Projet ACT Aéroclippers pour les Cyclones Tropicaux Lettre d

Projet ACT Aéroclippers pour les Cyclones Tropicaux Lettre d'intention au Comité Scientifique et Technique Ballon (CSTB) Juillet 2010 Responsable scientifique
Nom, Prénom : Téléphone : Télécopie : e-­mail : Adresse : DUVEL Jean-­Philippe 01 44 32 22 37 01 43 36 83 92 [email protected] LMD ENS 24 Rue Lhomond 75231 Paris Cedex 05 ROUX Franck 05 61 33 27 52 05 61 33 27 90 [email protected]­mip.fr OMP, 14 avenue Edouard Belin, 31400 Toulouse LA CNRS PLU Matthieu 02 62 92 11 86 0262 92 11 47 [email protected] Météo-­France -­ BP 4 -­ 97491 Sainte-­Clotilde LACy – CNRS, Université de La Réunion, Météo-­France Météo-­France Co-proposants :
Nom, Prénom : Téléphone : Télécopie : e-­mail : Adresse : Laboratoire: Organisme gestionnaire : Nom, Prénom : Téléphone : Télécopie : e-­mail : Adresse : Laboratoire: Organisme gestionnaire : 1
1. CONTEXTE ........................................................................................................................................................... 3 2. OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ............................................................................................................................ 5 1.1. PREVISION DES CYCLONES ................................................................................................................................................. 6 1.2. ROLE DES AEROCLIPPERS .................................................................................................................................................. 7 2.1.1. Liste des objectifs scientifiques .............................................................................................................................. 7 2.1.2. Contraintes techniques et développement logiciel........................................................................................ 8 3. SITUATION ACTUELLE DU THEME DE RECHERCHE............................................................................... 8 1.3. LES SYSTEMES DE MESURE ................................................................................................................................................ 8 3.1.1. Avions................................................................................................................................................................................ 8 3.1.2. Drones............................................................................................................................................................................... 9 3.1.3. Bouées et Mouillages.................................................................................................................................................. 9 3.1.4. Ballons pressurisés (BP) ........................................................................................................................................... 9 3.1.5. Satellites .......................................................................................................................................................................... 9 3.1.6. Apport des Aéroclippers............................................................................................................................................ 9 1.4. ETUDES EN COURS ............................................................................................................................................................ 10 3.1.7. Simulations de Mésoéchelle...................................................................................................................................10 3.1.8. Climatologie des cyclones et stratégie de déploiement.............................................................................11 3.1.9. Stratégie de déploiement et prévision des trajectoires.............................................................................11 3.2. REFERENCES ..................................................................................................................................................................... 11 4. DESCRIPTION DE LA PROPOSITION..........................................................................................................12 4.1. LE DEVELOPPEMENT DE L'AEROCLIPPER CYCLONE .................................................................................................. 12 4.2. LE DEVELOPPEMENT DE LA STRATEGIE EXPERIMENTALE ET DES TRAITEMENTS SCIENTIFIQUES .................... 12 4.2.1. Stratégie expérimentale .........................................................................................................................................12 4.2.2. Traitements scientifiques des mesures : ..........................................................................................................13 4.3. LA CAMPAGNE EXPERIMENTALE .................................................................................................................................... 13 4.4. PUBLICATION DES RESULTATS SCIENTIFIQUES ........................................................................................................... 13 4.5. INDUSTRIALISATION DE L'ENSEMBLE DE L'APPROCHE.............................................................................................. 13 5. CALENDRIER PREVISIONNEL ......................................................................................................................14 6. PUBLICATIONS RECENTES DU RESPONSABLE SCIENTIFIQUE .........................................................14 7. RESSOURCES HUMAINES DES LABORATOIRES PARTICIPANT AU PROJET..................................15 8. FICHE RESUME -­ PROGRAMME DES TRAVAUX ......................................................................................16 9. AUTRES MOYENS -­ DEMANDE DE CDD .....................................................................................................17 10. ECHEANCIER FINANCIER PREVISIONNEL .............................................................................................18 2
1.
CONTEXTE
L’Aéroclipper utilisé en 2007 pendant la campagne VASCO (Figure 1) a été développé par le CNES et le
LMD au début des années 2000. L'objectif des Aéroclippers de VASCO était de mesurer à moindre frais
les flux air-mer dans le voisinage des systèmes convectifs au-dessus des océans tropicaux difficilement
accessibles par des moyens conventionnels. Le développement instrumental se basait sur l’évolution
d’une première version (C. Tockert) non instrumentée de l’Aéroclipper utilisant un ballon tétraédrique.
Après un premier développement consistant à adapter des nacelles scientifiques et après deux campagnes
en 2005 et 2006, le ballon tétraédrique s’est cependant révélé inapproprié. Nous avons alors proposé de
remplacer ce ballon tétraédrique par un ballon profilé possédant une portance aérodynamique empêchant
les fortes inclinaisons du système et permettant un soulèvement du guiderope (réduction de la traînée
hydrodynamique) par vent fort. Cette nouvelle configuration mécanique a été testée avec succès en 2007.
Deux Aéroclippers ont convergé jusqu’au centre de l’œil du cyclone DORA dans le sud-ouest de l'océan
Indien (Figure 2). Dans leur mouvement convergeant vers le centre de DORA, les Aéroclippers ont
traversé la zone du mur de l’œil avant de pénétrer dans l’œil et d’y rester ensuite.
