Les tornades de ligne de grain sont sournoises, dangereuses et difficiles à prévoir

La météorologue Thea Sandmael a regardé l'orage se rapprocher. Il était assez proche pour qu'elle repère un dôme de nuages en rotation émergeant de son ventre sombre - le début d'une tornade. Au moment où la masse tourbillonnante était à 10 minutes de distance, Sandmael et ses collègues avaient fermé leurs instruments radar et évacué leur poste.

"Continuez simplement", a conseillé sa collègue au volant, qui se concentrait à juste titre sur la manœuvre de leur SUV sur la route isolée de l'Alabama. Derrière, un autre collègue dans un camion transportait leur équipement radar encombrant. Évacuer était une bonne décision, se souvient-elle : "Nous étions assis du côté ouest de la route, et la tornade a touché terre exactement à notre emplacement".

Ce n'était pas juste un autre jour à chasser les tornades pour Sandmael, de l'Institut coopératif pour la recherche et les opérations météorologiques graves et à fort impact, ou CIWRO, à Norman, en Oklahoma. (SN : 7/19/24). Ce jour-là, elle et son équipe étaient après quelque chose d'inhabituel : un type de trombe caché appelé tornade de ligne de grain.

La plupart des tornades se forment dans des tempêtes isolées appelées supercellules (SN : 12/14/18). Ces tornades sont la classe la plus courante, la plus destructrice et la plus étudiée des trombes. Les tornades de ligne de grain, en revanche, se développent le long du front de longues rangées de tempêtes appelées systèmes convectifs quasi-linéaires, parfois appelées QLCS, ou lignes de grain. Elles sont généralement moins intenses que les tornades de supercellules, dit la scientifique atmosphérique Karen Kosiba de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Mais, dit-elle, "cela ne signifie pas qu'elles ne sont pas dangereuses".

Les tornades de ligne de grain ont tendance à surprendre. Elles sont éphémères et échappent souvent à la détection, se formant et mourant dans les intervalles entre les balayages de la plupart des systèmes radar. Elles sont également difficiles à anticiper, se manifestant soudainement le long de rangées de tempêtes qui peuvent s'étendre sur des centaines de kilomètres. Et en comparaison avec les tornades de supercellules, les trombes de ligne de grain se produisent plus fréquemment en saison fraîche et dans les heures sombres de la nuit, lorsque les tornades sont moins attendues (SN : 12/16/21).

De plus, les tornades de ligne de grain sont disproportionnellement plus communes dans le sud-est des États-Unis, une région particulièrement vulnérable aux trombes. Au cours des 70 dernières années, le centre de l'activité tornadique du pays - supercellules et lignes de grain comprises - s'est déplacé des Grandes Plaines vers le Sud-Est (SN : 10/18/18). La région non seulement a une population plus dense que les Grandes Plaines, mais elle contient également une plus grande concentration de maisons mobiles et préfabriquées faciles à déraciner.

Dans le nouveau cœur de tornades du pays, une trombe de ligne de grain n'a pas besoin d'être d'une grande intensité pour représenter un risque grave. Reconnaissant la nécessité de réduire ce risque, Sandmael, Kosiba et des dizaines d'autres chercheurs ont uni leurs forces pour la campagne de terrain Propagation, Évolution et Rotation dans les Tempêtes Linéaires - ou PERiLS. Au cours des saisons de fin d'hiver et de printemps de 2022 et 2023, des équipes déployées dans le Sud-Est ont capturé une mine de données sans précédent.

Leur travail a déjà révélé que les tornades de ligne de grain pourraient être plus courantes et plus dangereuses que ce qui était précédemment pensé. Heureusement, les chercheurs ont peut-être également découvert des indices qui pourraient aider à rendre ces trombes un peu moins surprenantes.

Pour former une tornade, il faut certains ingrédients atmosphériques : une source de rotation, un mécanisme de levage pour déclencher la montée de l'air et quelque chose pour maintenir cette montée.

Commencez par exemple avec un front froid avançant par en dessous pour soulever l'air devant lui. Cela déclenche la formation d'un courant ascendant. Pour persister, ce courant ascendant aura besoin que l'air près du sol possède une certaine flottabilité, ou ce que les météorologues appellent l'instabilité. Et l'ingrédient secret qui fait tourner les choses ? Il s'agit du cisaillement vertical du vent, ou un changement de vitesse des vents avec l'altitude croissante. Pensez à une roue à aubes verticale ; lorsque les vents plus élevés se déplacent plus vite et poussent plus fort sur les aubes supérieures, la roue tourne.

Les observations récentes suggèrent que ces ingrédients peuvent se mélanger de différentes manières pour produire des tornades dans les lignes de grain, dit le scientifique atmosphérique de la NOAA Anthony Lyza, qui travaille au CIWRO. Prenez par exemple l'instabilité, qui est souvent mesurée comme l'énergie potentielle convective disponible, ou CAPE. Le CAPE est parfois décrit comme la quantité de carburant disponible pour une tempête en formation.

