Cyclones Tropicaux

Cyclones Tropicaux
Frank ROUX
(Laboratoire d’Aérologie, Observatoire Midi-Pyrénées)
•
•
•
•
•
Climatologie
Cyclogénèse
Structure à maturité
Changements d’intensité
Evolution climatique
1
DEFINITION
Selon le « Vocabulaire Météorologique International » de
l’OMM , un cyclone tropical (ouragan, typhon) est une
perturbation :
• d’échelle synoptique (qq 100 à qq 1000 km) ,
• non-frontale (masse d’air homogène) ,
• se produisant sur les océans tropicaux ou subtropicaux ,
• avec une activité convective organisée ,
• une circulation cyclonique des vents de surface.
Catastrophes naturelles extrêmes :
2 x >300 000 morts (Bangla Desh , 1970 & 1991)
>120 milliards de $ de dommages (Katrina, 2005)
2
ECHELLES D’INTENSITÉ (1)
Perturbation Tropicale : région
d’intense activité convective avec
des vents de surface d’intensité
modérée, et un début de rotation
cyclonique.
Dépression Tropicale :
Circulation fermée avec des
vents (moyennés sur 1 à 10 min)
<17 ms-1 (61 km/h)
800 km
Tempête Tropicale :
vents compris entre 17 et 32 ms-1
(61-115 km/h)
Cyclone Tropical (Ouragan,
Typhon) : formation d’un œil,
vents >32 ms-1 (115 km/h)
Cloud Top
Temperature (°C)
3
ECHELLES D’INTENSITÉ (2)
Echelle de Saffir-Simpson (1977, à partir de dommages observés … )
Classification
N Atl & NE Pac
(1-min avg)
Indian
Maximum
Ocean
Wind Speed
(10-min avg) (m/s) (km/h)
Minimum
Pressure
(hPa)
Storm Surge
(m)
Damage
Level
Tropical
Depression
Weak TD
<17
< 61
Not
Applicable
Not
Applicable
None or
Minimal
Tropical
Storm
Weak TS
17-32
61-117
Not
Applicable
Not
Applicable
Minimal
33-42
118-153
> 980
1.0 - 1.7
Minimal
43-49
154-177
965 - 979
1.8 - 2.6
Moderate
50-58
178-209
945-964
2.7 - 3.8
Extensive
59-69
210-248
920 - 944
3.9 - 5.6
Extreme
>69
> 248
< 920
> 5.6
Catastrophic
Category 1:
Hurricane /
Typhoon
Category 2:
Major Hurricane
/Typhoon
Category 3:
Major Hurricane
/Typhoon
Category 4:
Major Hurricane
/Typhoon
Category 5:
Major Hurricane
/Super Typhoon
Strong TS
Tropical
Cyclone
Intense
Tropical
Cyclone
Very Intense
Tropical
Cyclone
4
Echelle de Dvorak
(à partir d’images
satellites)
ECHELLES D’INTENSITÉ (3)
1975 : VIS, 1984 : VIS + IR
! Calibrée uniquement
sur N Atl & NW Pac
Current
Intensity
(CI)
Vmax
<1 min>
(km/h)
Vmax
<10 min>
(km/h)
1
40
35
TD
1,5
50
44
TD
2
60
53
1009
1000
TD
2,5
70
62
1005
997
TS
3
80
71
1000
991
TS
3,5
95
85
994
984
TS
4
115
100
987
976
1
4,5
140
125
979
966
1
5
165
145
970
954
2
5,5
190
165
960
941
3
6
215
190
948
927
4
6,5
235
205
935
914
4
7
260
230
921
898
5
7,5
290
255
906
879
5
8
330
290
890
858
55
Pmin
(N Atl)
Pmin
(NW Pac)
SaffirSimpson
CLIMATOLOGIE (1)
6
CLIMATOLOGIE (2)
Annuellement & globalement : 80-90 tempêtes tropicales
40-50 cyclones tropicaux7
Hémisphère Nord (Jun-Nov)
30 NOV
01 NOV
30 AVR
SW Indian
NW Pacific
TDs
SE Indian
TCs
NE Pacific
30 NOV
N Atlantic
01 NOV
30 AVR
SW Pacific
01 JUN
CLIMATOLOGIE (3)
01 JUN
North Indian
Hémisphère Sud
(Nov – Avr)
8
CLIMATOLOGIE (4)
Sur un même bassin, l’activité cyclonique varie en
nombre, en intensité et en localisation selon la saison.
