21 septembre 2017

Qu'est-ce qu'un cyclone tropical ? What is a tropical cyclone?

CaribbeanIslandsLes Caraïbes, une zone propice aux ouragans 

Les Antilles ont connu quatre cyclones majeurs (c'est-à-dire de catégorie 3, 4 ou 5) en l’espace d’un mois : Harvey, Irma, José et maintenant Maria.

Mais qu’est-ce qu’un cyclone tropical ?

Un cyclone tropical (appelé « ouragan » en Atlantique, « typhon » en extrême-orient, « hurricane » en Amérique centrale)  est avant tout une formidable machine thermodynamique qui décrit un cycle de Carnot, avec l’océan comme source chaude et la troposphère comme source froide, et qui transforme l’énergie thermique que lui procure l’océan en énergie cinétique. Les énergies mises en jeu dans les cyclones sont considérables, et peuvent atteindre jusqu’à 5 bombes nucléaires de type Hiroshima par seconde. Fort heureusement, le rendement de ces machines est très mauvais, et seulement 3% de l'énergie est restituée sous forme de vent.

L’énergie nécessaire est fournie par la chaleur latente liée à la condensation de la vapeur d’eau. Ceci explique pourquoi les cyclones ne se forment que lorsque la température superficielle de la mer est supérieure à 26° C (1) :

-       D’une part en l’absence d’une évaporation intense et de transfert de chaleur et d’humidité de l’océan vers l’atmosphère, le cyclone ne va pas avoir l’énergie suffisante pour qu’il puisse se former et perdurer ;

-       D’autre part les cumulonimbus qui le composent ont besoin d’une forte humidité pour se former. En l'absence d'humidité, pas de cumulonimbus et pas de cyclone tropical.

Il faut de plus au cyclone des eaux chaudes en profondeur pour prévenir la remontée des eaux froides vers la surface qui stopperaient la machine. On estime à 60 mètres la colonne de mélange océanique nécessaire.

La convergence dans les basses couches de l’atmosphère va créer le mouvement vertical et permettre à l’air humide de monter, tandis que la force de Coriolis va déclencher le mouvement rotatif autour d’une colonne au centre du cyclone – ce qu’on appelle « l’œil ».

Jannev, traduction d'AyackCirculation de l'air dans un cyclone tropical (Jannev, traduction d'Ayack). On remarque le mur de cumulonimbus qui entoure l'oeil. Dans celui-ci les vents ne sont pas particulièrement violents, mais c'est dans le mur que les vents sont les plus violents. Les vagues dans l'oeil, issues des vents du mur, sont des déferlantes énormes sans sens particulier.

La conséquence est que les cyclones tropicaux ne se forment normalement pas dans les eaux froides de l’Atlantique Sud et du Pacifique Sud-Est, ni entre le 5°S et le 5°N dans une zone où la force de Coriolis est insuffisante pour amorcer le mouvement rotatif, et où les tourbillons cycloniques absolus significatifs dans la basse troposphère sont rares (absents entre 4°S et 4°N).

Pour que le système se maintienne il faut de plus une absence de cisaillement vertical du vent, autrement dit un couplage entre les différentes couches de l’atmosphère, et un champ de divergence en haute altitude qui permette l’élimination de l’air accumulé.

Ces conditions se trouvent réunies à proximité de l’équateur météorologique. Celui-ci se déplace mais se trouve la majeure partie de l’année un peu au nord de l’équateur géographique (c’est ce que les marins appellent le « pot au noir », ou ZCIT). C’est peut-être ce qui explique que 70 % des cyclones tropicaux naissent dans l’hémisphère nord.

