vignette|Arcus de type « multicouche » lors d'un orage au-dessus d'Enschede (Pays-Bas). vignette|Orage, Garajau, Madère.
Un orage (dérivé à l'aide du suffixe -age de l'ancien français ore, signifiant « vent ».) est une perturbation atmosphérique d'origine convective associée à un type de nuage particulier : le cumulonimbus. Ce nuage à grande extension verticale engendre des précipitations fortes à diluviennes, des décharges électriques de foudre accompagnées de tonnerre. Dans certains cas, l'orage peut produire des chutes de grêle, des vents très violents et, rarement, des tornades.
Les orages peuvent se produire en toute saison, tant que les conditions d'instabilité et d'humidité de l'air sont présentes. Le plus grand nombre se retrouve sous les tropiques et leur fréquence diminue en allant vers les pôles où ils ne se produisent qu'exceptionnellement. Dans les latitudes moyennes, le nombre varie avec la saison.
Mécanisme de formation left|thumb|Téphigramme qui montre le chemin de la parcelle d'air convective, température versus pression (ligne rouge), par rapport à l'environnement (en noir). La surface en jaune est égale à son EPCD.
Thermodynamique Comme dans les averses, les orages se forment dans une masse d'air instable lorsqu'il y a une réserve importante de chaleur et d'humidité à bas niveau de la troposphère et d'air plus sec et froid en altitude. Une parcelle d'air plus chaude que l'environnement entre en convection.. Tant qu'elle n'est pas saturée, sa température change selon le taux adiabatique sec. À partir de la saturation, la vapeur d'eau contenue dans la parcelle d'air se condense selon les lois de la thermodynamique, ce qui relâche de la chaleur latente et son changement de température avec la pression est alors celui appelé le taux pseudo-adiabatique humide. L'accélération ascensionnelle se poursuit, jusqu'à ce que la parcelle arrive à un niveau où sa température égale celle de l'air environnant. Ensuite, elle se met à décélérer et le sommet du nuage est atteint quand la particule atteint une vitesse nulle.
L'énergie potentielle de convection disponible (EPCD) pour ce type de nuages est plus grande que pour une averse et permet de développer des sommets de nuages qui atteindront une plus grande altitude. Ceci est important car les gouttes qui s'élèvent dans le courant ascendant perdent des électrons par collision comme dans un accélérateur de Van de Graff. Un plus haut sommet permet d'atteindre une température inférieure à nécessaire pour donner un grand nombre de cristaux de glace. Ces derniers sont de meilleurs producteurs et transporteurs de charge, ce qui permet une différence de potentiel suffisante entre la base et le sommet du nuage pour dépasser le seuil de claquage de l'air et donner de la foudre.
Hormis les régions équatoriales, la période la plus active va de la fin du printemps au début de l'automne, car c'est à ce moment que l'atmosphère est la plus chaude, humide et instable. Cependant, si l'instabilité est en altitude, elle n'a rien à voir avec la période de l'année, et ainsi le passage d'un front froid en hiver dans les latitudes moyennes peut donner des orages.
Déclencheurs vignette|upright=1.5|Diagramme montrant les différents types d'orages violents selon leur EPCD et leur cisaillement des vents. L'instabilité potentielle de l'air n'est pas le seul critère, il faut généralement un déclencheur, par exemple le passage d'un front froid, d'une onde courte météorologique, ou le réchauffement diurne. Un tel déclencheur peut agir à la surface ou en altitude, ce qui fait que les orages peuvent se développer près du sol ou être basés aux niveaux moyens de l'atmosphère.. :
Orage de masse d'air
Les orages de masse d'air résultent de la convection par réchauffement dans une masse d'air uniforme. Le cisaillement des vents avec l'altitude y est nul ou faible, ce qui donne des orages unicellulaires, généralement isolés. Comme le déplacement des orages de masse d'air dépend uniquement des vents en altitude, s'il ne vente pas, les orages resteront presque stationnaires. Ils peuvent se développer par suite du réchauffement diurne accompagné souvent d'un effet local qui produit une certaine zone de convergence. En effet, même si une masse d'air a des propriétés de température et d'humidité relativement uniformes au plan horizontal, la topographie peut changer localement ces propriétés.
L'effet local peut être une ascendance orographique, un faible creux barométrique ou une brise. Par exemple, l'air près de la surface d'un lac est plus humide qu'à l'intérieur des terres. En conséquence, durant la saison estivale, il n'est pas rare que des orages se forment près d'une rive légèrement en pente et suivent la progression du front de brise. Il peut donc être difficile de prévoir dans quel secteur se formeront les orages, un peu comme prédire où se formera la première bulle dans un chaudron rempli d'eau et mis sur le feu.
Ces orages ont donc comme caractéristiques : de se former en après-midi ou en début de soirée sur les terres par temps chaud et humide estival. La nuit, lorsque le sol se refroidit, l'air se stabilise dans les couches inférieures et l'activité orageuse cesse ; de se former près des zones côtières lorsque la masse d'air froid se déplace au-dessus de la surface plus chaude des eaux, situation qui peut se produire en toute saison et donner par exemple un orage de neige ; de se former par ascendance orographique si un écoulement d'air instable et humide est soulevé par une chaîne de montagnes dans les brises de montagne. Dans ce cas, ces orages s'alignent le long du côté au vent de la chaîne de montagnes et durent aussi longtemps que l'écoulement d'air les alimente.
