Rapport de Météo La formation du cyclone «Kurt» Mars 2012 Laura Hermozo Adrien Napoly 2A Hy SEE Adrien Napoly Laura Hermozo 1/16
Table des matières I.Origine du cyclone : l'instabilité barocline...4 A. Caractéristiques d'une zone barocline...4 B.Instabilité barocline : cisaillement vertical...6 II.L'interaction des instabilités barocline : naissance du cyclone...7 A.Croissance barocline...7 B. Application à la formation de la dépression d'islande...9 i.observation en 3D...9 ii.observation en 2D...10 C.Condition de verrouillage et mort du cyclone...13 Index des illustrations Illustration 1: Carte représentant le Jet dans l'hémisphère Nord...4 Illustration 2: Carte du Nord de l'océan Atlantique représentant le trajet de la perturbation barocline...5 Illustration 3: Carte du gradient de température caractérisant la perturbation barocline à l'origine du cyclone...6 Illustration 4: Schéma représentant la rétroaction positive - mécanisme de développement barocline...9 Illustration 5: Représentation idéalisée de l'interaction barocline constructive entre deux structures tourbillonnaires. Une au sol et l'autre à la tropopause dans un courant Jet, les flèches dégradées grises représentes les vitesses verticales associées...9 Illustration 6: Étirement des tourbillons au sol et à la tropopause le 25 décembre 1999, à l'instant T1...13 Illustration 7: Représentation en 3 dimensions de l'étirement des tourbillons au sol et à la tropopause, le 26 décembre 1999, à l'instant T2...13 Illustration 8: Cartes de géopotentiel à z=500hpa et de pression au sol - Source météociel...15 Illustration 9: Cartes de géopotentiel à z=500hpa et de pression au sol - Source météociel...16 Illustration 10: Carte de géopotentiel à z=500hpa et de pression au sol - Source météociel...17 Illustration 11: Carte de géopotentiel à z=500hpa et de pression au sol - Source météociel...17 Illustration 12: Vitesses de déplacement des perturbations baroclines au sol et à la tropopause...18 Illustration 13: Représentation en 3 dimensions de l'étirement des tourbillons au sol et à la tropopause, le 26 décembre 1999, à l'instant T3...19 Adrien Napoly Laura Hermozo 2/16
Introduction Dans le cadre de notre projet de météorologie, nous avons voulu nous intéresser à la tempête «Kurt», dite «Dépression d'islande» de décembre 1999, de laquelle est issue la tempête Lothar qui a ravagé la France le 26 décembre. Ces tempêtes sont dues au courant Jet et à l'existence d'une zone barocline dans les moyennes latitudes, c'est à dire une zone de variation thermique continue due au rayonnement solaire sur l'axe équateur - pôle nord. Venant de l'ouest elles touchent régulièrement la France avec plus ou moins d'intensité. La description des causes d'un tel phénomène météorologique étant très complexe, nous nous intéresseront aux mécanismes principaux de développement d'un tempête. Pour cela, nous expliquerons dans un premier temps ce qu'est, et d'où provient une instabilité barocline, Puis nous verrons que c'est l'influence de la présence de deux instabilités d'altitudes différentes l'une sur l'autre qui a permis le développement de la tempête «Kurt». Adrien Napoly Laura Hermozo 3/16
I. Origine du cyclone : l'instabilité barocline A. Caractéristiques d'une zone barocline Les zones baroclines, situées au niveau des moyennes latitudes, sont caractérisées par deux phénomènes climatiques : un vent d'ouest puissant, appelé le Jet, situé à la Tropopause (à environ 10 km) et atteignant des vitesses de plus de 200 km/h ; des variation de températures très marquées tout au long de l'année, selon l'axe Nord-Sud, avec des températures toujours plus froides vers les hautes latitudes et plus chaudes dans la direction de l'équateur. Bien que le vent zonal soit appelé «vent d'ouest», celui-ci ne se déplace pas de manière strictement parallèle aux moyennes latitudes mais subit des ondulations caractérisées par des minima et des maxima de pression, formant ainsi une onde barocline. Ces perturbations sont maximales au sol et à la Tropopause. Illustration 1: Carte représentant le Jet dans l'hémisphère Nord Cette onde est à l'origine de circulations d'échelle synoptique caractérisées par la formation de systèmes nuageux s'enroulant dans le sens cyclonique, et par des précipitations importantes. On parle ainsi d'instabilité barocline. Adrien Napoly Laura Hermozo 4/16