Figure 1 : Le système de mesure Aéroclipper pendant la campagne VASCO 2007. Figure 2 : Résultat de la campagne VASCO 2007 : Trajectoires du centre du cyclone DORA (en vert) et des Aéroclippers #1 (en orange) et #2 (en rouge), entre le 29 janvier (à 12 UTC) et le 6 février (à 00 UTC). Ces trajectoires ont été superposées à l’image satellite Météosat 7 du 3 février à 03 UTC (au moment où DORA était à son intensité maximale). Sur la base de ce résultat, la possibilité de développer un outil spécifique pour la surveillance des
cyclones a été exposée dans Duvel et al. (2009). Suite à cet article, de nombreux chercheurs et prévisionnistes travaillant sur les cyclones se sont intéressés aux Aéroclippers. Faute de projet accepté, nous n'avons cependant pas pu répondre positivement à leurs sollicitations. Un groupe associé à la NOAA tente maintenant de développer un prototype (le CheaperClipper) suivant une stratégie proche de celle proposée par le LMD depuis 2007 (système plus léger, moins cher et de déploiement facile). Le nouveau projet ACT proposé ici permettrait de multiplier les chances de succès des Aéroclippers dans les cyclones, tant du point de vue instrumental que du point de vue de la stratégie de déploiement. Si la présente proposition ACT est financée, nous pourrions donc 3
joindre nos efforts avec le groupe de la NOAA pour le développement de ce nouveau moyen de mesure. L'objectif est en effet loin d’être atteint. Nous avons certes un concept instrumental très intéressant et
validé, mais il faut apprendre à s'en servir pour obtenir de bonnes mesures (comment déployer un
aéroclipper pour converger vers un cyclone, quelles sont les chances de réussite, etc.), et apprendre à
interpréter ces mesures pour obtenir des résultats scientifiques significatifs (voir plus bas comment utiliser
les modèles de méso échelle pour simuler et interpréter les futures mesures). Ils nous faut donc
maintenant démontrer, lors d’une ou plusieurs campagnes expérimentales (éventuellement sur plusieurs
bassins, Atlantique pour les USA et Indien pour la France), que les Aéroclippers, nos stratégies de
déploiement, et nos traitements apportent effectivement des informations utiles pour la connaissance
scientifique et le suivi opérationnel des cyclones.
Une partie importante de cette proposition concerne le développement de la stratégie expérimentale et les
méthodes de traitement des mesures.
Pour l'instrument lui-même, compte tenu des incertitudes sur notre capacité à faire converger à la
demande un Aéroclipper vers un cyclone, il faut concevoir une série d'Aéroclippers légers, simples, peu
chers et aisément mis en œuvre (éventuellement depuis plusieurs endroits). Pour cela, nous proposons ici
une nacelle pouvant être réduite jusqu'à une simple mesure de pression, en plus d'un système
GPS/transmission.
L’expérience CINDY-­‐DYNAMO (octobre 2011 -­‐ mars 2012) peut fournir un cadre national et international stimulant pour mener à bien les tests des Aéroclippers, de la stratégie de déploiement et de l'interprétation des mesures. o
o
Site de l'expérience CINDY: Site de DYNAMO: http://www.jamstec.go.jp/iorgc/cindy/ http://www.eol.ucar.edu/projects/dynamo/ Cette campagne a pour objectif de déterminer les processus physiques à l'origine du déclenchement des oscillations de Madden-­‐Julian (MJO). Cette campagne est pour l'instant surtout une coopération entre le Japon, l'Inde et les USA. Pour les USA, le principe de la campagne a été accepté par la NSF en juin 2010. Des propositions individuelles seront soumises cet automne à la NSF. Une proposition française de participation à cette campagne sera également soumise à l'INSU cet automne et présentée au prochain workshop CINDY-­‐DYNAMO en novembre. Cette proposition comportera une partie dédiées aux mesures (Megha-­‐Tropiques, Radiosondes, mesures isotopiques, etc.) et une partie axée sur la modélisation numérique et les prévisions. Les objectifs scientifiques de la participation française concernent aussi bien l'origine physique de la MJO que son impact sur la cyclogenèse pour cette région de l'océan Indien sous responsabilité française (CMRS de La Réunion). 4
2.
