Supercellules et grêlons géants dans le centre-ouest de la France le 22 mai 2022


Des orages violents de nature supercellulaire ont éclaté dimanche 22 mai 2022 en soirée, à la fin d'une période de chaleur remarquable. Les orages, producteurs de gros grêlons entre les Charentes et l'Indre, ont causé d'importants dégâts, notamment à Châteauroux. La présente étude de cas passe d'abord en revue les facteurs météorologiques ayant conduit à cet évènement. La situation orageuse est ensuite analysée, notamment à partir d'images de télédétection. Enfin, l'article conclut sur le caractère grêligène de ces orages d'une intensité relativement exceptionnelle en France.


Figure 1 - Orage supercellulaire parvenant au stade de dissipation le 22/05/22 au crépuscule dans les Deux-Sèvres. Crédit photographique : Damien Belliard.


Situation météorologique

Le 22 mai en après-midi, une dorsale s'étire depuis la Méditerranée occidentale jusqu'au sud de la Norvège (figure 2). L'analyse du champ de géopotentiel à 500 hPa et de son évolution révèle la circulation d'un thalweg entre le nord-ouest de la péninsule Ibérique et le golfe de Gascogne. La région située à l'est de l'axe du thalweg, sur le flanc ouest de la dorsale, est le siège d'ascendances synoptiques. On retrouve en surface une dépression décalée vers l'aval par rapport à l'anomalie cyclonique d'altitude, associée à un champ de vent convergent.


Figure 2 - Situation synoptique du 22/05/22 à 12 h UTC


La France est concernée par une forte anomalie thermique positive, une masse d'air très chaud affecte en particulier la moitié sud du pays, où la température à 850 hPa excède 18-20 °C. L'humidité près de la surface, combinée aux gradients thermiques verticaux élevés à l'étage moyen résultant de l'advection d'une couche de mélange en altitude (EML pour elevated mixed layer), rendent l'énergie potentielle disponible pour la convection importante dans l'air chaud, au sud d'un front ondulant. La MLCAPE, qui correspond à l'énergie potentielle convective utilisable d'une parcelle d'air soulevée depuis la surface mais avec les caractéristiques thermodynamiques des 50 ou 100 premiers millibars, atteint ainsi jusqu'à plus de 2000 J/kg en après-midi suite au réchauffement diurne, ce qui représente une très forte instabilité (figure 3). L'indice de soulèvement (LI pour lifted index) inférieur à -6 K indique également une masse d'air très instable. 


Figure 3 - MLCAPE et LI le 22/05/22 à 12 h UTC


Le profil vertical observé à Bordeaux (figure 4, cliquer pour agrandir) confirme un potentiel d'orages violents. Le gradient thermique vertical est fort en moyenne troposphère, proche de 8,5 K/km. La température du point de rosée supérieure à 20 °C en surface indique une humidité élevée, le réchauffement diurne et l'advection chaude contribuent à rendre l'atmosphère plus instable. Il en résulte une CAPE extrêmement forte de 5500 J/kg. La CAPE est sensible à l'humidité de surface. Les relevés de la station Météo-France à Bordeaux indiquent une température de rosée plus proche de 20 °C que de 22,4 °C. En corrigeant la température de rosée par la valeur mesurée à la station de référence, la CAPE reste cependant très haute, voisine de 4000 J/kg. La MLCAPE, plus représentative de l'énergie pouvant être utilisée en après-midi et début de soirée, dépasse 3000 J/kg, et l'indice de soulèvement est de -10 K. L'inhibition convective permet à l'énergie potentielle de s'accumuler dans la couche limite atmopshérique. La MLCIN de 110 J/kg est encore trop forte en début d'après-midi pour être vaincue par un forçage mais elle diminue avec l'instabilisation du profil vertical dans les niveaux inférieurs.


