Les orages se caractérisent par des nuages qui se développent verticalement. Ils se forment surtout en été, lorsque l’air s’élève sous l'effet d'un fort rayonnement solaire et que la vapeur d’eau qu’il contient se condense. Les gouttelettes ou les petits cristaux de glace qui forment les nuages et qui s'élèvent se frottent les unes aux autres et se chargent. Lorsque la tension qui en résulte est libérée, elle se manifeste par des éclairs et du tonnerre.
Les orages sont caractérisés par des éclairs et des coups de tonnerre. Ils se développent principalement en été, lorsque le rayonnement solaire intense entraîne la formation de nuages imposants. Ces nuages particuliers à l'origine du phénomène orageux sont appelés cumulonimbus.
Trois conditions doivent être réunies pour qu'un orage se forme :
Mais quand et pourquoi se développent les cumulonimbus, ces nuages particuliers à l'origine des orages ? La cause est à rechercher dans la stratification verticale de la masse d'air : dans l'atmosphère, l'instabilité est plus grande lorsque l'air très chaud et humide des couches basses est surmonté d'air plus froid. Cela permet à l'air plus chaud et plus léger de monter grâce à la poussée d'Archimède. En montant, l'air se refroidit et se condense, créant les premières gouttelettes d'eau qui, en grossissant, peuvent tomber au sol et provoquer la pluie. Pendant l'été, le fort rayonnement solaire crée des « bulles d'air chaud » qui se détachent du sol, montent en altitude et se condensent pour former un nuage qui, si son développement vertical est suffisamment important, peut provoquer un orage. Une autre situation qui provoque la formation de cumulonimbus est l'afflux d'air plus froid, comme cela se produit par exemple lors du passage d'un front froid, l'air chaud, étant remplacé par l'air plus froid, est contraint de monter.
Pendant les jours d'orage, d'importantes quantités d'humidité s'accumulent souvent dans les couches d'air proches du sol sous forme de vapeur d'eau (invisible). Habituellement, dans la partie supérieure de la troposphère (au-delà de 4 km d'altitude), les conditions de température et d'humidité sont telles qu'elles empêchent la croissance des cumulus qui se forment pour des raisons thermiques pendant la journée. Il existe parfois une inversion thermique qui limite le développement vertical des cumulus. Pour qu'un cumulonimbus se forme, il ne suffit donc pas que l'atmosphère soit « chargée » au bon moment, il faut aussi qu'il y ait un déclencheur approprié. En Suisse, ce sont principalement les vents thermiques qui remontent les pentes et les vallées alpines pendant la journée qui servent de déclencheur.
Le premier stade de développement d'un orage est représenté par un cumulus humilis, ou même seulement par un cumulus fractus (fragment de cumulus), où la base du nuage est généralement plus large que son extension verticale. Le deuxième stade est le cumulus mediocris, dans lequel l'extension verticale du nuage est similaire et déjà légèrement supérieure à l'extension horizontale de sa base, ce qui donne au nuage une nette impression de verticalité. Le troisième stade de développement est le cumulus congestus, dans lequel les premières précipitations commencent à se former, avec de faibles averses visibles sous le nuage. On parle d’orage lorsque le premier éclair apparaît. Pour se développer, il nécessite, en plus de la condensation, le phénomène de givrage, lorsque les gouttes d'eau atteignent des zones où la température est inférieure à zéro. À ce stade, le nuage a atteint le stade de cumulonimbus qui peut se présenter sous différentes formes. L'une des principales est le cumulonimbus calvus, qui présente un sommet arrondi semblable à un chou-fleur, typique de la saison estivale. Ou encore le cumulonimbus en enclume, plus connu, caractérisé par une sorte de « chapeau » formé lorsque les courants ascendants poussent les cristaux de glace jusqu'à la tropopause, une zone de discontinuité atmosphérique. Ici, le courant ascendant se développe horizontalement, formant l'enclume caractéristique, qui peut s'étendre latéralement sur des dizaines de kilomètres.
Pour simplifier, le cycle de vie d'une cellule orageuse peut être divisé en trois phases : développement, maturation et dissolution.