OBJECTIFS SCIENTIFIQUES
Les cyclones tropicaux occasionnent de fortes pluies et des vents violents qui sont une menace considérable pour les régions côtières de nombreux pays tropicaux et subtropicaux. Une meilleure surveillance et une meilleure prévision de ces phénomènes est d'une importance capitale pour fournir des alertes précoces aux populations concernées. Chaque année, il y a en moyenne 84 (std = 8) tempêtes tropicales (TS) et 45 (std = 6) cyclones tropicaux (TC). Sommairement, une tempête tropicale (cyclone tropical) est une tempête dont la moyenne de la valeur maximale du vent sur 10 minutes dépasse 60 km/h (120km/h). Ces tempêtes sont réparties sur de larges régions des océans tropicaux (Fig. 3). Figure 3: Fréquence des cyclones tropicaux pour une période de 100 ans dans un rayon de 140 km de tout point. Les triangles indiquent les maxima dont les valeurs sont affichées. La période utilisée est indiquée dans les cases pour chaque bassin. [Neumann de 1993] Il y a six Centres Météorologiques Régionaux spécialisés (CMRS) et six centres d'alerte des cyclones tropicaux (TCWC en anglais) ayant la responsabilité régionale de fournir des avis et des bulletins météorologiques détaillés sur tous les cyclones tropicaux (également appelés ouragans ou typhons suivant les bassins) partout dans le monde (Fig. 4). Ces centres produisent des analyses détaillées sur le suivi et la prévision (trajectoire et intensité) des cyclones utilisant l’ensemble des données et des moyens disponibles en terme d’observations (spatiales ou in situ) et de modèles numériques. Ces centres, ainsi que d’autres laboratoires de recherches, travaillent également sur l’amélioration des techniques d’observation et de modélisation de ces phénomènes extrêmes. Figure 4: Centres Météorologiques Régionaux Spécialisés pour la prévision des cyclones tropicaux. En ce qui concerne les observations, des résultats prometteurs ont été obtenus pendant la campagne expérimentale VASCO de janvier et février 2007. La campagne VASCO a en effet démontré qu'il est possible d'introduire un ballon instrumenté, l’Aéroclipper, dans l'œil d'un 5
cyclone (Duvel et al, 2009) afin de mesurer l’évolution des paramètres dans la couche atmosphérique de surface (~50m) en temps quasi réel. Au cours de la phase de convergence dans l'œil, ces ballons donnent également des observations directes du vent de surface et des paramètres thermodynamiques dans le voisinage du cyclone. Les Aéroclippers pourraient donc être un outil intéressant pour le suivi et la prévision des cyclones par les différents CMRS. Pour cela, il est cependant nécessaire de valider l’ensemble de l'approche (instrument et stratégie d’utilisation). Objectifs: o
L'objectif scientifique de ce projet est l'amélioration de la connaissance de la physique des cyclones en effectuant des mesures in situ dans la couche de surface atmosphérique (0-­‐
50m) sous le mur de l'œil et dans l'œil des cyclones. Une liste d’objectifs scientifiques est fournie ci-­‐dessous (section 2.2.1). o
Ce projet a également pour objectif de définir un cadre expérimental permettant d'obtenir un suivi opérationnel des cyclones tropicaux et d'améliorer la prévision de la trajectoire et de l'intensité de ces cyclones. Pour cela il est nécessaire : o
o
o
D’adapter techniquement l’Aéroclipper à l’environnement cyclonique et pour une utilisation quasi-­‐opérationnelle; De définir une stratégie de déploiement visant à optimiser la capture des aéroclippers dans l'œil des cyclones; De démontrer lors d’une campagne expérimentale que les Aéroclippers apportent des informations utiles pour les objectifs scientifiques et opérationnels. 1.1. PREVISION DES CYCLONES Au cours des 15 dernières années, des améliorations de la prévision de la trajectoire des cyclones ont été réalisées, avec une baisse de 30 à 40% de l’erreur dans la prévision de la position de l'œil du cyclone. Toutefois, il existe encore de grandes incertitudes dans les prévisions de l'intensité des cyclones (c'est-­‐à-­‐dire la pluie, le vent, les vagues et la montée des eaux). Ces erreurs résultent de lacunes, aussi bien dans le réseau d'observation que dans les modèles numériques utilisés pour réaliser les prévisions. Les améliorations souhaitables des modèles concernent la représentation de certains processus physiques (incluant les processus dans la couche de surface) et la méthode utilisée pour assimiler les mesures disponibles (satellites, avions, etc). Cette assimilation est nécessaire pour fixer les conditions météorologiques initiales servant de point de départ à la simulation effectuée par le modèle de prévision. La prévision de l’intensité des cyclones pourrait être améliorée dans les prochaines années grâce à des modèles à plus haute résolution utilisant des paramétrisations physiques et des méthodes d’assimilation mieux adaptées à l’environnement des cyclones tropicaux. Ces améliorations pourraient aussi résulter du développement de nouvelles capacités d'observation provenant de satellites (comme Megha-­‐Tropiques) ou de mesures in situ (comme les Aéroclippers). Certains programmes de recherche visent à améliorer la prévision de l’intensité des TC, comme le programme HiFi (Hurricane Intensity Forecast Improvement and Impacts Projection) proposé par G. Holland et R. Lukas (Octobre 2006). Les objectifs de Hifi sont d’améliorer: o
la compréhension du couplage avec l’océan, des interactions avec l'environnement immédiat, des processus de petite échelle qui conduisent à des changements rapides d’intensité; o
les modèles numériques utilisés pour des études théoriques, mais qui sont les précurseurs des modèles utilisés par les centres de prévision opérationnelle; o
Les moyens de mesure et l’assimilation de ces mesures dans les modèles. Pour les prévisions des cyclones dans le sud-­‐ouest de l'océan Indien, il faut concevoir de nouvelles expériences pour: 6
o
