Anelfa : association nationale d'études et de lutte contre les fléaux atmosphériques

Climatologie de la grêle

Claude Berthet — 2009-08-12T12:40:15Z

Les précipitations de grêle sont rares comparées aux précipitations de pluie et, du fait de leur caractère ponctuel, elles restent un phénomène difficile à évaluer. La grêle tombe à toutes les saisons et notamment en hiver et au printemps mais c'est entre le mois d'avril et le mois d'octobre qu'il existe un risque de dommages importants à la fois aux cultures et aux bâtiments. C'est durant cette période que les medias rapportent les évènements les plus marquants pour l'opinion publique.

Répartition géographique de la grêle

Les principales régions du monde concernées par un fort risque de grêle sont celles parmi les zones continentales où des vents forts dans la troposphère moyenne sont présents durant la saison des orages. Parmi les régions les plus grêlées, on peut citer l'Argentine, le sud-est des Etats Unis, la région d'Alberta au Canada, l'Afrique du sud, l'Australie... L'Europe occupe aussi une place de choix comme le démontrent les données d'assurance qui classent l'Espagne, l'Italie et la France dans le peloton de tête des pays concernés par des dommages aux cultures assurées.
Dans son livre sur le risque grêle en Agriculture, Freddy Vinet a pu dresser une première carte des régions françaises les plus concernées par ce risque.

Répartition géographique grêle

Cette carte permet de distinguer différentes régions selon la fréquence moyenne de la grêle d'été, son intensité et les conditions météorologiques favorables à la formation d'orages grêligènes.

Répartition mensuelle de la grêle

L'ANELFA coordonne des campagnes de prévention de la grêle depuis plus de 50 ans et depuis maintenant 20 ans, elle a mis en place des réseaux de grêlimètres qui permettent de mesurer des paramètres physiques des chutes de grêle indépendamment de toute considération économique (Carte du réseau).
Le graphique ci-dessous représente le nombre de chutes enregistrées par mois, celles-ci étant classées selon l'échelle relative au diamètre des grêlons.

Répartition mensuelle grêle

La répartition mensuelle des chutes pourra encore être affinée par région au fur et à mesure que le fichier s'enrichira de nouveaux cas. Globalement, on voit cependant bien la prépondérance du mois de mai comme période à risque et le danger des orages d'été.
Lorsqu'on sait que mai est une période particulièrement délicate pour certaines cultures comme les vignes, on peut comprendre les efforts déployés pour chercher à limiter l'impact de ces chutes. A l'heure actuelle, les techniques disponibles et répondant à des critères scientifiques se basent sur l'ensemencement des nuages à l'aide de noyaux de congélation.
Pour en savoir plus.

Répartition horaire

L'énergie cinétique mesurée à l'aide des grêlimètres est un paramètre intéressant pour évaluer l'intensité des chutes de grêle. En prenant en compte le nombre de grêlons au m² , leur diamètre et la vitesse de chutes c'est un indicateur assez complet qui de plus est fortement corrélé aux dégâts sur végétaux.
Le graphique ci-dessous représente la répartition de l'intensité des chutes dans la journée.

Répartition horaire grêle

Le pic observé en fin d'après-midi est à rapprocher des conditions de formation des orages les plus violents : c'est en fin d'après-midi que la convection est la plus forte à la faveur de l'échauffement de l'air.

Les averses de grêle nocturnes sont moins nombreuses mais des chutes dévastatrices peuvent encore se produire notamment en début de nuit. L'étude comparative des chutes entre minuit et 8h le matin pendant la période 1989-1998 et la période 1999-2008 montre une augmentation du pourcentage de ces chutes nocturnes par rapport à l'ensemble des chutes.

Bibliographie sur la climatologie de la grêle

Dessens J. , 1986 : Hail in Southwestern France. I : Hailfall characteristics and hailstorm environment. J. Clim. Appl. Meteor., 25, 35-47.
doi : 2.0.CO;2" class="spip_out" rel="external">10.1175/1520-0450(1986)025<0035:HISFIH>2.0.CO ;2
Vinet F., 2000 : Le risque grêle en agriculture.
Editions Lavoisier Tec&Doc, 237 p.
Berthet C., Dessens J., Sanchez J.L., 2011 : Regional and yearly variations of hail frequency and intensity in France. Atmos. Res. 100, 391-400.
doi : 10.1016/j.atmosres.2010.10.008
Berthet C., Wesolek E., Dessens J., Sanchez J.L., 2013 : Extreme hail day climatology in Southwestern France. Atmos. Res. 123, 129-150.
doi : 10.1016/j.atmosres.2012.10.007

Carte des grêlimètres

Claude Berthet — 2008-01-11T13:26:42Z

Chaque point blanc représente l'emplacement d'un des 1479 grêlimètres du réseau Anelfa identifié par son code INSEE et ses coordonnées géographiques.
A chaque chute de grêle, l'observateur sur place note la date et l'heure de la chute et transmet la plaque impactée au technicien de son réseau qui la remet à son tour à l'Anelfa pour dépouillement.