Trajet de la perturbation barocline : cyclone «Kurt» Illustration 2: Carte du Nord de l'océan Atlantique représentant le trajet de la perturbation barocline Notons que ces perturbations du climat sont plus conséquentes en hiver (c'est en décembre 1999 qu'est née la tempête «Lothar», créée par le cyclone «Kurt»). De plus, elles naissent généralement à l'ouest des océans, avant de se propager vers l'est. Illustration 3: Carte du gradient de température caractérisant la perturbation barocline à l'origine du cyclone Adrien Napoly Laura Hermozo 5/16
Lorsque la perturbation s'amplifie, l'onde se déforme de manière significative et les gradients se resserrent. Ce resserrement est visible sur la carte des gradients de température au niveau de la latitude 45 Nord, le 26 décembre 1999. On observe nettement, ici, une décroissance horizontale intense et irrégulière de la température. B. Instabilité barocline : cisaillement vertical Les ondes baroclines sont à l'origine de la création de tourbillons, appelés anomalies de tourbillons (flèche verte sur le schéma). Ces derniers, associés à l'irrégularité de décroissance de température, font apparaitre un cisaillement vertical du vent zonal (flèches bleue et rouge, en gras, sur le schéma). Ceci permet de restaurer les équilibres hydrostatique et géostrophique. NORD (froid) froid chaud SUD (chaud) Dessin 1: Mécanisme responsable des vitesses verticales Ainsi, une anomalie positive (cas d'une dépression) engendrera une ascendance en aval de la perturbation et une subsidence en amont. Ce sont essentiellement ces vitesses verticales de vent qui vont amorcer une perturbation de nature tempétueuse. En effet, nous allons voir comment une anomalie à la Tropopause peut en influencer une autre au sol (et vice-versa). Adrien Napoly Laura Hermozo 6/16
II.L'interaction des instabilités barocline : naissance du cyclone A. Croissance barocline Il se produit parfois un phénomène de résonance entre un tourbillon en surface, situé en aval du courant et un tourbillon près de la Tropopause, situé en amont. Cette résonnance est marquée par l'amplification de ces deux perturbations. Dans ce cas, la maximum d'ascendance créé par l'onde à la Tropopause étire le tourbillon au sol (flèche verte sur le schéma ci-dessous) et le maximum de subsidence du tourbillon au sol étire le tourbillon à la Tropopause (flèche jaune sur le schéma ci-dessous). Illustration 4: Schéma représentant la rétroaction positive - mécanisme de développement barocline Les tourbillons tournent donc plus vite, ce qui est à l'origine de la phase de croissance barocline. L'air ascendant traverse alors la Troposphère, depuis la surface jusqu'au courant jet, en créant la dépression au sol. Adrien Napoly Laura Hermozo 7/16
Illustration 5: Représentation idéalisée de l'interaction barocline constructive entre deux structures tourbillonnaires. Une au sol et l'autre à la tropopause dans un courant Jet, les flèches dégradées grises représentes les vitesses verticales associées B. Application à la formation de la dépression d'islande i. Observation en 3D On observe, sur la carte qui suit, l'instant précédent la rencontre des deux anomalies de tourbillons au sol et à la Tropopause du cyclone «Kurt». Adrien Napoly Laura Hermozo 8/16
Anomalie à la Tropopause Anomalie au sol Illustration 6: Étirement des tourbillons au sol et à la tropopause le 25 décembre 1999, à l'instant T1 Illustration 7: Représentation en 3 dimensions de l'étirement des tourbillons au sol et à la tropopause, le 26 décembre 1999, à l'instant T2 Adrien Napoly Laura Hermozo 9/16
Cette deuxième carte met en évidence le mécanisme de rétroaction positive entre les deux anomalies. En effet, on peut remarquer que chaque tourbillon est plus étiré qu'à l'instant T1 par l'influence des vitesses verticales. Il en résulte que la valeur de ces tourbillons augmente, et donc l'intensité de la tempête aussi. ii. Observation en 2D En termes de pression, nous pouvons également apprécier l'évolution de cette croissance barocline, en observant la dépression au sol (repérée par les isobares) et entre le minimum de géopotentiel à 500hPa. Bien que le niveau de la Tropopause soit situé aux alentours de 300hPa, nous avons considéré la surface 500hPa pour définir l'anomalie de haute altitude. Illustration 8: Cartes de géopotentiel à z=500hpa et de pression au sol - Source météociel Adrien Napoly Laura Hermozo 10/16
