L’orage supercellulaire, appelé parfois supercellule orageuse, est un type particulier d'orage qui est associé avec des phénomènes violents comme les tornades et la grosse grêle. Il se caractérise par une énergie potentielle de convection disponible élevée (plus de ), par un courant ascendant permettant une très large extension verticale (jusqu'à plus de ) et par un changement des vents avec l'altitude dont la direction tourne. Le tout amène un renforcement du mouvement vertical sous le courant ascendant et l'effet de la synchronisation entre le front de rafales descendantes et le courant ascendant est perceptible..
Plus l'énergie potentielle de convection disponible sera importante, plus le sommet du nuage d'orage sera élevé et plus intenses seront les phénomènes. Des valeurs extrêmes d'énergie potentielle de convection disponible de ont été mesurées lors des tornades de l'Oklahoma du 3 mai 1999 qui ravagèrent la banlieue sud d'Oklahoma City. En règle générale, les orages supercellulaires se trouvent dans le secteur chaud d'un système dépressionnaire et se déplacent généralement à l'avant du front froid en direction du centre associé à la perturbation (nord-est dans l'hémisphère nord, sud-est dans l'autre).
Description Orage supercellulaire typique vignette|lang=fr|upright=2|Morphologie d'une supercellule vue du sud-ouest vers le nord-est dans l'hémisphère nord. Les orages supercellulaires sont des cellules orageuses indépendantes en équilibre stable entre le courant ascendant et les courants descendants dans le nuage, ce qui leur permet de vivre très longtemps.. Elles peuvent produire de la grosse grêle, des vents destructeurs et des pluies torrentielles. De plus, si un cisaillement horizontal du vent en surface est transformé en tourbillon vertical par le courant ascendant, ces supercellules peuvent produire des tornades si la rotation est accentuée par le courant descendant.
Sur l'image de droite, une représentation d'un tel cumulonimbus comprend. :
Une enclume à la tropopause qui est une barrière au développement vertical du nuage. Elle s'étend loin de la cellule originale poussée par des vents horizontaux très forts ; Un sommet en dôme stratosphérique, dit sommet protubérant, qui dépasse l'enclume là où le courant ascendant se trouve et indique qu'il est assez fort pour vaincre l'inversion de température à la tropopause ; Des mammatus sous l'enclume, des protubérances nuageuses formées par l'air froid d'altitude descendant par "poussée négative d'Archimède" dans le nuage. Ils sont signe d'instabilité ; Dans le flanc arrière droit, derrière les précipitations, une tornade sous le nuage-mur (Wall-cloud). Une ligne de flanc formée de petits cumulonimbus ou cumulus congestus engendrés par l'ascension de l'air chaud aspiré par l'ascendance principale ; Des trombes terrestres le long du front de rafales peuvent se former. Elles sont dues à un phénomène de convergence.
vignette|gauche|upright=0.75|Coupe verticale d'un orage supercellulaire, vu par radar, qui montre la structure en voûte vignette|upright=1.25|Circulation de l'air dans un orage supercellulaire Du point de vue radar, il est possible de remarquer une voûte sans écho (dite voûte d'échos faibles) dans une coupe verticale (image de gauche), là où le fort courant ascendant permet à l'humidité contenue dans les particules d'air entrant en convection de ne se condenser qu'à très haut niveau.
Ceci donne sur une coupe horizontale (PPI ou CAPPI) une forme à bas niveau d'écho en crochet à l'image radar et un fort gradient de réflectivité près du crochet. Du point de vue circulation de l'air, les zones en bleu sur la figure de droite montrent où l'air descend dans ce type de nuage donnant des rafales au sol, les courants descendants de flanc avant et arrière. Dans le flanc arrière, le courant descendant entre en interaction avec le courant ascendant (vert et rouge) et c'est à cet endroit que mésocyclones et tornades peuvent se produire.
Des expériences ont également montré que la densité de coups de foudre à l'intérieur d'un orage supercellulaire donne un trou de foudre dans le courant ascendant et la voûte d'échos faibles..
Trajectoire de l'orage vignette|upright=0.65|Basculement du vortex par le courant ascendant et division de la cellule. Un orage supercellulaire se déplace avec le vent moyen dans la couche de la troposphère où il se trouve. En général, ce vent moyen est de secteur sud-ouest dans l'hémisphère nord (sud au sol et ouest en altitude) et du nord-ouest dans l'hémisphère sud (nord au sol et ouest en altitude). Normalement, ces orages se déplacent donc vers le nord-est dans l'hémisphère nord et peuvent donner une variété de phénomènes violents, tels de la grêle ou des rafales descendantes, mais ceux qui donnent des tornades se déplacent généralement à droite de la trajectoire normale, soit vers l'est ou le sud-est. La majorité des tornades ont une rotation cyclonique mais quelques-unes peuvent être des tornades anticycloniques..
Ces cellules supercellaires sont appelés par de nombreux auteurs « orages violents vers la droite » (severe right thunderstorms.). Elles sont faciles à repérer au radar météorologique en notant leurs précipitations ou le déplacement dans le temps de leur mésocyclone qui forment une trace à la droite du mouvement général des autres orages. Les supercellules violentes peuvent aussi se déplacer vers la gauche, mais dans ce cas elles sont moins souvent associées à des tornades.