évaluer objectivement l’apport de nouvelles mesures provenant de mesures aéroportées, d’observations par satellite, de l’extension du réseau de radiosondage et d’autres mesures in situ, comme celles de l’Aéroclipper; o
comprendre les relations entre les cyclones tropicaux l'environnement atmosphérique et océanique propre à cette région; o
tester les capacités des modèles numériques à reproduire la structure et l'évolution des vents et des précipitations cycloniques. 1.2. ROLE DES AEROCLIPPERS Il est très difficile d’obtenir des mesures in situ en temps réel dans les cyclones tropicaux, en particulier sur les régions éloignées des océans. Les mesures par avion sont relativement rares, chères, et sont effectuées uniquement pour certains bassins. La plupart des informations recueillies en temps réel par les CMRS viennent actuellement des observations par satellite. Par exemple, la technique Dvorak (Velden et al, 2006) donne une estimation de l'intensité du vent fondée sur la structure des nuages associés au cyclone. Cette méthode a été validée pour certains bassins (Atlantique Nord, Pacifique), mais n'a jamais ou mal été validée pour d'autres régions. La technique Dvorak ne permet pas une surveillance en temps réel pour l'intensification soudaine des cyclones. Il existe jusqu'à présent, très peu d'observations des paramètres de surface (pression, vent, température, humidité) dans les environs et, a fortiori, dans les cyclones tropicaux. Ces observations sont nécessaires pour évaluer et améliorer les modèles numériques utilisés pour la prévision des cyclones. L’Aéroclipper fournira des observations pour: o
Une meilleure évaluation de la physique des modèles dans la couche de surface atmosphérique sous le mur de l'œil et dans l'œil des cyclones ; o
Un suivi continu et en temps réel des paramètres de l’interface air-­‐mer dans l'œil du cyclone permettant d'améliorer la fiabilité de la procédure d'alerte des cyclones tropicaux. 2.1.1. Liste des objectifs scientifiques Voici une liste des principaux objectifs scientifiques pour un aéroclipper équipé de l'ensemble du système de mesure de VASCO 2007 (sans la salinité). Certains de ces objectifs (flux) ne pourront pas être atteints avec l'Aéroclipper simplifié: o
Obtenir une série de mesures de surface dans des trajectoires convergent vers l'œil d'un cyclone. Cela donnera: •
la structure du vent en surface, en particulier le rapport entre le vent de surface radial (la partie convergente) et le vent de surface tangentiel. •
les variations de l'enthalpie humide (énergie et humidité) de l'air de surface convergeant vers l'œil du cyclone. o
Mesurer l'enthalpie humide de l'air de surface dans l’œil du cyclone. Cette énergie est susceptible de renforcer l'énergie provenant de l'extérieur du cyclone et de donner une "super intensité" (Persing et Montgomery, 2003), c'est-­‐à-­‐dire un cyclone excédant l’intensité maximum potentielle définie par Rotuno et Emmanuel (1987). o
Mesurer la pression de surface dans l'œil et en tirer en temps réel une estimation de l'intensité du cyclone. Ceci pourrait permettre de détecter une intensification ou un comblement rapide du cyclone. o
Prévoir l'évolution du cyclone en inspectant les caractéristiques de la dynamique de surface dans l'œil. Par exemple, on note sur la figure 2 des oscillations de plus grande
amplitude décrites par les Aéroclippers à l’intérieur de l’œil entre les 3 et 4 février, traduisant
7
peut-être une modification de la dynamique au sein de l’œil (impactant le champ de divergence
en surface), lors de la phase initiale d’affaiblissement de DORA. o
Mesurer les caractéristiques dynamiques de la circulation de surface et les flux turbulents à l’interface air-­‐mer au cours de la cyclogenèse. En particulier, une synthèse des images satellitaires et des mesures des Aéroclippers pourrait donner des informations sur les tourbillons de basses-­‐couches engendrés par la convergence de vorticité dans les cellules convectives au cours de la cyclogenèse (voir, par exemple, Montgomery et al. 2006). o
Utiliser les mesures des caractéristiques ci-­‐dessus pour l'évaluation du modèle numérique. o
Améliorer la prévision de la trajectoire et de l'intensité des cyclones grâce à l'assimilation des séries continues de paramètres de surface mesurés par les Aéroclippers. 2.1.2. Contraintes techniques et développement logiciel Afin de mener à bien ce projet, des adaptations techniques sont nécessaires:
o
Concevoir un ou éventuellement plusieurs nouveaux systèmes adaptés pour les mesures à proximité et dans les cyclones tropicaux. Les systèmes pourraient différer principalement par la taille du ballon, par la masse totale et/ou par le choix de l'instrumentation. o
Ce système sera conçu de manière à être adapté ou facilement adaptable aux conditions d’observation opérationnelle. Une attention particulière sera accordée à: o
3.
•
La facilité d'utilisation du système pendant la phase de déploiement (mécanique, mise sous tension, transmission et vérification des mesures) ; •
La facilité de contrôle du système et d’accès aux mesures pendant le vol ; •
Le faible coût du système ; •
Les procédures de sécurité pendant le déploiement et le vol ; •
Le faible impact sur l'environnement du système après son utilisation. Développer une procédure permettant d'adapter la stratégie expérimentale à chacun des sept bassins cycloniques. Cette stratégie consiste à déployer un Aéroclipper d’une côte ou d’un bateau afin qu'il vienne converger vers l’œil d’un cyclone. Cette stratégie s’appuiera sur des études climatologiques (approche statistique) et/ou sur des prévisions météorologiques (approche déterministe). SITUATION ACTUELLE DU THEME DE RECHERCHE