JUIN
AOUT
OCTOBRE
JUILLET
SEPTEMBRE
NOVEMBRE
9
CLIMATOLOGIE (5)
Le nombre annuel global de Tempêtes Tropicales et de
Cyclones Tropicaux varie de ±10% , mais la variabilité
interannuelle est beaucoup plus forte sur les différents bassins
océaniques (jqà ± 50%) en réponse aux perturbations « locales »
1996 : 13 tempêtes & cyclones,
1997 : 7 tempêtes & cyclones,
La Niña 47 « jours cycloniques »
El Niño
10
9 « jours cycloniques »
CYCLOGENESE TROPICALE (1)
• La température de l ’océan (en surface et sur
≈50 m de profondeur) doit être supérieure à 26°C
→ l ’humidité évaporée à la surface de l ’océan
sature les basses couches atmosphériques et les
rend convectivement instables (cumulonimbus)
• La vitesse du vent doit être faible dans toute la
troposphère (0-15 km d ’altitude)
→ des vents trop forts ou variables avec l’altitude
inclinent le tourbillon et empêchent l’équilibre
du « vent thermique »
11
CYCLOGENESE TROPICALE (2)
• La troposphère (0-15 km d ’altitude) doit
être humide, surtout entre 4 et 8 km
→ l ’évaporation des précipitations dans
l ’air sec refroidit les basses couches
et réduit leur instabilité
• Un mouvement convergent et
cyclonique doit être présent
en-dessous de 10 km d’altitude
→ la latitude doit être > 5
→ lien avec les perturbations
de grande échelle de
l’atmosphère tropicale
20°N
10°N
12
CYCLOGENESE TROPICALE (3)
• Un mouvement divergent et anticyclonique doit être
présent au-dessus de 10 km d ’altitude
→ faciliter l ’évacuation en altitude, souvent sous la
forme de « jets » dirigés vers le pôle
→ rôle mal connu des « thalwegs tropicaux d’altitude »
13
CYCLOGENESE TROPICALE (4)
Houze 2010
MWR, 138, 293-344
(a)Les « vortical hot towers » VHTs sont de puissants
nuages convectifs accompagnés d’un fort
mouvement de rotation dû à la concentration du
tourbillon ambiant.
14
Une VHT observée par radar aéroporté
lors de la cyclogenèse du cyclone tropical Ophelia (2005)
Reflectivité
y = 19 km
Tourbillon
relatif
z = 8 km
15
Houze 2010
MWR, 138, 293-344
CYCLOGENESE TROPICALE (5)
Houze 2010
MWR, 138, 293-344
(b) Les VHTs se dissipent en qq heures alors que d’autres se
forment. Leurs tourbillons cycloniques persistent au sein des
masses pluvio-nuageuses stratiformes sous la forme d’un
« mesoscale convective vortex » MCV.
(c) Le MCV peut rester actif plusieurs heures après la dissipation
complète des VHTs.
16
CYCLOGENESE TROPICALE (6)
Houze 2010
MWR, 138, 293-344
(d) Le processus d’ « axisymétrisation » redistribue les composantes
tourbilonnaires des VHTs et des MCVs en un mouvement cohérent
autour du centre dépressionnaire, phase préalable à la mise en
place d’une circulation cyclonique organisée qui va ensuite
s’intensifier.
17
STRUCTURE A MATURITE
Bandes externes
Mur de l ’OEil
Œil
Circulation primaire : tangentielle (qq 10 m/s)
Circulation secondaire: radiale et verticale (qq m/s)
18
LA CIRCULATION PRIMAIRE
L ’accélération du vent tangentiel (
) équilibre la
force centripète vers la dépression centrale (D
D) ;
Cette dépression hydrostatique (D) est due à la présence
d ’air chaud en altitude ;
→ EQUILIBRE DU VENT THERMIQUE
D
D
19
LE CYCLONE COMME UNE MACHINE THERMIQUE (1) :
Le « Cycle de Carnot » équivalent (Emanuel 1986, Nature, 323, 483-485)
Altitude
« Source Froide » à T=TTROPO
Rayonnement infrarouge ⇒ θE ↓
Circulation de grande échelle ⇒ Μ ↑
Dans le Mur de l ’Œil :
θE1> θE0 et M1< M0
Humidité de l ’air → Chaleur + Précip.
D<100 km : 10 cm/jour ⇔ 3000 W/m2
[ 1 cyclone ≈ 2500 centrales nucléaires ]
Pmin, Vmax =
f (Tocéan,Ttropo, Latitude)
« Source Chaude » à T=TOCEAN
Flux d ’humidité ⇒ θE ↑
Frottement sur la surface ⇒ Μ ↓
Energie thermique: θE0
Moment angulaire: M0
Distance au centre
20
LE CYCLONE COMME UNE MACHINE THERMIQUE (2) :
Pompage de la chaleur océanique (a)
13-20 Août 1999
21-24 Août 1999
21
LE CYCLONE COMME UNE MACHINE THERMIQUE (3) :
Pompage de la chaleur océanique (b)
Diminution d’intensité de Rita
avant l’arrivée sur la côte texane
Diminution de l’energie
thermique disponible
dans le golfe du Mexique
22
LE CYCLONE COMME UNE MACHINE THERMIQUE (4) :
Intensité Maximum Potentielle (MPI) « climatologique »
Pmin, Vmax =
f (Tocéan,Ttropopause, Latitude)
NB : très peu de cyclones
atteignent cette MPI !!!