Selon la NOAA, des valeurs de CAPE de 1 000 joules par kilogramme sont généralement suffisamment élevées pour alimenter des tempêtes fortes. Mais "beaucoup de ces [lignes de grain] se produisent en réalité dans un environnement de faible CAPE, de fort [vent] de cisaillement", dit la scientifique atmosphérique Alexandra Anderson-Frey de l'Université de Washington à Seattle.

Par exemple, en mars 2022, les chercheurs de PERiLS ont mesuré un CAPE d'environ 500 joules par kilogramme dans une ligne de grains sur le Mississippi et l'Alabama qui a produit des douzaines de tornades. Et Lyza affirme avoir vu des tornades dans des lignes de grains soutenues par des valeurs de CAPE aussi basses que 100 joules par kilogramme. Ces faibles configurations de CAPE illustrent des environnements qui ont été peu étudiés en termes de leur capacité à former des trombes marines, déclare Anderson-Frey. En même temps, la nouvelle technologie a permis de découvrir davantage de tornades dans les lignes de grains. 

Contrairement à l'ancienne technologie de radar Doppler qui ne balaye que dans la dimension horizontale, les nouveaux instruments radar à double polarisation balayent à la fois dans les dimensions verticale et horizontale. Au cours de la dernière décennie, la prolifération de la nouvelle technologie a accru les détections de trombes marines, selon Lyza. Tout cela pour dire que les tornades dans les lignes de grains semblent être plus courantes que ce que les chercheurs pensaient auparavant. Peut-être, alors, est-ce un peu moins surprenant qu'elles soient également plus dangereuses qu'on ne le croyait précédemment. Un après-midi calme de mars 2022, Lyza s'est rendu dans une ferme isolée du comté de Noxubee, au Mississippi. Une tornade dans une ligne de grains avait dévasté la région la veille, et Lyza était arrivé pour aider à évaluer les dégâts pour PERiLS. 

Quelque chose dans la scène lui semblait étrange. Le radar opérationnel n'avait pas indiqué que la tornade avait été particulièrement intense. Mais Lyza a observé d'importants dégâts sur une maison de la propriété. « Une bonne partie de la toiture avait été soufflée, et un mur extérieur entier avait été emporté de la maison », explique Lyza. À proximité se trouvaient les restes d'un hangar à machines qui avait été arraché et déchiré. Le hangar était ancré au sol par des piliers en béton de cinq pieds de long, se souvient Lyza. « Nous étions assez choqués », dit-il. « Nous n'étions pas spécialement partis dans le comté de Noxubee en pensant que nous allions trouver des dégâts de tornade importants ici. » Les dégâts étendus n'étaient pas la seule surprise : « Nous avons remarqué que la tornade était entrée sur la propriété depuis le sud-ouest », dit Lyza. Mais une traînée d'arbres endommagés semblait suggérer que la tornade avait ensuite viré exactement vers l'est sur quelques centaines de mètres avant de bifurquer vers le nord-est. Il n'est pas rare qu'une tornade change de direction, mais à grande vitesse, leurs virages deviennent larges, comme des voitures sur une autoroute. 

Cette tornade avançait à environ 100 kilomètres par heure, et pourtant sa trajectoire semblait tourner brusquement. Heureusement, un véhicule radar mobile avait été déployé à seulement quatre kilomètres au sud. Ses faisceaux avaient capturé la danse énigmatique de la tornade, ainsi que des preuves indiquant que son étrange trajectoire avait été influencée par de multiples vortex : des tornades dans une tornade. « C'est une première que je connaisse - que quiconque par ici connaisse - en termes de tornade dans une [ligne de grains] », déclare Lyza. Ces sous-vortex apparaissaient et disparaissaient si rapidement que leur évolution était difficile à suivre via les balayages radar intermittents. Mais « dans un seul balayage, je pense que j'ai pu identifier avec confiance jusqu'à quatre en même temps », explique Lyza. « Ces vortex individuels étaient en fait responsables de la plupart des dégâts, et la tornade principale elle-même était plutôt faible. » Les chercheurs ont observé que les tornades dans les lignes de grains ont tendance à être plus larges que les tornades supercellulaires ; c'est peut-être dû à la présence de nombreux sous-vortex, spéculuLyza. 

Les tornades dans les lignes de grains ont également tendance à être moins efficaces que des tornades supercellulaires de même intensité à soulever des débris dans les airs. Cela pourrait être dû au fait que ces sous-vortex sont de si courte durée qu'« ils n'auront pas nécessairement l'occasion de soulever des débris aussi haut », explique Lyza. Ces sous-vortex « augmentent probablement l'intensité maximale de la tornade », déclare l'ingénieur du vent Frank Lombardo de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, qui a évalué les dégâts sur le site avec Lyza. Les vitesses du vent dans un sous-vortex peuvent se combiner avec les vitesses du vent de la tornade principale, explique-t-il. Il est difficile de dire si les sous-vortex sont courants dans les tornades de ligne de grains en se basant sur un seul cas. Mais s'ils le sont, « nous pourrions devoir revoir nos calculs de risque de tornade », ajoute Lombardo. 