En Suisse, ce sont principalement les montagnes qui servent de mécanisme de soulèvement ou de déclencheur (trigger) pour le développement des orages. Les vents de vallée et ceux qui remontent les pentes poussent l'air chaud vers le haut en direction des sommets des montagnes. Cela entraîne la création de convergences, en particulier vers les reliefs, les crêtes et les sommets. Au fil des heures, l'air qui monte constamment érode l'inversion et, dans le courant de l'après-midi, les nuages d'orage continuent de monter. De fortes tensions électriques se créent à l'intérieur de ces nuages.
Une fois que les précipitations se sont formées, un mécanisme d'amorçage différent intervient dans une deuxième phase : de l'air froid s'écoule sous les nuages d'orage et se répartit autour de la base du nuage d'orage. Parfois, cet air froid est capable de « s'infiltrer » sous l'air chaud présent dans les zones environnantes en le soulevant activement. Grâce à cette poussée supplémentaire, les cumulus, initialement bas, parviennent à dépasser l'inversion existante et à se développer jusqu'à former une nouvelle cellule orageuse.
Les orages se divisent en trois grandes catégories, chacune d'entre elles comprenant plusieurs sous-groupes distincts. Le type d'orage le plus simple est celui décrit ci-dessus pour illustrer les phases de développement, à savoir l'orage à unicellulaire : un cumulonimbus avec sa propre dynamique interne, caractérisé par des courants ascendants qui transportent de l'air chaud et humide vers le haut Ce processus peut donner naissance à un orage structuré, avec de la pluie, du grésil ou de la grêle. Ces orages, également appelés orages de chaleur, se développent généralement en fin d'après-midi, surtout au-dessus des reliefs, et se présentent sous la forme de cellules isolées et arrondies. Ils ne durent pas longtemps (30 à 60 minutes), mais peuvent provoquer de fortes précipitations localement.
La deuxième catégorie d’orages est représentée par les multicellulaires, un ensemble de cellules individuelles qui forment une structure plus complexe sur l’image radar météorologique, ils apparaissent comme un « champ » de précipitations avec plusieurs pics d'intensité à l'intérieur. Ces orages, constitués de plusieurs cellules qui interagissent entre elles, sont moins structurés et plus durables que les orages à unicellulaire, car les cellules se régénèrent mutuellement, augmentant l'intensité de l'orage. Ils peuvent durer plusieurs heures et se présentent sous différentes formes, notamment des agglomérations de différentes formes et tailles, ou des lignes de grain (squall line en anglais). En Suisse, ces dernières peuvent rapidement traverser des régions telles que le Plateau ou le Tessin et s'accompagnent souvent de pluies intenses, de grêle et de fortes rafales de vent.
La troisième catégorie d’orages comprend les supercellules, qui sont les plus intenses et les plus violentes. Ces tempêtes ont une structure bien définie, similaire à celle d'une cellule unique, mais avec un courant ascendant qui a tendance à tourner horizontalement, créant un système presque autorégénérant. La rotation intensifie les courants ascendants, ce qui rend les supercellules très durables et violentes. Elles peuvent parcourir des centaines ou des milliers de kilomètres et persister pendant plusieurs heures. Les supercellules sont les orages les plus destructeurs, souvent accompagnés de gros grêlons, d'une fréquence élevée de foudre et de rafales de vent très fortes. Les tornades sont l'un des phénomènes les plus spectaculaires et destructeurs associés aux orages, principalement en présence de supercellules. En Suisse, les tornades sont très rares ; elles ont déjà été observées, par exemple sur le lac Léman, bien qu'à une échelle plus petite qu'aux États-Unis ou dans d'autres régions d'Europe.
Enfin, les orages peuvent parfois être accompagnés de neige ; ils se produisent lorsque l'orage est principalement causé par un afflux important d'air froid en altitude, permettant à la neige de tomber même à des altitudes relativement basses. Les orages de neige sont rares en plaine, plus fréquentes en haute altitude au printemps et au début de l'été. Elles se produisent surtout à la fin de l'hiver et au printemps. Elles sont plus fréquentes à basse altitude au Nord des Alpes qu’au Sud des Alpes, où ces phénomènes sont extrêmement rares.
Les éléments et processus décrits peuvent être très intenses et varier considérablement dans l'espace et dans le temps lors des jours d'orage, et ils interagissent les uns avec les autres. La pondération correcte de tous ces facteurs afin d'élaborer une prévision précise du développement des orages constitue un défi majeur. Souvent, l'évolution des orages à l'échelle régionale et à court terme ne peut être mentionnée que de manière indicative, avec une anticipation pouvant varier de quelques heures à quelques jours.