23
LE CYCLONE VU COMME UNE MACHINE THERMIQUE (5) :
Intensité Maximum Potentielle [ Pmin , Vmax ] , latitude = 20°
Changement climatique ?
ACTUEL
(300 km/h)
(250 km/h)
(200 km/h)
(150 km/h)
(100 km/h)
24
LA CIRCULATION SECONDAIRE (1)
25
LA CIRCULATION SECONDAIRE (2)
Jorgensen 1984 (J. Atmos. Sci., 41, 1287-1311) :
A conceptual model for the inner core of Hurricane Allen (1980)
26
LA CIRCULATION SECONDAIRE (3)
Liu et al. 1999 (Mon. Wea. Rev., 127, 2597-2616) :
Structure axisymétrique simulée (maille horizontale 6-km) d’un cyclone :
• Flux entrant (sortant) en couche limite (haute troposphère)
• Ascendance dans le mur de l’œil où le vent tangentiel est le plus fort
• Inversion dans l’œil avec de l’air très chaud et sec au-dessus,
et de l’air humide plus frais en dessous
Wind & reflectivity
Tangential wind
Radial wind
Vertical velocity
Temperature
perturbation
Relative humidity
27
LA CIRCULATION SECONDAIRE (4)
composite of airborne Doppler observations
Rogers et al. 2012
Mon. Wea. Rev., 140, 77-99
28 28
Quels facteurs contrôlent l’intensité réelle d’un cyclone
par rapport à son intensité maximum potentielle ?
• Facteurs internes : dynamique du Mur de l’Œil et des
bandes externes, …
• Facteurs externes : température de l’océan, cisaillement
29
de vent, zones sèches, structures d’altitude, …
LA CIRCULATION SECONDAIRE (5) :
Sources « convectives » dans un environnement en
équilibre du vent thermique
Willoughby et al. 1982
J. Atmos. Sci., 39, 395-411
Source
de chaleur
Source
de moment
30
LA CIRCULATION SECONDAIRE (6) : Evolution
Vitesse
tangentielle
(m/s)
Augmentation
de la vitesse
Diminution
de la vitesse
31
LA CIRCULATION SECONDAIRE (7) :
Cycle de remplacement des Murs de l ’Œil (a)
32
LA CIRCULATION SECONDAIRE (7) :
Cycle de remplacement des Murs de l ’Œil (b)
33
LA CIRCULATION SECONDAIRE (7) :
Cycle de remplacement des Murs de l ’Œil (c)
34
LA CIRCULATION SECONDAIRE (7) :
Cycle de remplacement des Murs de l ’Œil (d)
35
INFLUENCES EXTERNES
• Cisaillement de vent
• Air sec
• Perturbations d’altitude
• Arrivée sur les terres
• Transition extra-tropicale
•…
36
CHANGEMENTS CLIMATIQUES
• Variabilité passée
• Evolution future
37
VARIABILITÉ PASSÉE (1)
Difficultés : Des données fiables ne sont disponibles que depuis
peu de temps (au sens climatologique … )
>1850 : Relevés d’observations sur terre et en mer (N Atl, N Pac)
>1945 : Réseau de radiosondages & missions aéroportées
( Atlantique Nord & Pacifique Nord-Ouest jusqu’à 1987 )
>1965 : Satellites météo LEO ( VIS & IR)
>1975 : Satellites météo GEO ( VIS & IR, SW Indien >1998 )
>1990 : Imageurs & sondeurs micro-ondes, diffusiomètres,
radars, …
!!! Des bases de données climatologiques inhomogènes peuvent
induire des artefacts d’évolution décennale …
!!! Les techniques satellite validées sur l’Atlantique Nord (et le
Pacifique Nord-Ouest) sont appliquées à l’identique sur les autres
bassins …
38
VARIABILITÉ PASSÉE (2)
Webster et al. 2005
Science, 309, 1844-1846
La température de surface des océans tropicaux
a augmenté d’environ 0.5°C entre 1970 et 2004
39
VARIABILITÉ PASSÉE (3)
Webster et al. 2005
Science, 309, 1844-1846
Les données globales
ne montrent pas de
tendance
statistiquement
significative.
On remarque en
revanche une forte
variabilité
interannuelle à multidécennale.