Figure 4 - Sondage de Bordeaux à 12 h UTC le 22/05/22 (données Météo-France)


Le vent à différents niveaux est indiqué par les barbules à droite du skew-T. Le cisaillement vertical de vent, c'est-à-dire la variation du vent avec l'altitude en intensité et en direction, visualisé sur l'hodographe, détermine en particulier l'organisation des structures convectives. Les orages les plus virulents et durables se développent dans des contextes instables et bien cisaillés en profondeur. Sur ce sondage, le cisaillement vertical de vent de l'environnement est en module de 21 m/s (75 km/h) entre la surface et 6 km. Des valeurs proches de 25 m/s étaient prévues par les modèles en fin de journée, correspondant à un cisaillement vertical suffisamment fort pour produire des supercellules. L'hodographe de Bordeaux indique en plus que le cisaillement est tournant dans le sens des aiguilles d'une montre entre le sol et 3 km. Le vent est de SE à S en basse couche, il est de SO en altitude. L'hélicité relative à l'orage (SREH pour storm relative environmental helicity), qui combine le vent relatif à un orage et la vorticité horizontale liée au cisaillement vertical de vent, mesure la capacité d'une cellule convective à générer du tourbillon vertical par interaction entre les ascendances et le cisaillement. Sur la figure 4, la SREH 0-3 km est représentée par la surface hachurée en rouge, les vecteurs en bleu désignant le vent relatif à un orage dont le mouvement est donné par le vecteur storm motion en blanc. La SREH  > 150 m²/s² sur la tranche 0-3 km indique un environnement favorable à la formation de courants ascendants rotatifs. L'indice SCP (supercell composite parameter), calculé à partir de l'instabilité verticale, du cisaillement vertical de vent profond et de l'hélicité relative à une cellule convective dans les niveaux inférieurs, suggère finalement une probabilité élevée d'orage supercellulaire pouvant s'accompagner de phénomènes violents tels que grosse grêle et microrafales, à condition toutefois qu'un forçage dynamique à méso-échelle initie la convection profonde. L'instabilité convective très importante, le cisaillement vertical de vent > 20 m/s entre la surface et la moyenne troposphère, le faible vent relatif à un orage dans les niveaux supérieurs et l'eau précipitable relativement élevée - PW de 37 mm - constituent des éléments en faveur de la formation de supercellules de type high precipitation (HP).


Initiation de la convection profonde en Poitou-Charentes et split

Le modèle AROME de Météo-France, dans sa prévision issue du réseau 12 h UTC, simule le déclenchement de la convection profonde à 17 h en Charente-Maritime, entre Saintes et Rochefort, dans une zone de convergence du vent en basse couche. En réalité, les premiers échos à l'image radar apparaissent environ une heure plus tard, à une distance de quelques kilomètres à l'est de Rochefort. A 18 h 15, la cellule convective est encore de petite taille mais sa signature est déjà identifiable sur l'image satellite infrarouge (IR) ou dans le canal vapeur d'eau (WV). La figure 5 est une représentation du champ de vent mesuré par un certain nombre de stations de surface à 18 h, soit à peu près au moment de l'initiation. A cet instant, le vent d'ouest rentre dans les terres en Charente-Maritime et la convergence locale augmente, à l'origine de mouvements ascendants amplifiés par l'instabilité au-dessus du niveau de convection libre.


Figure 5 - Vent à 10 m le 22/05/22 à 16 h UTC


Les ascendances à l'intérieur d'un nuage convectif en situation de forte instabilité peuvent atteindre des vitesses considérables, soit quelques dizaines de m/s. En théorie, la vitesse verticale maximale Wmax des parcelles d'air est reliée à l'énergie potentielle utilisable par la relation suivante :

Wmax = (2 CAPE)1/2

Cette équation suggère que la CAPE est entièrement convertie en énergie cinétique. Pour une CAPE de 2000 J/kg par exemple, le calcul donne Wmax = 63 m/s (227 km/h). Pour une CAPE de 4000 J/kg, on obtient une valeur de 89 m/s (320 km/h) ! Les vitesses verticales réellement atteintes sont certes souvent inférieures à Wmax de 30 à 50 % en raison du frein de pression, du mélange et du poids des précipitations, du moins en dehors d'un puissant mésocyclone. Typiquement, les ascendances atteignent donc plutôt 25 à 50 m/s

