Tempêtes extrêmes

Pour calculer le Risque Tempêtes extrêmes, nous utilisons les variables suivantes issues du [Copernicus Climate Data Store (CDS)] :

• daily air temperature : température moyenne journalière (°C) de l'air, à diverses altitudes.
• daily relative humidity : humidité relative moyenne journalière de l'air, à diverses altitudes.
• daily eastward wind : moyenne journalière de la composante vers l'est de la vitesse du vent ($\text{m/s}$), à diverses altitudes.
• daily northward wind : moyenne journalière de la composante vers le nord de la vitesse du vent ($\text{m/s}$), à diverses altitudes.

Le Risque Tempêtes Extrêmes évalue le potentiel de développement de phénomènes convectifs sévères, tels que des orages violents, de fortes averses de grêle et des tornades. Le risque ne se base pas sur une seule variable, mais sur l'identification des jours où se produisent simultanément trois 'ingrédients' atmosphériques fondamentaux pour la formation de ces tempêtes.

Les trois indicateurs clés calculés sont :

• Wind Shear (Cisaillement du Vent en Altitude) : La différence de vitesse et de direction du vent entre la basse et la haute atmosphère. Un Wind Shear élevé est crucial car il permet aux orages de s'organiser, de tourner (formant des supercellules) et de durer plus longtemps.
• CAPE (Énergie Potentielle Convective Disponible) : Mesure l'instabilité de l'atmosphère, représentant le 'carburant' à la disposition d'une tempête. Des valeurs élevées de CAPE indiquent qu'une masse d'air ascendante accélérera violemment vers le haut, générant de forts courants et des orages puissants.
• CIN (Inhibition Convective) : Représente une couche d'air stable près du sol qui agit comme un 'couvercle', entravant la formation d'orages. Pour qu'une tempête se développe, cette couche doit être faible ou absente (valeurs de CIN basses ou très négatives).

Le Wind Shear est calculé à partir des données de $\text{eastward wind}$ ($u$) et $\text{daily northward wind}$ ($v$), évaluées aux altitudes de 1000hPa (environ 100m, “bas”) et 500hPa (environ 5,5km, “haut”), en utilisant la formule suivante :

$\text{Cisaillement du Vent} = \sqrt{\Delta u^2 + \Delta v^2}$ où $\Delta u = u_{\text{haut}} - u_{\text{bas}}$ et $\Delta v = v_{\text{haut}} - v_{\text{bas}}$.

Les indicateurs CAPE et CIN sont calculés en utilisant la librairie metpy, à partir des données de $\text{air temperature}$ et $\text{relative humidity}$ aux diverses altitudes.

Un 'Jour à Potentiel Sévère' est identifié lorsque les trois indicateurs dépassent simultanément leurs seuils critiques respectifs : $\text{Cisaillement du Vent} > 18 \text{ m/s}$, $\text{CAPE} > 1000 \text{ J/kg}$ et $\text{CIN} < -50 \text{ J/kg}$. Le niveau de risque annuel est déterminé par le nombre total de ces jours ($\text{N}_{\text{sévère}}$) au cours de l'année.

La méthodologie décrite pour l'évaluation du 'Risque Tempête Extrême' est une application directe et scientifiquement rigoureuse de l'approche basée sur les 'ingrédients' (ingredients-based approach), qui est le fondement de la prévision moderne des orages violents.

Cette méthode est considérée comme la norme de référence car elle ne se limite pas à un seul paramètre, mais évalue la coexistence des conditions atmosphériques nécessaires à la genèse de phénomènes convectifs organisés et sévères.

L'idée de décomposer la prévision des orages violents en ingrédients clés (instabilité, humidité, soulèvement et cisaillement du vent) a été formalisée et rendue populaire par des études qui ont transformé la météorologie opérationnelle.

• Flash Flood Forecasting: An Ingredients-Based Methodology (Prévision des Crues Éclair : Une méthodologie basée sur les ingrédients) Ceci est l'un des articles qui a consolidé l'approche basée sur les ingrédients pour tous les types de prévisions d'événements convectifs. Il explique que pour avoir un événement sévère, un seul ingrédient (ex. haute instabilité) ne suffit pas, mais que leur superposition est nécessaire dans l'espace et le temps. Notre méthodologie, qui exige la présence simultanée de CAPE, de CIN faible et de Cisaillement, est l'application de ce principe fondamental.

Les trois indicateurs utilisés et les seuils correspondants sont des paramètres standard largement documentés dans la littérature scientifique et utilisés quotidiennement par les centres de prévision météorologique, tels que le Storm Prediction Center (SPC) américain, qui est une autorité mondiale en la matière.

• A Baseline Climatology of Sounding-Derived Supercell andTornado Forecast Parameters (Une climatologie de référence des paramètres de prévision de supercellules et de tornades dérivés de sondages) Cette étude fondamentale a analysé des milliers de profils atmosphériques pour identifier les valeurs de CAPE et de Cisaillement du Vent les plus couramment associées aux orages supercellulaires (la typologie la plus dangereuse). Elle a démontré que des valeurs de Deep Layer Shear (Cisaillement de la Couche Profonde, 0-6 km) de 18-20 m/s (35-40 nœuds) et des CAPE supérieurs à 1000 $\text{J/kg}$ sont typiques des environnements qui produisent des supercellules et des tornades. Nos seuils sont donc étayés par cette étude.
• Storm Prediction Center (SPC) (Centre de Prévision des Orages) Le SPC fournit des lignes directrices opérationnelles à ses météorologues qui spécifient les 'règles empiriques' pour la prévision des orages violents. Ces guides confirment que :
• CAPE > 1000 $\text{J/kg}$ indique une instabilité modérée, suffisante pour des orages robustes.
• Wind Shear (0-6 km) > 18 $\text{m/s}$ ($sim$35 nœuds) est un seuil clé pour l'organisation des orages en systèmes plus complexes et durables (supercellules).
• CIN < -50 $\text{J/kg}$ (ou des valeurs proches de zéro) indique que le 'couvercle' est faible et facilement surmontable par les courants ascendants, permettant le déclenchement de la convection.

L'approche consistant à compter le nombre de jours par an où les conditions favorables aux orages violents se produisent simultanément est la méthode standard utilisée dans la recherche climatologique pour étudier comment le risque de tempêtes extrêmes pourrait évoluer à l'avenir.

• The spatial distribution of severe thunderstorm and tornado environments from global reanalysis data (La distribution spatiale des environnements d'orages violents et de tornades à partir de données de réanalyse globale) Ceci est un article pionnier et parmi les plus cités dans le domaine, dans lequel les auteurs suivent exactement la méthodologie que nous décrivons : ils ont utilisé des données de réanalyse globale pour compter le nombre de jours par an où les valeurs de CAPE et de Wind Shear dépassaient simultanément les seuils critiques. De cette manière, ils ont créé la première carte climatologique mondiale des 'environnements favorables' aux orages violents. Des études plus récentes utilisent la même méthode (compter les jours $\text{N}_{\text{sévère}}$) en l'appliquant aux modèles climatiques pour projeter comment le risque de tempêtes extrêmes changera dans un monde plus chaud. En conclusion, notre méthodologie reflète l'état de l'art. C'est une application du paradigme basé sur les ingrédients (Doswell et al.), elle utilise des indicateurs et des seuils validés par la recherche et la pratique opérationnelle (Rasmussen & Blanchard, SPC), et évalue le risque annuel avec une méthode standard dans la climatologie des phénomènes sévères (Brooks et al.).