« Nous avons peut-être totalement sous-estimé leur intensité. » La découverte que les tornades de ligne de grains pourraient être plus courantes et plus féroces que ce que l'on pensait fait que la prédiction devient encore plus urgente. Heureusement, le météorologue de PERiLS Todd Murphy de l'Université de Louisiane à Monroe et ses collègues pourraient avoir trouvé quelques pistes très nécessaires. Depuis des décennies, les chercheurs ont observé que certaines lignes de grains avancent en formant la forme d'un arc, et que des tornades se développent parfois au sommet de ces arcs. Plus tard, les chercheurs ont appris que ces tornades sont associées à des vortex de vents peu profonds et à petite échelle. Les experts les ont appelés mésovortex.

Nous pouvons bien prédire les lignes de grains - généralement avec plus de précision que d'autres types d'orages, explique le scientifique atmosphérique Patrick Skinner du CIWRO. Mais prédire les mésovortex intégrés est très difficile, dit-il. De plus, seuls certains mésovortex donnent naissance à des tornades, et les chercheurs ne savent pas pourquoi c'est le cas.

Ainsi, pendant la récente campagne de terrain PERiLS, Murphy et son équipe ont utilisé la détection et le repérage par la lumière, ou lidar, pour surveiller l'atmosphère dans les heures précédant l'arrivée d'une ligne de grains. Ces instruments ont balayé le ciel avec des faisceaux laser minces, qui se sont reflétés sur des aérosols agissant comme des traceurs pour le vent.

"Dans la grande majorité de nos cas, les données lidar ont montré des changements assez abrupts dans le profil des vents environ 90 minutes avant que la ligne de grains n'atteigne le site", explique Murphy. À différents niveaux de la basse atmosphère, la cisaillement vertical du vent augmentait, induisant une rotation plus importante dans la ligne de grains, explique-t-il.

Et ce n'était pas seulement le cisaillement du vent qui changeait de façon spectaculaire ; tous les ingrédients clés de PERiLS pour la formation de tornades "peuvent changer très rapidement dans l'heure ou deux précédant l'arrivée d'une ligne de grains", dit Murphy.

En utilisant les données collectées lors de PERiLS, ainsi que 10 ans de données radar recueillies par le National Weather Service, Murphy et ses collègues ont étudié comment l'atmosphère changeait avant les mésovortex des lignes de grains. Plus précisément, ils ont analysé les vitesses du vent à différents niveaux de l'atmosphère avant les mésovortex qui ont formé des tornades et ceux qui ne l'ont pas fait.

Avant les mésovortex tornadiques, il semblait y avoir légèrement plus de cisaillement du vent, explique Murphy. Plus important encore, il y avait plus de rotation, et cette signature était plus prononcée avant les lignes de grains qui ont généré au moins cinq tornades.

Les données suggèrent que certaines structures du vent peuvent se mettre en place avant les mésovortex tornadiques, dit Murphy. Les mésovortex se forment à l'intérieur des courants ascendants, qui se forment et se dissipent continuellement le long de toute la longueur d'une ligne de grains. Lorsqu'un courant ascendant rencontre et s'aligne avec l'air circulant près du sol, le courant ascendant peut étirer la circulation vers le haut, ce qui la fait tourner plus rapidement.

"Nous l'appelons l'effet de la patineuse sur glace", dit Murphy, faisant référence à l'exemple célèbre d'une patineuse qui tourne plus vite lorsque les deux bras sont rapprochés du corps. "Si vous étirez cette rotation", dit-il, "cela fait que le rayon devient plus petit, mais que la rotation est renforcée."

Si les météorologues surveillent les conditions 60 à 90 minutes avant une ligne de grains et que le profil du vent commence à développer cette signature, alors ils devront peut-être envisager d'émettre des avertissements, dit Murphy.

"Une fois que cela aura été validé", dit-il, "cette signalisation semble être une signature opérationnelle claire que le National Weather Service pourrait probablement utiliser."

Une grande partie des données recueillies lors de PERiLS est encore en cours d'analyse, et d'autres résultats exploitables pourraient émerger dans les années à venir. Skinner travaille à la NOAA sur le projet de l'Alerte sur Prévision, qui vise à augmenter le délai des prévisions pour les tornades et autres intempéries (SN : 17/04/15). Il analyse les données de PERiLS pour déterminer quelle résolution les simulations météorologiques actuelles doivent avoir pour reproduire avec précision les mésovortex dans les lignes de grains.

Il faudra de vastes améliorations dans nos simulations météorologiques pour pouvoir prédire les mésovortex tornadiques aussi bien que nous pouvons prédire les tornades de supercellules, explique Murphy. Mais, finalement, dit-il, "je pense que nous y arriverons."