1.3. LES SYSTEMES DE MESURE On présente ici sommairement les autres systèmes de mesure couramment employés ou potentiellement utilisables pour suivre et/ou étudier les cyclones 3.1.1. Avions Dans l'Atlantique et le Pacifique, près de Etats-­‐Unis d’Amérique, le « Hurricane Research Division » du « National Oceanic and Atmospheric Administration » (NOAA / HRD) effectue des observations dans et autour des cyclones en utilisant des dropsondes, des mesures faites depuis l’avion même et des mesures de télédétection. L'objectif principal est d'améliorer la prévision de l’évolution d’un cyclone par l'obtention de profils verticaux de vent, de température et d'humidité au-­‐dessous de 400 hPa dans un rayon de 1000 km autour du centre de la tempête. Burpee et al. (1996) ont montré que l’assimilation de ces mesures donne une réduction de l’erreur de 15-­‐30% sur la prévision de la trajectoire pour les 12-­‐60 h suivantes. Aberson et Franklin (1999) ont montré qu'une large couverture de dropsonde lâchées depuis le Gulfstream IV (durée de vol> 8h) réduit l'erreur de prévision de trajectoire de 32% et d'intensité de 20%. Cela pourrait être améliorée en raffinant la stratégie d'échantillonnage des vols. Le programme DOTSTAR (Dropwindsonde Observations for 8
Typhoon Surveillance near the Taiwan Region) vise également à assurer le suivi des cyclones à l'aide de dropsondes. DOTSTAR n’effectue pas d’observation dans le cœur du cyclone. Malgré cela, les prévisions d’ensemble de la trajectoire à 72h montrent une amélioration moyenne de 20% grâce à l’assimilation des mesures des dropsondes (Chou et Wu 2008). Pour ces mesures, le vent, les profils de température et d'humidité sont transmis sur le SMT (Système Mondial de Transmission ; échanges des données météorologiques) et elles sont assimilées en temps réel dans les modèles opérationnels de différents centres de prévision. 3.1.2. Drones L’Aérosonde (Insitu Corp, McGeer et Holland, 1993) est un drone qui a récemment effectué avec succès un vol de reconnaissance dans le mur et l’œil du typhon Longwang en Octobre 2005 (Lin et Lee 2008). Au cours d'un vol de 10 h, une « Aerosonde » a mesuré le vent tangentiel et le vent radial à 700hPa sur une trajectoire allant de l’extérieur du cyclone jusqu’au centre de l’œil. Ces mesures ont été validées par des vents observés à proximité par un radar météorologique Doppler. Une « Aerosonde » a également effectué un sondage vertical dans l'œil et la pression de surface estimée était proche des estimations faites par les agences météorologiques locales. 3.1.3. Bouées et Mouillages Certaines bouées peuvent donner des mesures in situ de la pression de surface, mais seulement pour un point fixe (ou dérivant lentement avec le courant). L'échantillonnage est très limité (le temps que le cyclone passe à proximité sur la bouée) et aléatoire (la bouée peut être positionné à l'extérieur de la trajectoire du cyclone). L'œil d’un cyclone a un rayon de quelques dizaines de kilomètres et les vents les plus violents sévissent juste en bordure extérieure de l'œil. 3.1.4. Ballons pressurisés (BP) Le ballon pressurisé (voir Businger et al, 2006) est le système le plus proche de l’Aéroclipper. Toutefois, ce type de ballon n'a pas encore été utilisé avec succès pour faire des mesures dans les cyclones, à l’exception notable d’un BP autour cyclone Gamède pendant VASCO 2007 (voir Vialard et al, 2009). Ces instruments ne volent pas dans la couche de surface et ne peuvent donc pas donner une mesure directe de la pression de surface qui est un paramètre clé. Il sera également difficile, sinon impossible, pour ces ballons de franchir le mur de l'œil du cyclone, qui se caractérise par des vents forts, des cisaillements verticaux importants et de fortes précipitations. De plus, pour avoir une chance de converger dans l’œil, ces ballons devraient voler très bas (les vents convergents sont souvent bien en dessous de 1km). 3.1.5. Satellites Les satellites géostationnaires permettent un suivi relativement continu de la nébulosité associée aux cyclones dans les domaines spectraux visible et infrarouge. Comme mentionné plus haut, ces images sont traitées en utilisant la technique de Dvorak en vue d'estimer l'intensité du cyclone. Les observations par satellite sont également utilisées pour caractériser l'environnement des cyclones en altitude. Par exemple, AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit) donne des profils de température et d’humidité avec une relativement bonne résolution verticale et horizontale et peut être utilisé pour détecter les anomalies liées au développement des cyclones. Dans un proche avenir, les mesures effectuées par le satellite de Megha-­‐Tropiques et ADM-­‐AEOLUS pourraient être utilisées pour mieux caractériser l'environnement des cyclones dans les états initiaux des modèles de prévision. Megha-­‐Tropiques a une orbite inclinée à 20° et donne un bon échantillonnage temporel (les orbites successives) dans les tropiques pour une certaine période de la journée. 3.1.6. Apport des Aéroclippers Dans ce contexte, l’Aéroclipper apparaît comme un système complémentaire à la fois des avions et des drones. L’Aéroclipper est le seul instrument apte à fournir : 9
o
Des mesures in situ dans la couche de surface (0-­‐50m) le long de trajectoires convergeant vers le centre du cyclone ; o
Des mesures continues de l’évolution des paramètres de surface dans l’œil d’un cyclone, et donc de l’intensité du cyclone (pression de surface) ; o
Des mesures continues pendant la transformation du cyclone en dépression extra tropicale (cela s’est produit pour les Aéroclippers piégés dans le cyclone Dora pendant VASCO 2007). 1.4. ETUDES EN COURS
Ces études sont pour l’instant interrompues faute de moyens. Le financement de la proposition ACT, en
particulier pour le CDD à partir de l'hiver 2010-2011, permettra la poursuite de ces travaux.
3.1.7. Simulations de Mésoéchelle Des simulations des cyclones DINA et DORA faites au LACy à l’aide du modèle de mésoéchelle
MésoNH ont été utilisées pour simuler des trajectoires d’Aéroclippers. Ces simulations de trajectoires ont
été réalisées en utilisant les champs de vent à 10m et les résultats d’un modèle mécanique de
l’Aéroclipper permettant de calculer la vitesse de déplacement en fonction de la vitesse du vent à 10m
(Figure 5).