Formation de la grêle

Claude Berthet — 2007-11-06T09:34:12Z

L'orage de grêle.
Le type le plus schématique d'une journée d'orages à grêle débute en fin de matinée par l'apparition de cumulus blancs aux contours nets dans un fond de ciel limpide.

Dans l'après-midi, à la faveur de l'échauffement du sol, les cumulus se développent en cumulus congestus aux bourgeonnements massifs. Les bases de ces nuages restent à une altitude à peu près constante au cours de la journée, vers 2 km au dessus du sol, par contre les sommets s'élèvent progressivement de plus en plus haut, et quelques protubérances parviennent finalement à des altitudes où la température est nettement inférieure à 0°C. Des gouttelettes se congèlent, des précipitations de grésil ou de grêle se développent, et le stade du cumulonimbus, c'est-à-dire de l'orage, est atteint.

Le cumulonimbus produit de fortes précipitations, des éclairs, des rafales de vent au sol, et parfois des tornades. Les processus microphysiques à l'intérieur des orages jouent un rôle déterminant sur la grêle.

Pour en savoir plus sur les processus microphysiques >>>

Croissance des grêlons

Claude Berthet — 2007-11-06T09:27:22Z

Des mesures de la constitution isotopique de l'eau des grêlons (rapport des concentrations en hydrogène et deutérium) ont permis de reconstituer les trajectoires des grêlons dans l'orage : le grêlon peut monter dans le courant ascendant en captant des gouttes ou des cristaux plus légers qui le rattrapent, redescendre dans des zones où le courant vertical est faible, être repris par une autre ascendance… Cependant contrairement à ce qui est souvent dit, plusieurs allers retours verticaux ne sont probablement pas la règle et le grêlon grossit plutôt sur une trajectoire horizontale ou lors de sa descente après une seule poussée vers le haut.

S'il ne capte pas trop de gouttes liquides à la fois, celles-ci se congèlent au fur et à mesure, et la glace produite est opaque.

Par contre, si beaucoup d'eau liquide se dépose sur le grêlon, la congélation est retardée ; elle interviendra pendant la traversée de zones plus froides ou plus pauvres en eau, et la couche correspondante de glace sera dure et transparente.

Forme de grêlon

Cette alternance dans le mode de croissance donne aux grêlons leur structure particulière et extrêmement changeante d'une averse à l'autre. La forme des grêlons (conique, sphérique, étoilée) est elle-même donnée par le type du cristal à l'origine de l'embryon de grêlon et par le mode de rotation du grêlon sur lui-même pendant sa croissance. Les simulations du Canadien Roland List en tunnel à vent ont permis d'expliquer la plupart des mécanismes d'échange de chaleur et d'eau entre le grêlon et son environnement.

La vitesse de chute des grêlons est de l'ordre de grandeur des vitesses des courants ascendants dans les orages, soit couramment 50 à 100 km/h (tableau des caractéristiques moyennes des grêlons). A cette vitesse de chute s'ajoute près du sol la vitesse horizontale du vent, qui, à l'avant de l'orage, peut également atteindre 50 à 100 km/h.

Masse, Vitesse, Energie des grêlons

Il est possible de modifier artificiellement la croissance des grêlons dans un orage en y introduisant des noyaux glaçogènes d'iodure d'argent. La multiplication du nombre d'embryons entraînera une diminution de la taille des grêlons et de l'intensité de la chute de grêle.

Le grêlimètre

Claude Berthet — 2007-11-06T09:00:11Z

le grêlimètre

Le grêlimètre est un appareil simple mis au point par des chercheurs canadiens, qui permet d'enregistrer la trace des impacts de grêlons arrivant au sol. Il est constitué d'un piquet métallique de 1,50 m de haut supportant une tôle horizontale sur laquelle est disposée une plaque de polystyrène extrudé de 30 cm x 40 cm peinte en blanc.

Plaque impactée avant encrage

Après la chute de grêle, les impacts de grêlons sont rendus visibles par un encrage en noir de la plaque au rouleau d'imprimerie.

Autre plaque impactée après encrage

Le dépouillement est effectué par scanner, et un étalonnage permet de déterminer le diamètre de chaque grêlon à l'origine d'un impact.

On peut ensuite déterminer par cumul le nombre de grêlons tombés dans différentes gammes de dimension à partir de 5 mm de diamètre, le nombre total des grêlons, la masse correspondante, l'énergie cinétique ...

