLes auteurs tiennent à remercier les membres de l'équipe dirigeante d'Earth Networks, Robert S. Marshall et Christopher D. Sloop, pour avoir lancé le projet de suivi des cellules de foudre, et pour leurs contributions essentielles.

Page 18: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

17

Nous souhaitons également remercier d'autres membres de l'équipe Earth Networks - Benjamin Beroukhim, Mark Hoekzema, Steve Prinzivalli et James West - pour l'utilisationdu système de suivi des cellules et pour leurs précieux retours d'information.

Page 19: Layout 1 (Page 1)  · Web viewLa foudre intra-nuageuse, ou IC (Intracloud) est mieux corrélée à la violence d'un orage que la foudre nuage-sol, ou CG (Cloud-Ground). La détection

Foudre totale : détection et suivi de cellules - Analyse d'une étude de SM

SM

États-Unis : (800) 544-4429 • International : (1) 301-250-4000 poste 4315 • www.earthnetworks.comEN.Mktg.ENT.SIP.MM6 20120416

18

RéférencesBetz, H. D., and Schmidt, K., Oettinger, W. P., and Montag, B., 2008: Cell-tracking with lightning data from LINET. Adv. Geosci., 17: 55-61.

Darden, Christopher B., and Nadler, David J., Carcione, Brian C., Blakeslee, Richard J., Stano, Geoffrey T., and Buechler, Dennis E., 2010: Utilizing total lightning information to diagnose convective trends. Bulletin of the American Meteorological Society, 91: 167-175.

Lang, T. J., and Rutledge, S. A., 2002: Relationships between convective storm kinematics, precipitation, and lightning. Mon. Wea. Rev., 130: 2492–2506.

Lang, T. J., and Rutledge, S.A., Dye, J. E., Venticinque, M., Laroche, P., and Defer, E., 2000: Anomalously low negative cloud-to-ground lightning flash rates in intense convective storms observed during STERAO-A. Mon. Wea. Rev., 128: 160–173.

Perez, A. H., and Wicker, Louis J., and Orville, Richard E., 1997: Characteristics of Cloud-to-Ground lightning associated with violent tornadoes. Weather and Forecasting, 12: 428-437.

Tuomi, T. J., and Larjavaara, M., 2005: Identification and analysis of lightning in thunderstorms. Meteorol. Soc., 131:1191-1214.

Williams, E. R., 1989: The tripole structure of thunderstorms, J. Geophys. Res., 94(D11), 13: 151-13 167.

Williams, E. R., and Weber, M.E., and Orville, R.E., 1989: The relationship between lightning type and convective state of thunderclouds. J. Geophys. Res., 94(D11), 13213–13220.

Williams, E.R., and Boldi, B., Matlin, A., Weber M., Hodanish, S., Sharp, D., Goodman, S., Raghavan, R., and Buechler, D., 1999: The behavior of total lightning activity in severe Florida thunderstorms. Atmospheric Research, 51: 245-265.

Earth Networks™ • WeatherBug® Professional

12410 Milestone Center Drive, Suite 300Germantown, MD 20876Téléphone : 1 (301) 250-4000Courrier électronique : [email protected] / [email protected] www.earthnetworks.com | www.weatherbugprofessional.com