40
VARIABILITÉ PASSÉE (4)
Webster et al. 2005
Science, 309, 1844-1846
Individuellement,
les différents
bassins ne montrent
pas de tendance
significative à long
terme.
Seul l’océan
Atlantique révèle
une plus grande
activité depuis 1995
(compensée par une
réduction sur le
Pacifique NW).
41
VARIABILITÉ PASSÉE (5)
Webster et al. 2005
Science, 309, 1844-1846
Emanuel 2005
Nature, 436, 686-688
Le nombre de
cyclones de
catégorie SS ≤3
a diminué, mais
ceux de
catégorie 4 et 5
ont fortement
augmenté en
nombre et en
proportion, sur
tous les bassins.
42
VARIABILITÉ PASSÉE (6)
La variabilité des
températures de surface de
l’Atlantique tropical est
dominée par l’ “Oscillation
Multi-décennale Atlantique”
Phase + :
∆SST>0 [0-25°N, 40-60°N]
1870-1900, 1925-1965, 1995-…
Activité cyclonique ↑
Phase - :
∆SST<0 [0-25°N, 40-60°N]
1900-1925,1965-1995,
Activité cyclonique ↓
Goldenberg et al. 2001
Science, 293, 474-479
Temporal reconstruction of the mode-related SST
variability
Perturbations de SST
associées à l’ « Oscillation
Multidécennale Atlantique »
43
LES CYCLONES DU FUTUR (1)
Evolution de la température moyenne globale de surface
5e Rapport du GIEC (2013) : le réchauffement prévu pour le 21e
siècle dépasse les précédents historiques …44
LES CYCLONES DU FUTUR (2)
Les cyclones sont identifiés dans les modèles numériques
de climat par :
• le comptage de tourbillons tropicaux à cœur chaud
• la présence de conditions favorables d’environnement
Mais :
• les méthodes sont calibrées sur des simulations du présent
• il y a des variations entre modèles et selon les méthodes
• la plus haute résolution (<50 km) donne de meilleurs résultats
45
LES CYCLONES DU FUTUR (3) : activité
• Il est vraisemblable que l’activité cyclonique globale
reste inchangée ou diminue dans les décennies à venir.
• Pour la fin du XXIe siècle, les modèles indiquent une
diminution de -5 to -35% du nombre annuel de cyclones.
• Cela est lié à un affaiblissement de la convection
tropicale à cause du plus fort réchauffement de la haute
troposphère et de l’assèchement relatif de la basse et
moyenne troposphère.
• Le seuil de température de l’océan (actuellement 26°C)
pour la formation des cyclones augmente avec le
réchauffement global.
46
LES CYCLONES DU FUTUR (4) : activité
• La décroissance de l’activité cyclonique devrait être plus
marquée dans l’hémisphère sud à cause d’un moindre
réchauffement océanique et d’un accroissement du
cisaillement de vent.
• Des variations locales de la température de l’océan
(dépendant des modèles et des scénarios) pourraient
moduler plus fortement l’activité des différents bassins.
• Il faut également prendre en compte l’influence de la
variabilité naturelle pluri-annuelle à multi-décennale,
superposée au réchauffement global
47
LES CYCLONES DU FUTUR (5) : intensité
• Tous les modèles à haute résolution (≤50 km
horizontalement) indiquent une tendance à
l’intensification.
• Globalement, les vents les plus forts pourraient
augmenter de +2 à +10% (soit une diminution de -5 à
-20% de la pression centrale).
• Mais sur les différents bassins, les résultats varient
de ±15% ou plus.
• La tendance est à une plus grande proportion
d’évènements intenses (et à un moindre nombre
d’évènements faibles), mais pas forcément sur tous
les bassins.
48
LES CYCLONES DU FUTUR (6) : précipitations
• L’atmosphère plus chaude peut contenir plus
d’humidité. Les précipitations devraient donc être plus
fortes.
• Les cyclones tropicaux plus intenses du futur pourraient
renforcer ce phénomène en accroissant les flux océanatmosphère.
• Les modèles climatiques à haute résolution indiquent
une augmentation globale des pluies cycloniques de +5 à
+40%.
• Cela peut concerner l’intensité des précipitations ou
l’extension des zones précipitantes …
49
LES CYCLONES DU FUTUR (7) : impacts
• Les zones exposées aux cyclones tropicaux ne devraient
pas beaucoup changer. Peut-être un décalage vers les
latitudes sub-tropicales ?
• L’Europe de l’Ouest pourrait-elle être indirectement
plus exposée ? Des « cyclones » pourraient-ils de
développer en Méditerranée ?
• La vulnérabilité des îles et des régions côtières au
risque cyclonique augmente en raison :
• de l’élévation du niveau de la mer ;
• des cyclones plus intenses (vent & pluie)
• des populations plus nombreuses et des
infrastructures plus complexes …
50
51