Figure 5: (haut) trajectoires d'aéroclippers déployés à proximité d'un cyclone simulé par le modèle MésoNH. (milieu) Intensité du vent mesuré par chaque Aéroclipper et comparaison au vent maximal. (bas) Pression mesurée par chaque Aéroclipper et comparaison à la pression minimale. Les résultats montrent : o
o
Que les Aeroclippers convergent vers le centre de l’œil pour les deux simulations et ce quelque soit la position (à proximité) et l’heure du déploiement fictif ; Que la vitesse maximale mesurée pendant la phase de convergence n’est pas forcément égale à la vitesse maximale au même instant. Cela est attendu et occasionné par les asymétries ; 10
o
Qu’une fois piégé dans l’œil, l’Aéroclipper suit précisemment la pression minimale au centre du cyclone, ce qui confirme la capacité du système à fournir des informations en temps réel sur les variations d’intensité du cyclone. 3.1.8. Climatologie des cyclones et stratégie de déploiement Une climatologie des cyclones (position, intensité, etc.) et les ré-­‐analyses météorologiques (ERA-­‐
Interim) du Centre Européen de Prévisions Météorologiques à Moyen Terme (CEPMMT) ont été utilisées pour réaliser une première étude de la stratégie expérimentale. Un algorithme calcule les chances de succès (c.à.d. la capture par le cyclone) pour le déploiement d’un Aéroclipper d’un endroit donné et avec un décalage en temps donné par rapport à la première date de détection du cyclone (CMRS ou prévisions). 3.1.9. Stratégie de déploiement et prévision des trajectoires Pour développer une stratégie expérimentale, il est important de prévoir la probabilité que le ballon se dirige dans la région souhaitée à une échéance de quelques jours. Des prévisions d’un ensemble de trajectoires de ballons à partir du système de prévision statistique EPS (Ensemble Prediction System ; 51 prévisions) du CEPMMT ont été réalisées pour la première fois pour les campagnes VASCO (BPs de couche limite et Aéroclippers). Ce système donne la probabilité que la trajectoire du ballon soit satisfaisante. Des systèmes semblables sont maintenant utilisés pour d’autres campagnes de déploiement de ballons (y compris dans la stratosphère). Ce système doit être actualisé et adapté plus spécifiquement au suivi des trajectoires autour des cyclones tropicaux. Il existe en effet des simulations dédiées aux cyclones au CEPMMT. 3.2. REFERENCES Aberson, S.D., and J.L. Franklin, 1999 : Impact on hurricane track and intensity forecasts of GPS dropwindsonde observations from the first season flights of the NOAA Gulfstream IV jet aircraft. Bull. Amer. Meteor. Soc., 80, 421-­‐427. Burpee, R.W., J.L. Franklin, S.J. Lord, R.E. Tuleya and S.D. Aberson, 1996 : The impact of omega dropsondes on operational hurricane track forecast models. Bull. Amer. Meteor. Soc., 77, 925-­‐933. Businger, S., R. Johnson, and R. Talbot, 2006: Scientific Insights from Four Generations of Lagrangian Smart Balloons in Atmospheric Research. Bull. Amer. Meteor. Soc., 87, 1539–1554. Chou, K.-­‐H., and C.-­‐C. Wu, 2008 : Typhoon initialization in a mesoscale model – Combination of the bogused vortex and dropwindsonde data in DOTSTAR. Mon. Wea. Rev., 136, 865-­‐879. Duvel, J.P., C. Basdevant, H. Bellenger, G. Reverdin, A. Vargas, and J. Vialard, 2009: The Aeroclipper: A New Device to Explore Convective Systems and Cyclones. Bull. Amer. Meteor. Soc., 90, 63–71. Lin, P.-­‐H., and C.-­‐S. Lee, 2008 : The eyewall-­‐penetration reconnaissance observation of Typhoon Longwang (2005) with unmanned aerial vehicle, Aerosonde. J. Atmos. Oceanic Technol., 25, 15-­‐25. McGeer, T., and G. Holland, 1993 : Small autonomous aircraft for economical oceanographic observations on a wide scale. Oceanography, 6, 129-­‐135. Montgomery, M. T., M. E. Nicholls, T. A. Cram, and A. Saunders, 2006: A vortical hot tower route to tropical cyclogenesis. J. Atmos. Sci., 63, 355–386. Neumann, C.J., 1993 : Global guide to tropical cyclone forecasting. Chapter 1 : Global overview. WMO Tropical Cyclone Program, Report n° TCP-­‐31, 43 pp. Persing, J., and M. T. Montgomery, 2003: Hurricane superintensity. J. Atmos. Sci., 60, 2349–2371. Rotunno, R., and K. A. Emanuel, 1987: An air–sea interaction theory for tropical cyclones. Part II: Evolutionary study using a nonhydrostatic axisymmetric numerical model. J. Atmos. Sci., 44, 542–
561. Velden, C., B. Harper, F. Wells, J.L. Beven, R. Zehr, T. Olander, M. Mayfield, C.l. Guard, M. Lander, R. Edson, L. Avila, A. Burton, M. Turk, A. Kikuchi, A. Christian, P. Caroff, and P. McCrone, 2006: The 11
Dvorak Tropical Cyclone Intensity Estimation Technique: A Satellite-­‐Based Method that Has Endured for over 30 Years. Bull. Amer. Meteor. Soc., 87, 1195–1210. 4.
