Physique de l'atmosphère

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1 Physique de l'atmosphère COURS 4 LES TROPIQUES L3 etdiplôme de l'ens Sciences de la Planète Terre B. Legras, legras@lmd.ens.fr,

2 I Etat moyen et cycle saisonnier II La mousson III ENSO IV Mode de Madden-Julian V Ondes tropicales VI Cyclones tropicaux 2

3 Les tropiques sont la région où le bilan radiatif est positif 3

4 4 Les tropiques sont la région de la circulation de Hadley : ascendance à l'équateur, subsidence vers 30 N/S et alizés vers l'ouest au sol.

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6 Maximums du vent à 200 hpa (350K ou 12,5 km) 6 Les tropiques sont la région de l'atmosphère située entre les deux maximums du vent zonal vers 30S et 30N.

7 Tropopaus e tropicale à 100 hpa (380K ou 17,5 km) 7 Dans les régions extra-tropicales, des mouvements adiabatiques peuvent s'effectuer entre le sol et la tropopause. Dans les tropiques, les gradients horizontaux de température sont faibles et tout mouvement vertical doit s'accompagner d'un échange thermique.

8 Convection profonde dans les tropiques T 200K TTL Folkins and Martins, Injection d'air dans la haute troposphère par la convection. L'humidité de la troposphère tropicale moyenne est réglée par la descente de l'air détrainé des nuages, l'évaporation des précipitations et les échanges avec les latitudes tempérées.

9 Vapeur d'eau 25 kg/m2 en moyenne Eau liquide 80 g/m2 en moyenne 9 ECMWF ERA-Interim

10 10 Humidité relative H=r/rS

11 11 ECMWF ERA-Interim

12 12 E ~ C V (1 H) rs où H l'humidité relative r/rs au dessus de la surface. E est fortement contrainte par le flux radiatif net à la surface. E est principalement distribué dans la région subtropicale d'hiver Transport vers l'itcz et convergence en raison des alizés et de la branche basse de la circulation de mousson

13 II.3 Circulation méridienne de Hadley dans la zone tropicale 13 Vitesse verticale w = Dp/Dt

14 Radiation IR sortante en janvier et juillet Janvier 2001 Juillet

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16 I Etat moyen et cycle saisonnier II La mousson III ENSO IV Mode de Madden-Julian V Ondes tropicales VI Cyclones tropicaux 16

17 17 Les moussons en Asie, en Australie et en Afrique Pression de surface et vents à 935 hpa. En bleu : OLR < 200 W/m2. Ligne de dépressions de surface en rouge tireté.

18 Webster Vent et transport de chaleur induit dans l'océan superficiel 18

19 Circulation divergente des moussons d'asie et d'australie Webster 19

20 Circulations de mousson : couplage avec les régions de subsidence 20

21 Fluctuations des pluies de la mousson indienne 21

22 Mode de variation bi-annuel de la mousson 22

23 Evènement chaud dans l'océan Indien 23 Webster

24 I Etat moyen et cycle saisonnier II La mousson III ENSO IV Mode de Madden-Julian V Ondes tropicales VI Cyclones tropicaux 24

25 SOI=P(Tahiti) P (Darwin) normalisée 25

26 SOI= différence de pression normalisée entre Tahiti et Darwin (AU) En rouge épisodes chauds (El Nino), en bleue épisodes froids 26

27 Température de l'océan pendant un cycle El Nino - La Nina 27

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29 29

30 I Etat moyen et cycle saisonnier II La mousson III ENSO IV Mode de Madden-Julian V Ondes tropicales VI Cyclones tropicaux 30

31 Oscillation de Madden-Julian 60_90 jours Vers l'est 31

32 Structure de la MJO 32

33 Composite de la MJO pendant l'hiver Anomalie : OLR / T Grisé : - / Hachuré : + / + 33

34 I Etat moyen et cycle saisonnier II La mousson III ENSO IV Mode de Madden-Julian V Ondes tropicales VI Cyclones tropicaux 34