Orage frontal
S'il y a présence d'un front, particulièrement un front froid, ce dernier produit une ascendance qui déclenche et organise la convection.. Les orages produits seront frontaux ou préfrontaux selon leur position le long ou à l'avant du front. Parce qu'il y a un cisaillement des vents à l'approche d'un front, les orages pourront être de plusieurs types : multi-cellulaires, supercellulaires, ligne de grains selon l'instabilité de l'air et la variation des vents avec l'altitude. Comme ces orages sont plus organisés et ont généralement plus d'énergie potentielle de convection disponible (EPCD), ils engendreront souvent des phénomènes violents comme de la grêle ou des vents causant des dommages.
Orage d'altitude
Dans un système météorologique à grande échelle (dite synoptique), il peut arriver que de l'air froid se retrouve au sol, coupant la convection, mais qu'en altitude l'air reste instable. Cela se produit surtout dans l'occlusion d'une dépression à son stade mature ou à l'avant d'un front chaud en instabilité symétrique conditionnelle, mais peut aussi résulter du refroidissement du sommet des nuages durant la nuit. La convection peut aller jusqu'à former des orages dans ces conditions.
Classement Les orages sont classés en plusieurs catégories selon l'énergie potentielle de convection disponible (EPCD) et le cisaillement du vent avec l'altitude : orages unicellulaires ou monocellulaires ; orages multicellulaires ; orages supercellulaires ; système convectif de méso-échelle dont : ligne de grains ; derecho ; complexe convectif de méso-échelle ; orage en série ou en V.
Orage ordinaire et pulsatif
vignette|Cycle de vie d'un orage unicellulaire. vignette|Unicellulaire au Japon. L'orage unicellulaire, ou monocellulaire, est le type le plus fréquent, c'est pourquoi il est nommé orage « ordinaire ». Il peut être associé à une forte averse et des rafales de vent. Les pluies ne sont presque jamais torrentielles et les chutes de gros grêlons sont rarissimes. Quand cela se produit, il est question d’orage « pulsatif », car il surgit et se dissipe comme une impulsion soudaine. Dans les régions arides du globe, l'évaporation peut être telle que la pluie n'atteint pas le sol et forme de la virga sous le cumulonimbus.
Le météorologue américain Horace R. Byers est le premier à décrire la dynamique du cycle de vie de ces orages en 1948 à la suite d'un programme d'études in situ du phénomène : la formation dominée par le courant ascendant dans le nuage, l'état mature où un courant descendant se forme près du premier, à la suite de la chute des précipitations, et la dissipation dominée par un courant descendant allant en faiblissant.
L'orage unicellulaire est caractérisé par une faible énergie (EPCD de ) avec peu ou pas de changement des vents avec l'altitude.. Donc le cycle de vie d’environ de ces orages est caractérisé par un courant ascendant plus ou moins fort et vertical. Au départ, nous sommes en présence de cumulus mediocris qui fusionnent entre eux pour former un cumulus bourgeonnant (ou cumulus congestus) avec début de précipitations en son sein. Lorsque des cristaux de glace se forment au sommet du nuage, ce congestus devient par définition un cumulonimbus calvus. Apparaissent alors les premiers phénomènes électriques qui caractérisent les orages.
Au stade mature, une enclume se forme au sommet du nuage qui prend alors le nom de cumulonimbus capillatus incus. Cette enclume est provoquée par l'étalement du nuage à la suite de l'inversion de température à la tropopause et de la présence de forts vents à cette altitude. Cependant, le cœur des précipitations dans le nuage, qui se trouve à une grande altitude, commence à être trop pesant pour que le courant ascendant puisse le soutenir. La pluie mêlée de petits grêlons commence alors à redescendre vers le sol, ce qui provoquera bientôt la dissipation.
En effet, ces précipitations descendent dans le courant ascendant et s'évaporent partiellement en refroidissant l'air qui l'entoure. Ce dernier devient alors plus froid que l'environnement, et, par gravité, accélère vers le sol. Graduellement le courant descendant s'intensifie et supplante le courant ascendant. Après la pluie, l'orage unicellulaire se dissipe rapidement, créant une zone plus fraîche autour de lui. Le front de rafales engendré par l'orage peut servir de déclencheur pour d'autres orages en aval.
Orages multicellulaires
vignette|Cycle de vie d'un orage multicellulaire. vignette|Multicellulaire en Bavière. Lorsque la force et la direction des vents augmentent avec l’altitude de façon linéaire, le courant ascendant de convection n’est plus à la même position que le courant descendant avec les précipitations. Ceci produit un front de rafales qui s’éloigne en arc du cœur de précipitations et repousse la zone d’ascension. Un surplomb de précipitations se forme donc généralement dans le quadrant sud-ouest de la cellule mère dans l’hémisphère nord alors que les vents dominants de surface viennent de cette direction. Comme le front de rafales se dissocie avec le temps de la cellule initiale en formant des cellules filles, le multi-cellulaire forme donc une ligne d'orages à différents stades de développement.
Chaque cellule dure de mais la ligne orageuse peut durer des heures. La structure radar de ce type d’orage est caractérisée par des surplombs sur la partie sud-ouest d’une ligne de fort écho et ces surplombs semblent se déplacer dans cette direction alors que la ligne se déplace à 30° et 70 % de la vitesse des vents dans la couche où se produisent les orages.
En général, l'EPCD est moyen dans ce type d'orage, soit entre . Selon l'énergie et l'humidité disponibles, ce type d'orage peut donner des rafales de vent violentes, des pluies diluviennes, de la grêle et, rarement, de brèves tornades. La sévérité de ces effets dépend également de la vitesse de déplacement de la ligne. Par exemple, une ligne se déplaçant lentement pourra donner beaucoup plus de pluie en un endroit alors qu'une passant rapidement accentuera les rafales descendantes.
Orages supercellulaires vignette|lang=fr|upright=2|Morphologie d'une supercellule vue du sud-ouest vers le nord-est dans l'hémisphère nord.