DESCRIPTION DE LA PROPOSITION
Cette proposition comporte cinq tâches principales: (i) le développement de l'Aéroclipper Cyclone; (ii) le développement d'une stratégie expérimentale; (iii) la campagne expérimentale; (iv) la publication des résultats scientifiques; (v) l'aide à la mise en place d'un système opérationnel. 4.1. LE DEVELOPPEMENT DE L'AEROCLIPPER CYCLONE Ceci est principalement une adaptation de la précédente version du système Aéroclipper testé avec succès au cours de VASCO en 2007. La majeure partie du nouveau développement concerne: o
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Une nacelle simplifiée d'acquisition et de transmission des mesures; un nouveau matériau pour le guiderope; un nouveau ballon. Une première version très simple, légère, bon marché et facile à déployer devra être conçue comme un démonstrateur. La mesure la plus importante à effectuer en continu dans l'œil du cyclone est la pression atmosphérique avec une précision de l'ordre de 1hPa (équivalent à 9-­‐10m de précision sur la hauteur de la nacelle au dessus du niveau moyen de la mer). La nacelle simplifiée pourrait donc être uniquement un système GPS-­‐IRIDIUM avec un baromètre fiable, robuste et testé pour une utilisation météorologique opérationnelle (responsabilité du LMD). Dans la mesure où cela n'influence pas significativement la masse et le coût du système, on pourra envisager d'ajouter un thermo-­‐hygromètre (responsabilité du LMD) permettant de mesurer l'enthalpie humide de l'atmosphère en surface. On n'envisagera pas de mesure à la surface de l'océan. La vitesse du vent pendant la phase de convergence sous le mur de l'œil serait estimée uniquement à partir de la vitesse du ballon déterminée à l'aide du GPS. Le système IRIDIUM, ou un équivalent, est nécessaire pour le suivi en temps réel (une transmission toutes les dix minutes pendant les phases critiques du cyclone). 4.2. LE DEVELOPPEMENT DE LA STRATEGIE EXPERIMENTALE ET DES TRAITEMENTS SCIENTIFIQUES Ce nouveau système d’observation des cyclones doit être associé à une nouvelle stratégie expérimentale. Cette stratégie expérimentale doit être développée à l'aide des algorithmes de simulation et d’analyse de trajectoires conçus pour les campagnes VASCO. 4.2.1. Stratégie expérimentale Les études seront menées pour: o
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Définir les conditions optimales de déploiement des Aéroclippers pour le bassin Indien Ouest. Ceci sera analysé en utilisant les climatologies de cyclones et les réanalyses ERA-­‐40 et ERA-­‐Interim (voir ci-­‐dessus). Ceci pourra être étendu à d'autres bassins; Analyser le degré de confiance que l’on peut accorder aux trajectoires convergentes calculées en utilisant des prévisions météorologiques; Analyser le degré de confiance que l’on peut accorder aux prévisions de cyclogenèse par le système EPS; Comparer des approches déterministe et statistique pour le déploiement des Aéroclippers. 12
4.2.2. Traitements scientifiques des mesures : Ces traitements concernent (liste non exhaustive): o
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Tests d’assimilation de données dans les modèles opérationnels ; Comparaisons avec la méthode Dvorak ; Analyse de la relation entre la dynamique de surface dans l’œil et la tendance de l’intensité du cyclone ; Calcul des flux turbulents à l’interface air-­‐mer (pour une version ultérieure de l’Aéroclipper) et de l'enthalpie humide le long des trajectoires convergentes; Analyse de la relation entre la variation de l’enthalpie humide dans l’œil et les phases de "super intensité" ; Validation des simulations des cyclones à haute résolution (Meso-­‐NH) ; Analyse du lien entre l’intensification du cyclone et l’activité électrique ; Validation de la relation entre la pression de surface dans l’œil et l’intensité des vents par utilisation complémentaire des mesures spatiales et des mesures in situ. 4.3. LA CAMPAGNE EXPERIMENTALE Une campagne est nécessaire pour démontrer que l’Aéroclipper est bien adapté à la surveillance des cyclones et peut contribuer à améliorer la prévision de leur trajectoire et de leur intensité (voir section "Contexte"). La réalisation de cette campagne de test pendant la campagne CINDY-­‐DYNAMO présente les avantages suivants: o
Cadre national et international stimulant avec de nombreuses mesures supplémentaires, de meilleures analyses météorologiques, et des prévisions potentiellement améliorées. o
Possibilité de déployer des Aéroclippers depuis l'île de Gan, voire même de Diego Garcia grâce au contexte international de CINDY-­‐DYNAMO. o
Possibilité de déployer des Aéroclippers depuis un des navires en novembre-­‐décembre 2011 4.4. PUBLICATION DES RESULTATS SCIENTIFIQUES Les résultats scientifiques de cette campagne (concept instrumental, physique des cyclones, intérêt opérationnel pour la prévision, etc.) seront publiés dans des revues scientifiques internationales. L’équipe proposante a démontré qu’elle savait valoriser les résultats expérimentaux et diffuser les résultats scientifiques. 4.5. INDUSTRIALISATION DE L'ENSEMBLE DE L'APPROCHE En cas de succès des tests sur l’utilité opérationnelle du système Aéroclipper (stratégie de déploiement, bon suivi de l’intensité, amélioration des prévisions par assimilation des données), le système instrumentale complet pourrait être industrialisé et les algorithmes de préparation et exécution de la stratégie expérimentale distribués aux différents CMRS. 13
5.