Parmi les paramètres les plus significatifs d'une chute de grêle, on note le diamètre des plus gros grêlons, le nombre total de grêlons de diamètre supérieur à 7 mm (donc susceptibles de provoquer des dommages aux végétaux), et surtout l'énergie cinétique globale de la chute de grêle. Cette énergie est la somme de l'énergie cinétique individuelle de chaque grêlon.

L'Echelle

Claude Berthet — 2007-10-10T08:57:36Z

Les intensités de certains cataclysmes naturels, comme les tremblements de terre, les cyclones ou les tornades, sont repérées sur des échelles internationales permettant de spécifier les dommages et de procéder à des comparaisons d'un phénomène à l'autre. La grêle est un phénomène parfois tellement violent qu'il semblerait normal de lui attribuer également une échelle d'intensité.

Echelle grêle Anelfa

L'échelle proposée par l'ANELFA est basée sur la mesure de près de 4000 chutes de grêle enregistrées en France depuis 1988 sur ses réseaux de grêlimètres. La conception physique de cette échelle a été présentée à la troisième Conférence Européenne sur les Orages Violents qui a eu lieu à Leon (Espagne) du 9 au 12 novembre 2004, et elle est décrite en détail dans l'article suivant :

Dessens, J., C. Berthet, and J.L. Sanchez, 2007 : A point hailfall classification based on hailpad measurements : The ANELFA scale. Atmos. Res., 83, 132-139.
doi :10.1016/j.atmosres.2006.02.029

Classer une chute

Claude Berthet — 2007-10-10T08:52:34Z

L'échelle est relative à une chute de grêle sur une station d'observation.

Elle comporte six classes, numérotées de 0 à 5 selon une intensité croissante, qui sont déterminées par le diamètre des plus gros grêlons tombés à portée de vue de l'observateur. Le diamètre de ces grêlons étant exprimé en centimètre, c'est la partie entière du diamètre qui détermine la classe. Au-delà de 5 cm, tous les cas sont regroupés dans la classe 5. Un signe (+) ou (-) peut compléter chaque classe de l'échelle si le sol est nettement plus ou moins qu'à moitié couvert de grêlons.

Le tableau fournit des équivalences de diamètres permettant de classer les chutes par simple observation. La colonne des énergies cinétiques indique les gammes d'énergie couramment mesurées, mais elle ne détermine pas la classe. Enfin, il peut y avoir des variations dans la spécification des dommages selon les régions ou les périodes de l'année.
L'échelle étant relative à une chute de grêle en un point, un même orage peut produire des chutes de différentes classes en différents endroits, de même qu'un cyclone ou une tornade peut changer d'intensité en cours de vie.

En aéronautique, le phénomène grêle est codé par la lettre A, d'où l'utilisation de cette lettre pour l'échelle proposée. La conception de l'échelle s'inspirant de celle de Fujita pour les tornades, on peut espérer son développement au niveau international sous la dénomination d'échelle de l'ANELFA. Son utilisation devrait faciliter les échanges entre les météorologistes, les physiciens, et les médias.

Règle mesure grêle

Processus microphysiques

Claude Berthet — 2007-10-09T13:11:32Z

Figure a : Pas de précipitation

Un nuage est initialement constitué de gouttelettes d'eau liquide en suspension dans l'atmosphère. Si le nuage est à température positive (nuage bas d'hiver, nuage moyen d'été), il ne renferme aucun cristal de glace. La vitesse de chute des gouttelettes étant presque nulle, elles s'évaporent avant d'arriver au sol. Le nuage passe, emporté par le vent, sans donner de pluie.

Précipitation

Schéma processus microphysique

Figure b : Neige ou pluie

Par contre, si la partie la plus élévée du nuage atteint des régions de l'atmosphère où la température est négative, quelques cristaux de glace se forment autour de poussières aptes à favoriser la congélation. Ces poussières de nature particulière sont appelés noyaux de congélation ou noyaux glaçogènes et elles vont permettre la formation de précipitations pouvant atteindre le sol.

En effet, lorsque des gouttelettes d'eau liquide surfondue et des cristaux de glace cohabitent dans un nuage, les cristaux absorbent les gouttelettes et les transforment en glace. Si les cristaux sont rares, ils grossissent rapidement jusqu'à devenir des flocons de neige qui, en été, fondent en grosses gouttes de pluie. Plus nombreux, les cristaux pourront précipiter l'eau du nuage, mais leur taille restera faible : la pluie sera plus abondante mais constituée de petites gouttes.

Figure c : Orage à grêle

La formation de la grêle résulte de la combinaison du processus de croissance de quelques rares éléments glacés et de l'existence de courants ascendants assez forts pour maintenir ces éléments en suspension dans le nuage. La vitesse relative de chute entre les éléments glacés et les goutelettes d'eau permet une collecte rapide de l'eau des gouttelettes sur la glace et c'est donc par givrage que se produit la croissance des grêlons.