La raison pour ce comportement vient du fait que le cisaillement horizontal du vent dans la couche près du sol est transformé en rotation verticale par le courant ascendant dans un orage supercellulaire. Le tube de rotation comprend une branche montante et une branche descendante (comme en haut dans la figure ci-contre). En réponse au changement de pression qu'implique le mouvement ascendant, il se forme une dépression au niveau moyen de l'orage de chaque côté de celui-ci (L dans image centrale). La colonne en rotation se trouve allongée par la différence de pression entre le sol et ces dépressions; sa rotation ainsi s'en trouve accélérée, comme pour un patineur en rotation qui rapproche ses bras près de son corps. La rotation montante est cyclonique et celle descendante est anticyclonique..
Par la suite, un courant descendant se forme en altitude lorsque la masse de précipitations dans l'orage se met à descendre (image du bas). Ce courant entraine avec lui une section du tube de rotation vers le bas et divise l'orage en deux. Lorsque le cisaillement avec l'altitude est linéaire (augmente avec l'altitude mais le vecteur de changement reste dans la même direction), aucune des deux supercellules n'est favorisée et elles peuvent également donner une tornade. Mais en général, le cisaillement est courbe (change de direction avec l'altitude) vers l'est (dans l'hémisphère nord) ce qui se trouve la direction du flux entrant d'air environnemental et donc du maximum de mouvement vertical. C'est pourquoi, les orages à trajectoire vers la droite sont généralement ceux qui donnent des tornades. Il arrive cependant, que le cisaillement soit courbé vers la gauche. Dans ce cas, les rôles sont inversés et c'est la cellule de gauche qui prend le dessus et donne une tornade.
Structure de l'orage thumb|Structure horizontale d'un orage supercellulaire Un orage supercellulaire peut être considéré comme une dépression de méso-échelle constitué de diverses régions. La zone centrale du cyclone se trouve proche de l'extrémité sud-ouest de l'orage (hémisphère nord). Cette région prend la forme d'un écho en crochet sur les données radar et est surplombée par une voûte d'échos faibles en altitude. Elle correspond au courant ascendant central et c'est la plus dangereuse car c'est l'endroit où peuvent se produire les tornades. La circulation autour de ce mésocyclone est similaire à une dépression des latitudes moyennes et comporte des fronts.
Front chaud En altitude, la vapeur d'eau amenée par le courant ascendant se condense et forme des précipitations en aval de celui-ci dans la circulation générale. Comme elles ne sont plus supportées par un mouvement ascensionnel, elles redescendent et entraînent l'air des niveaux élevés du nuage avec elles. Cet air se réchauffe aussi en descendant ce qui évapore une partie des précipitations et aide à accélérer le courant descendant avant en formant une goutte froide.. Cet air arrivé à la surface rencontre l'air ambiant le long du front chaud du cyclone, rehaussant la zone de pluie forte sur le flanc nord-est de l'orage. Ces pluies seront de longue durée à cause de l'extension considérable de l'enclume vers l'avant de l'orage. Près du front et du centre de rotation se retrouve généralement la zone de grêle.
Front froid Le courant descendant arrière provient lui de différentes sources à la bordure arrière du nuage. La première est l'air froid et sec de l'environnement qui entre dans le nuage en raison des vents qui se butent à la masse nuageuse. La seconde est l'évaporation des précipitations, comme la pluie ou la grêle, à la bordure qui refroidit l'air qui les entoure. La troisième est la différence de pression entre le sommet du nuage et sa base en amont du courant ascendant. En effet, ce dernier amène de la matière en altitude et donc il se crée un « vide » relatif de quelques hectopascals dans ce secteur..
En général la conjonction de ces facteurs se produit entre le sommet et le milieu du nuage, là où les vents sont plus forts et se butent à la plus grande masse du nuage plus chaud et humide que l'environnement. Le résultat est une zone d'air plus froid et dense que le nuage à ce niveau qui se met à descendre sous l'influence de la poussée d'Archimède et la différence de pression. Ce courant est associé à des précipitations de courte durée mais surtout à des rafales descendantes. Sa présence à la surface est associée avec le front froid de la circulation et il est marqué par la présence d'une ligne de flanc constituée de cumulus congestus ou petits cumulonimbus secondaires correspondant au renouvellement de l'orage.
Ordre des événements vignette|gauche|Boucle d'images radar de la tornade de Moore où la « boule de débris » et l’écho en crochet sont bien visibles Historiquement, on pensait que les précipitations dans une supercellule se produisaient à l'arrière du nuage comme la figure 9.5 de l'ouvrage de Cotton l'indique (dérivée des hypothèses de Browning). On retrouve la même erreur dans l'ouvrage de Tom Bradbury . En fait, les précipitations à l'arrière sont une caractéristique des orages multi-cellulaires et des lignes de grain. Ainsi dans de tels orages, la grêle se trouve à l'avant, suivie de grosse pluie puis d'une pluie stratiforme. Dans une édition plus récente du même auteur cette figure a été supprimée ce qui montre que la modélisation des supercellules s'est affinée.
L'ordre des événements avec un orage supercellulaire comportant une tornade est donc inversée par rapport à cette séquence habituelle. Il y a d'abord des pluies faibles, puis des pluies diluviennes, puis des petits grêlons, puis des gros grêlons et finalement la tornade elle-même alors que les précipitations ont cessé. Une telle séquence s'était produite à Oklahoma City. lors de l'éruption des tornades de l'Oklahoma du 3 mai 1999, ce qui corrobore le modèle. La tornade de 2013 à Moore suivit le même processus comme l'animation radar ci-contre le montre.
Types Il existe quatre types d'orages supercellaires, classés selon leur intensité de précipitations ou leur extension verticale . : Mini-supercellule (LT pour Low Topped en anglais) :