CALENDRIER PREVISIONNEL
On ne reporte ici que l’activité des laboratoires. Ce calendrier est en fait très fortement dépendant des décisions prises par la sous-­‐direction Ballon du CNES concernant le calendrier de la reprise des développements des composantes spécifiquement CNES (ballon, guiderope, nacelle de transmission). Fin 2010
Aéroclippers: o
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Etude et prototype de la nacelle simplifiée; Etude de faisabilité de l'expérience (lieux de déploiement, sécurité,...); Etude d'un ballon bon marché, du guiderope, et de l'ensemble du système allégé/simplifié. Modèles et analyses: o
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Poursuite des traitements des données VASCO avec comparaison à des simulations à haute résolution ; Préparation des traitements de la nouvelle campagne (assimilation des données) ; Etude de la stratégie expérimentale (trajectoires, prévision, etc.) ; Choix des lieux de déploiement optimaux pour l'Indien Sud-­‐ouest. 2011
Aéroclippers: o
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Intégration et test d’un prototype d’Aéroclipper allégé/simplifié; Fabrication de 10 modèles pour l'expérience de 2012. Modèles et analyses: o
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Etude de la stratégie expérimentale (trajectoires, prévision, etc.) – Suite ; Choix des lieux de déploiement optimaux pour pour l'Indien Sud-­‐ouest – Suite ; Préparation des traitements en lien avec les centres de prévisions (assimilation, etc.) ; Préparation du site Web de l’expérience. Janvier-mars 2012:
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Campagne Aéroclipper pendant CINDY-­‐DYNAMO (oct 2011-­‐mar 2012); 2012-2013:
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6.
Traitements et post-­‐traitements des mesures de l’expérience. Aide à la mise en place d'un système opérationnel PUBLICATIONS RECENTES DU RESPONSABLE SCIENTIFIQUE
Xavier, P.K., J.P. Duvel, P. Braconnot and F.J. Doblas-­‐Reyes, 2010: An evaluation metric for intraseasonal variability in climate models. Journal of Climate , 23, 3497-­‐3508. Bellenger, H., J.-­‐P. Duvel, M. Lengaigne, and P. Levan, 2009: Impact of organized intraseasonal convective perturbations on the tropical circulation, Geophys. Res. Lett., 36, L16703, doi:10.1029/2009GL039584. Bellenger, H., and J.P. Duvel, 2009: An Analysis of Tropical Ocean Diurnal Warm Layers. J. Climate, 22, 3629–
3646. Vialard, J., J.P. Duvel, M.J. Mcphaden, P. Bouruet-­‐Aubertot, B. Ward, E. Key, D. Bourras, R. Weller, P. Minnett, A. Weill, C. Cassou, L. Eymard, T. Fristedt, C. Basdevant, Y. Dandonneau, O. Duteil, T. Izumo, C. de Boyer Montégut, S. Masson, F. Marsac, C. Menkes, and S. Kennan, 2009: Cirene: Air—Sea Interactions in the Seychelles—Chagos Thermocline Ridge Region. Bull. Amer. Meteor. Soc., 90, 45–61 Duvel, J.P., C. Basdevant, H. Bellenger, G. Reverdin, A. Vargas, and J. Vialard, 2009: The Aeroclipper: A New Device to Explore Convective Systems and Cyclones. Bull. Amer. Meteor. Soc., 90, 63–71. Nguyen, H., and J.P. Duvel, 2008: Synoptic Wave Perturbations and Convective Systems over Equatorial Africa. J. Climate, 21, 6372–6388. 14
Vialard, J., G. R. Foltz, M. J. McPhaden, J. P. Duvel, and C. de Boyer Montégut (2008), Strong Indian Ocean sea surface temperature signals associated with the Madden-­‐Julian Oscillation in late 2007 and early 2008, Geophys. Res. Lett., 35, L19608, doi:10.1029/2008GL035238. Xavier, P.K., J.P. Duvel, and F.J. Doblas-­‐Reyes, 2008: Boreal Summer Intraseasonal Variability in Coupled Seasonal Hindcasts. J. Climate, 21, 4477–4497. Xavier, P.K., J.P. Duvel and F.J. Doblas-­‐Reyes, 2007: Representation of the tropical intraseasonal variability and its impact on seasonal predictability in a multi-­‐model ensemble. ECMWF Technical Memorandum 522. Bellenger, H. and J.P. Duvel, 2007: Intraseasonal Convective Perturbations related to the Seasonal March of the Indo-­‐Pacific Monsoons, Journal of Climate, 20, 2853-­‐2863. Duvel, J.P. and J. Vialard, 2007: Indo-­‐Pacific Sea Surface Temperature Perturbations Associated with Intraseasonal Oscillations of the Tropical Convection, Journal of Climate, 20, 3056-­‐3082. 7.
RESSOURCES HUMAINES DES LABORATOIRES PARTICIPANT AU PROJET
Nom, prénom Laboratoire 1 : LMD DUVEL Jean Philippe X** BELLENGER Hugo DANIS François Laboratoire 2 : LA ROUX Franck Laboratoire 3 : LACy PLU Matthieu BARBARY David BARTHE Christelle FAURE Ghislain Laboratoire 4 : CMRS Réunion CAROFF Philippe Titre ou grade Directeur de Recherche CDD IR Post-­Doc Professeur Chercheur Météo-­France Chercheur Météo-­France CR CNRS Chercheur Météo-­France Ingénieur MF Homme X mois en 2010-­2011 6 ; PI 12 ; Stratégie expérimentale 2 ; Préparation traitements 2 ; Test et choix des capteurs Expertise :Physique des cyclones – Co-­I 1 ;Assimilation cyclone – Co-­I 1 ;Modélisation haute résolution 1 ;Liens activité électrique 1 ;Assimilation cyclone Expertise : Aéroclippers temps réel -­ Dvorak **Il est souhaitable que le CDD puisse être recruté dès l'hiver 2010-­‐2011. 15