Le bassin nord-occidental méditerranéen connaît régulièrement des orages accompagnés de précipitations intenses, de fortes rafales de vents, d’une activité électrique importante et parfois de tornades. Cette région est particulièrement sensible au changement climatique avec, selon les scénarios futurs, des orages moins nombreux mais plus violents. Le programme HyMEX (Hydrological cycle in Mediterranean EXperiment) a été mené dans le but de mieux comprendre et prévoir ces événements météorologiques extrêmes. Au sein de ce même programme, le projet EXAEDRE (EXploiting new Atmospheric Electricity Data for Research and the Environment) s’est concentré sur l'étude des processus microphysiques, dynamiques et électriques au sein d’orages observés en Corse pour la période 2016-2020.
L’éclair est le résultat d’interactions complexes entre la microphysique, la dynamique et l’électrisation au sein du nuage d’orage. L’éclair se produit entre des zones de charges électriques distribuées au sein de l’orage sous la forme schématique de dipôle ou de tripôle. Cette thèse détaille les propriétés des structures de zones de charges électriques et les caractéristiques des éclairs et de l’activité électrique associées à partir d’observations issues de réseaux de détection opérant dans les domaines radio VHF (LMA; Lightning Mapping Array) et LF (Météorage). Des mesures issues des radars météorologiques du réseau ARAMIS de Météo-France apportent des informations sur les précipitations ainsi que les hydrométéores et les vents au sein des nuages.
Une base de données de cellules orageuses a ainsi été construite grâce à l’algorithme d’identification et de suivi de cellules électriques ECTA conçu durant la thèse. Les zones de charges électriques ont été déduites via l’algorithme Chargepol tandis que la synergie LF-VHF classe les décharges en éclairs de type intra-nuage, nuage-sol ou hybride.
Les propriétés électriques de différentes structures électriques sont analysées par période de 10 minutes grâce à des études de cas de cellules observées en Corse en 2018. Les résultats obtenus sont vérifiés à l’aide d’une étude statistique sur 800 cellules enregistrées en Corse durant 5 mois et sont comparés à ceux obtenus dans le sud-est de la France en 2012 durant la campagne HyMEX. Ainsi, la classification des éclairs utilisant la synergie VHF-LF donne des résultats cohérents par rapport aux structures de zones de charges électriques. Des structures électriques anormales ont été identifiées dans 25 % des périodes de 10 minutes analysées tandis que le taux d’éclairs le plus fort a été justement observé pour une certaine catégorie de ces structures de zones de charges anormales. Plus généralement, le taux d’éclairs est corrélé à l’altitude des zones de charges. Le suivi de paramètres tels que l'altitude d’initiation des éclairs, leur extension horizontale et de leur durée sont des bons indicateurs de l'intensité d’un orage et de sa dynamique. Ces travaux montrent l'intérêt de l'observation éclair, notamment en 3D, pour améliorer la prévision immédiate des orages. Enfin l’exploration des liens entre électricité et observations radars a mis en évidence des relations complexes qui précisent que de fortes pluies peuvent se produire en l’absence d'activité électrique intense mais que de fort taux d'éclairs sont généralement associés à des fortes précipitations. |
The northwestern Mediterranean basin regularly experiences thunderstorms with intense precipitation, strong wind gusts, significant electrical activity and sometimes tornadoes. This region is particularly sensitive to climate change with, according to future scenarios, fewer but more violent storms. The HyMEX (Hydrological cycle in Mediterranean EXperiment) program was conducted to better understand and predict these extreme weather events. Within this same program, the EXAEDRE (EXploiting new Atmospheric Electricity Data for Research and the Environment) project focused on the study of microphysical, dynamic and electrical processes within thunderstorms observed in Corsica for the period 2016-2020.
Lightning is the result of complex interactions between microphysics, dynamics and electrification within the thunderstorm cloud. Lightning occurs between electrical charge layers distributed within the thunderstorm in the schematic form of a dipole or tripole. This thesis details the properties of the electrical charge structures and the characteristics of the lightning and the associated electric activity from observations from lightning detection networks operating in the VHF (LMA; Lightning Mapping Array) and LF (Météorage) radio domains. Measurements from meteorological radars of the ARAMIS network of Météo-France provide information on precipitation as well as hydrometeors and winds within clouds.
A database of thunderstorm cells has been built using the ECTA electric cell identification and tracking algorithm designed during the thesis. The electric charge layers were deduced via the Chargepol algorithm while the LF-VHF synergy classifies the discharges as intra-cloud, cloud-to-ground or hybrid lightning.
The electrical properties of different electrical charge structures are analyzed per 10-minute period through case studies of cells observed in Corsica in 2018. The obtained results are verified using a statistical study on 800 cells recorded in Corsica during 5 months and are compared to those obtained in the South-East of France in 2012 during the HyMEX campaign. Thus, the classification of lightning using VHF-LF synergy gives consistent results with respect to the electrical charge structures. Anomalous electrical charge structures were identified in 25% of the 10-minute periods analyzed while the highest flash rate was precisely observed for a certain category of these anomalous charge structures. More generally, the flash rate correlates with the altitude of the charge layers. The monitoring of parameters such as the altitude of lightning initiation, their horizontal extension and their duration are good indicators of the intensity of a storm and its dynamics. This work shows the interest of lightning observation, especially in 3D, to improve the immediate forecast of thunderstorms. Finally, the exploration of the links between electricity and radar observations has highlighted complex relationships that specify that heavy rainfall can occur in the absence of intense electrical activity but that high flash rates are generally associated with heavy precipitation. |