Compte tenu du niveau d'instabilité et des cisaillements ce jour là, des développements explosifs de cellules orageuses étaient envisageables. Sur la figure suivante à gauche apparaît la signature à 18 h 30 de la cellule convective initiée un peu plus tôt. L'orage est alors situé entre Rochefort et Niort, des grêlons de 2-3 cm sont déjà reportés à Surgères. Quelques instants plus tard, une division cellulaire se produit, un split. La séparation des deux cellules filles est visible sur l'image de droite à 19 h 05.


Figure 6 - Images radar de précipitations le 22/05/22 à 16 h 30 UTC (à gauche) et à 17 h 05 UTC (à droite) montrant la division d'une cellule (source Météociel, données Météo-France)


Quels sont les processus physiques à l'origine d'un split ? Pour répondre à cette question, on peut se placer d'abord dans le cas relativement simple d'un cisaillement vertical de vent unidirectionnel, associé de fait à de la vorticité horizontale (se reporter à la figure 7), le vecteur vorticité étant perpendiculaire au vent relatif à l'orage. De l'interaction des courants ascendants vigoureux avec le fort cisaillement de l'environnement, il résulte la création de deux tourbillons verticaux : un tourbillon méso-cyclonique et un tourbillon méso-anticyclonique. L'intense rotation conduit à la formation d'une anomalie de basse pression en moyenne troposphère associée à chaque tourbillon, ayant pour effet de renforcer les ascendances de part et d'autre de l'ascendance initiale, laquelle est progressivement détruite et remplacée par une subsidence : la cellule mère se divise en deux cellules filles.


Figure 7 - Création de tourbillon vertical et split dans le cas d'un cisaillement unidirectionnel.
Source : Markowski P. & Richardson Y. 


Lorsque le cisaillement vertical de vent est tournant, le mécanisme est cependant un peu différent. Lors de l'interaction entre le cisaillement vertical de vent et les ascendances, il se forme un dipôle de perturbation de pression dynamique dont la rotation avec l'altitude contribue à intensifier une cellule fille au détriment de l'autre. Si le cisaillement est tournant dans le sens des aiguilles d'une montre, la cellule de droite associée à un mésocyclone est privilégiée et peut se développer pour former une intense supercellule déviant à droite du vent moyen. Si le cisaillement est tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, la cellule de gauche associée à un mésoanticyclone est au contraire favorisée. Ce dernier cas est beaucoup moins fréquent, probablement parce qu'une rotation anti-horaire du vent avec l'altitude implique souvent une advection froide associée à de la subsidence de grande échelle, des conditions alors moins propices aux orages.


Orages supercellulaires dans le centre-ouest

Entre 19 h 05 et 19 h 25, le moteur droit issu du split au sud-ouest de Niort s'intensifie tout en se déplaçant vers le nord-est. La figure 8 montre le cumulonimbus et son enclume dans cet intervalle de temps. Une petite cellule convective en phase de développement, à peine visible sur la photo ci-dessous à gauche du nuage d'orage principal mais bien mise en évidence sur une image radar, vient interagir avec la partie avant droite de l'orage prenant un caractère supercellulaire. Cette interaction sera suivie d'un second split.


Figure 8 - Supercellule vue à 19 h 18 selon son auteur depuis la plaine entre Poitiers et Parthenay. Des chutes de très grosse grêle sont observées au sud de Niort, en particulier dans le secteur de Frontenay-Rohan-Rohan. Crédit photographique : Damien Belliard.