Illustration 9: Cartes de géopotentiel à z=500hpa et de pression au sol - Source météociel On remarque clairement la phase de rencontre des deux anomalies tourbillonnaires sur les deux premières cartes. En effet, les bas géopotentiels à l'ouest se rapprochent des basses pressions à l'est. Adrien Napoly Laura Hermozo 11/16
Illustration 10: Carte de géopotentiel à z=500hpa et de pression au sol - Source météociel Illustration 11: Carte de géopotentiel à z=500hpa et de pression au sol - Source météociel Adrien Napoly Laura Hermozo 12/16
Sur les deux dernières cartes, les deux minima sont pratiquement superposés, il y a interaction entre les deux tourbillons. On voit d'ailleurs que le minimum de pression au sol est abaissé de 960 à 945 hpa, comme ce qui a été annoncé précédemment. Nous sommes alors dans le cas du verrouillage vertical des deux ondes. C. Condition de verrouillage et mort du cyclone Pour que les deux instabilités soient verrouillées, c'est-à-dire que le déphasage soit maintenu entre l'onde à la Tropopause et sol, et que leur croissance soit maintenue, il faut qu'elles se déplacent à la même vitesse. Chacune des deux anomalies se déplace à la vitesse U+C, avec : U : la vitesse du vent zonal C : la vitesse de déplacement de l'onde Dans le cas de la dépression, et pour l'onde barocline située au niveau de la Tropopause, une anomalie froide est associée à une anomalie positive. L'onde barocline se déplace vers l'ouest par rapport au vent zonal (qui est d'ouest en Est, dans l'hémisphère Nord). Cependant la célérité de l'onde est faible devant celle du Jet, ce qui entraine un déplacement de l'instabilité vers l'est. Au niveau du sol, une anomalie chaude est associée à une anomalie positive. Ceci entraine l'instabilité à se diriger vers l'est. La vitesse du vent zonal au sol étant quasi-nulle, on obtient un déplacement de l'instabilité barocline vers l'est également. Le schéma ci-dessous représente la rencontre des deux instabilités baroclines du cyclone Kurt, lors de son apogée. Pour que son intensité soit maintenue, il faut : U tropo +C tropo =U sol +C sol Ctropo Utropo Usol Csol Illustration 12: Vitesses de déplacement des perturbations baroclines au sol et à la tropopause Adrien Napoly Laura Hermozo 13/16
Lorsque l'instabilité d'altitude dépasse l'onde au sol, les vitesses verticales s 'opposent et tendent donc réduire les tourbillons et donc leur intensité. On assiste alors à une rétroaction négative qui mène à la mort barocline. Illustration 13: Représentation en 3 dimensions de l'étirement des tourbillons au sol et à la tropopause, le 26 décembre 1999, à l'instant T3 On peut voir sur la carte que l'instabilité d'altitude se décale vers l'est et se retrouve donc au dessus de l'instabilité de surface. En la comparant avec l'illustration 6, on remarque que l'on passe dans le cadre de la rétroaction négative de la perturbation barocline, qui précède la mort du cyclone «Kurt». Adrien Napoly Laura Hermozo 14/16
Conclusion Nous avons vu que la formation et le développement d'une tempête nécessite la présence d'une zone barocline, elle même perturbée, en l'occurrence par le courant Jet. Ces phénomènes sont inhérent à l'existence d'instabilités dites barocline, se formant au sol et au niveau de la tropopause et provoquant la naissance de vent verticaux. La combinaison de deux de ces instabilités mène dans certaines conditions de positionnement, à des interactions positives de type résonnantes, qui multiplient la vitesse des tourbillons. Ces mêmes conditions de positionnement d'une instabilité par rapport à l'autre, engendrent par la suite des interactions négatives qui provoquent la dégénérescence de la tempête : c'est la mort barocline. Adrien Napoly Laura Hermozo 15/16
Bibliographie Ouvrages : Sites : Fondamentaux de météorologie 2ème édition, Sylvie Malardel http://www.meteo-ciel.fr http://comprendre.meteofrance.com circulation générale et météorologie, B. Legras (pdf) thèse : interactions non linéaires de structures cohérentes tourbillonnaires d'échelle synoptique, J.B. Gilet, 19/11/2009 Adrien Napoly Laura Hermozo 16/16