35 Propagation d'ondes dans les tropiques 35

36 Les modes de la variabilité tropicale (version eau peu profonde, pas de dépendance verticale) H+η Les équations de base linéarisées Approximation du plan β équatorial t u β y v= g x η t v+ β y u= g y η G t η+ H ( x u+ y v)= ρ 36

37 Modes libres: cas particulier, l'onde de Kelvin (pas de vitesse en y: v=0) Dans le cas de l'onde de Kelvin, les équations L'onde de Kelvin se propage vers l'est se ramènent à Pour c 30 m s 1, la largeur de l'onde 1/ 2 t u= g x η est environ 2c / 1600 km Dans l'océan, c est bien plus petit, t η+ H x u=0 1 c 0,5 3 m s, d'où une largeur β y u= g y η de km En posant u=u( y)exp i (k x wt ) et η= η ( y)expi (k x wt ) On obtient w u=g k η et w η+ k H u= d'où w =c k (avec) c =g H Le signe de w/ k est fixé par la troisième relation β y k y η= w η w/ k doit être positif pour que l'onde reste confinée β k 2 β y 2 sous la forme η =η0 exp( y )=η0 exp( ) 2w 2c 37

38 Mode de Kelvin 38

39 Example de mode de Kelvin atmosphérique 39

40 Modes libres: cas général Après quelques manipulations, on obtient une équation pour la seule variable v 1 t { 2 ( t v+β2 y 2 v) ( x v + y v )} β x v=0 c En posant encore v= v^ ( y)exp(i(k x w t )), on obtient βk β y 2 2 w d y v^ +( 2 k w ²) v^ =0 c c On connaît les solutions de cette équation sous la forme β 1/2 β y 2 v^ =H n (( ) y)exp( ) c 2c où H n est un polynôme de Hermite et on vérifie w2 k 2 β k =(2 n+1) β w c c

41 Relation de dispersion des ondes équatoriales libres Modes de gravité n=-1 : mode de Kelvin n= 0: mode de Rossby-gravité Modes de Rossby Gill,

42 Mode de Kelvin équatorial Mode de Rossby-gravité 42

43 Mode de Rossby, Symétrique par rapport à l'équateur, se propageant vers l'ouest 43

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45 Ondes forcées, réponse stationnaire On doit ajouter un amortissement pour limiter l'amplitude de la réponse. Cet amortissement peut être interprété comme une friction pour u et v. On peut aussi l'interpréter comme une relaxation thermique pour l'équation de continuité. On prend le même coefficient pour simplifier Les équations se ramènent à: α u β y v= g x η α v+β y u= g y η G α η+ H ( x u+ y v)= ρ G w=α η ρ Résolution pour un forçage centré sur l'équateur 45 Gill, 1980, fig.1

46 H H L L 46

47 geopotentiel et vents à 100 hpa anticyclones Convection (chauffage) observations théorie 47 47

48 I Etat moyen et cycle saisonnier II La mousson III ENSO IV Mode de Madden-Julian V Ondes tropicales VI Cyclones tropicaux 48

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50 50 DINA - 22 janvier 2002

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52 Cycle de vie d'un cyclone Atlantique typique NOAA 52

53 M.D. Leroux, Météo France 53

54 Distribution de probabili uniforme 54

55 Catégorie 1 Catégorie 5 Catégorie 3 Catégorie 2 55

56 Précipitations obtenues à partir du radar à 13 Ghz de TRMM. 56

57 Image composite à partir des images du cyclone Rita mesuré par le radar ELDORA sur avion. 57

58 Mur de nuages à l'intérieur de l'oeil du cyclone (photo prise depuis un avion «chasseur de cyclones») 58

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62 Pression (hpa) Mouvements verticaux dans un cyclone tropical Température potentielle équivalente Mouvements ascendants Distance radiale (km) 62 Vitesse tangentielle

63 ue q i at isotherme chauffage par évaporation 63 isotherme refroidissement radiatif adi ab adi a b Le cyclone comme machine de Carnot a e u q ti