La figure 9 montre la signature radar de la supercellule à 19 h 40. La position probable du mésocyclone est indiquée par un cercle noir, la rotation étant précisée par les flèches. Une image de vitesses radiales serait plus appropriée pour détecter le mésocyclone. La zone de fortes réflectivités en rouge et mauve au nord immédiat du mésocyclone correspond à une région de pluie intense et de grêle. Notez l'entaille en V caractéristique d'une supercellule, liée à la divergence de l'écoulement marquée en haute troposphère. L'orage supercellulaire se déplace vers le nord-est, la cellule de gauche se dirige vers le nord sans se développer, conformément au modèle conceptuel en présence d'un cisaillement vertical de vent rotationnel. Les mouvements de l'air chaud et de l'air froid sont représentés par des flèches. Un premier pseudo-front au sud-ouest du mésocyclone marque la limite entre l'afflux d'air chaud et le courant descendant de flanc arrière (RFD pour rear flank downdraft), le second pseudo-front sépare l'air chaud et l'air froid descendant avant (FFD pour front flank downdraft). Des vents violents peuvent se produire au niveau des fronts de rafales, lesquels peuvent par ailleurs déclencher la formation de nouvelles cellules convectives.


Figure 9 - Image radar de précipitations le 22/05/22 à 17 h 40 UTC montrant la supercellule située à l'est de Niort (source Météociel, données Météo-France). Annotations : Météo Pratique.


En raison de la vitesse élevée des courants ascendants, l'orage supercellulaire présentait un sommet protubérant (overshooting top) identifiable sur l'image visible à haute résolution avant le coucher de soleil (figure 10). On observe également la signature d'ondes de gravité induites par la convection profonde (ondulations concentriques sur l'enclume), et des bandes de cirrus radiaux qui sont un indice de turbulence. D'autres orages se développent de part et d'autre, en Vendée et dans le sud-ouest au sud d'Angoulême.


Figure 10 - Image satellite HRV RGB le 22/05/22 à 18 h 30 UTC (source Eumetsat)


La cellule convective en Vendée près de la Roche-sur-Yon est repérée par la lettre C sur la figure 11 (images radar en haut). Une demi-heure après son début de formation, la signature d'un mésocyclone est déjà visible (écho en crochet ou hook echo). Par la suite (images radar en bas de la figure), cette cellule initiale, tout en se déplaçant vers le nord-est, se divise en deux cellules G et D respectivement à gauche et à droite du vent moyen. Alors que les cellules s'éloignent l'une de l'autre, l'écho en crochet sur D reste bien visible, traduisant un mésocyclone persistant. On remarque que la cellule de gauche poursuit son développement après le split. Elle se dissipera un peu plus tard en remontant vers le nord. La supercellule moteur droit traversera le nord du département des Deux-Sèvres avant de se désagréger (il s'agit de l'orage sur la photographie montrée au tout début de cet article).


Figure 11 - Images radar de précipitations en Vendée et aux abords le 22/05/22 à 17 h 50 UTC (a), 18 h 20 UTC (b), 18 h 50 UTC (c) et 19 h 20 UTC (d) (source Météociel, données Météo-France)


Les supercellules ont la particularité de présenter fréquemment un nuage-mur à la base du mésocyclone, à proximité de l'afflux d'air chaud convergent. Sur une photo prise à 20 h 34 de la supercellule HP se dirigeant vers Poitiers (figure 12), on visualise le nuage-mur dont une pointe s'étire franchement en direction des précipitations (pluie, grêle) associées au FFD. Dans cette zone, l'air humidifié et refroidi par les précipitations se mélange avec l'air chaud venant alimenter l'orage, est aspiré et condense à une altitude plus basse.


Figure 12 - Supercellule HP avec son nuage-mur (à gauche) et rideau de précipitations (à droite), près de Poitiers à 20 h 34. Crédit photographique : Maximilien Naudin. Annotations : Météo Pratique.


Un orage supercellulaire particulièrement destructeur à cause de la grêle a finalement touché en soirée la Vienne puis l'Indre. La figure 13 montre une série d'images radar. La supercellule initialement située à l'ouest de Poitiers est notée C1. Entre 20 h30 et 21 h, une petite cellule convective notée C2 se développe au sud de Poitiers tout en se dirigeant rapidement vers le nord. La cellule C3 correspond au moteur gauche issu d'un split, tandis que la formation de la cellule C4 est à priori liée au soulèvement de l'air par le pseudo-front froid associé au RFD de C1. Vers 21 h, C2 fusionne avec C1 via l'interaction de courants de densité. L'alimentation en air chaud et humide de C1 est coupée au profit de C2. Il en résulte à 21 h 30 une unique supercellule S se propageant vers l'est, entre Poitiers et Châteauroux. L'écho en crochet est évident sur la dernière image à 22 h.


Figure 13 - Images radar de précipitations dans la Vienne le 22/05/22 à 18 h 30 UTC (a), 19 h UTC (b), 19 h 30 UTC (c) et 20 h UTC (d) (source Météociel, données Météo-France)


Cet orage virulent s'est accompagné de précipitations intenses mais aussi de rafales de vent. Une pointe à 107 km/h a été enregistrée entre 22 h et 22 h 30 à Rosnay dans l'Indre. L'orage s'est abattu sur Châteauroux vers 23 h 05, provoquant des dégâts dûs à la grêle. En progressant vers l'est, il a perdu son caractère supercellulaire et un système convectif de méso-échelle s'est constitué. Le MCS s'est toutefois rapidement désorganisé au sein d'un environnement moins instable et caractérisé par une plus forte inhibition convective.


Des grêlons plus gros qu'une balle de tennis !

Les supercellules sont associées à une forte activité électrique, des pluies intenses, des chutes de grêle, des rafales de vent et parfois des tornades. Les orages du 22 mai 2022 étaient grêligènes, il y a eu plusieurs reports de grêle > 5 cm. La grêle se forme au sein d'un cumulonimbus. Par des températures négatives mais supérieures à -40 °C dans le nuage, des gouttelettes d'eau surfondue coexistent avec des cristaux de glace. Lorsque des gouttelettes d'eau transportées par le courant ascendant entrent en collision avec des particules de glace, elles gèlent au contact. La croissance des grêlons peut se poursuivre tant que leur vitesse de chute, liée à leur taille et leur poids, est compensée par la vitesse du courant ascendant. C'est la raison pour laquelle la probabilité de grosse grêle augmente avec la CAPE. Aucune tornade n'a été observée. Les supercellules tornadiques tendent à être favorisées dans des environnements humides, très cisaillés en basse couche et riches en SREH. Or le cisaillement vertical de vent dans le premier kilomètre au-dessus du sol et la SREH 0-1 km n'étaient pas particulièrement élevés (respectivement 6 m/s et 88 m²/s² au sondage de Bordeaux).

L'environnement était propice à des chutes de grosse grêle :

  1. Forte instabilité (MLCAPE ~ 3 kJ/kg, LI < -6 K), densité de CAPE importante entre -30 °C et -10 °C dans la zone de croissance, tropopause haute ;
  2. Cisaillement vertical de vent > 20 m/s entre la surface et 6 km d'altitude, permettant la formation de supercellules ;
  3. Humidité et vent relatif à l'orage suffisamment élevés au voisinage de la surface, d'où un afflux d'air chaud et humide assez fort et la possibilité de larges courants ascendants.  


Figure 14 - Très gros grêlons recueillis à Frontenay-Rohan-Rohan. 
Crédit photographique : ML KrissGemeaux.


La photographie ci-dessus montre d'énormes grêlons dont la taille atteint voire excède le diamètre d'une balle de tennis. Les plus gros grêlons recueillis mesuraient 8 à 12 cm ! Les habitations, les véhicules et la végétation ont subi par endroits d'importants dommages. La carte suivante indique les nombreuses observations de grosse grêle entre Niort et Châteauroux, sur une distance environ égale à 220 km. Après le premier report à Surgères, à 18 h 30, les observations se sont multipliées autour de Niort. La Vienne a été affectée un peu plus tard en soirée, l'orage supercellulaire a traversé Poitiers. La grêle s'est abattue en début de nuit sur Châteauroux. Le dernier report de grosse grêle est à 23 h 30. Les Pays de la Loire et Angoulême ont également été touchés par la grêle.


Figure 15 - Reports de grêle > 2 cm le 22/05/22 (source ESWD)


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