Grosso modo, un cyclone tropical est constitué d’une masse nuageuse pouvant atteindre 1000 km de rayon, formée de spirales convergeant vers un anneau central, l’œil. Hormis dans ses basses couches (où l’air est presque saturé et où on va trouver des nuages), l’œil est sec et dégagé et les vents y sont faibles ; c’est la région  la plus chaude du cyclone. C’est aussi là que les pressions sont les plus basses. Autour de cet œil qui peut mesurer quelques dizaines de kilomètres se trouve un mur de cumulonimbus, avec les vents les plus violents, qui peuvent atteindre 360 km/h. Certains oiseaux de mer trouvent refuge dans l’œil du cyclone ; ils sont alors obligés de suivre son déplacement jusqu’à l’extinction du phénomène, et meurent souvent d’épuisement dans l’aventure.

Maria_2017-09-19 (NOAA’s Suomi NPP satellite)Maria_2017-09-19 (NOAA’s Suomi NPP satellite)

Force des vents :

On caractérise les ouragans par la vitesse du vent maximum soutenu moyenné sur une minute sur l’échelle de Saffir-Simpson.

- Jusqu’à 63 km/h compris on parle de « dépression tropicale » ;

- de 63 km/h à 117 km/h on parle de « tempête tropicale » ;

Au delà commence l’échelle de Saffir-Simpson, et on parle de « cyclone » :

-       de 118 km/h à 153 km/h on parle de « cyclone de catégorie 1 » (dégâts minimes)

-       de 154 km/h à 177 km/h on parle de « cyclone de catégorie 2 » (dégâts modérés)

-       de 168 km/h à 209 km/h on parle de « cyclone de catégorie 3 » (dégâts importants)

-       de 210 km/h à 249 km/h on parle de « cyclone de catégorie 4 » (dégâts extrêmes)

-       au-delà de 249 km/h on parle de « cyclone de catégorie 5 » (dégâts catastrophiques)

Schéma général des ondes tropicales issues des côtes africaines (auteur NOAA)Schéma général des ondes tropicales issues des côtes africaines (auteur NOAA). Le sens de l'onde va de l'Afrique vers les Caraïbes en passant sous l'anticyclone le long des alizés.

Trajectoire des cyclones :

Si l’on excepte les cyclones du Pacifique Sud-Ouest qui vont plutôt d’ouest en est, la circulation des cyclones se fait d’une part de manière équatoriale d’est en ouest, d’autre part « par inclusions dans la circulation des régions tempérées après un changement plus ou moins brutal de direction ». Grosso modo, les cyclones suivent une route sensiblement identique aux flux de grande échelle de la troposphère, avec des écarts sur la droite quand ils sont sur une route où les alizés soufflent vers l’ouest, et des écarts sur la gauche s’ils sont sur une route où les alizés soufflent vers l’est. On obtient ainsi une parabole grossière, ce que l’on constate sur les relevés des cyclones qui figurent dans cet article. Des mécanismes complexes font cependant que le cyclone peut très bien s’écarter de sa parabole, faire des ronds, des demi-tours, etc. Un peu moins de la moitié des cyclones de l’Atlantique Nord terminent leur parcours insérés dans la circulation vers l’est des moyennes latitudes (la route de retour des alizés) et provoquent des tempêtes sur les côtes européennes.

Jose_2017_track (3 au 9 septembre 2017 auteur Kiewii)Jose_2017_track (3 au 9 septembre 2017 auteur Kiewii)

Irma_2017_track (27 août au 1er septembre 2017, auteur OverlordQ)Irma_2017_track (27 août au 1er septembre 2017, auteur OverlordQ)

On comprend ainsi pourquoi des ondes tropicales nées au large de l’Afrique finissent après un début de course presque horizontal d’est en ouest par se muer en tempête tropicale, puis au contact des eaux de surface de plus en plus chaudes concentrées à l’ouest par les alizés se transforment en cyclones avant d’obliquer légèrement à droite pour remonter l’arc antillais. Quand la colonne d’eau chaude est suffisamment large et haute dans l’océan pour alimenter en énergie le cyclone et empêcher la remontée des eaux froides, on arrive aux quatre ouragans majeurs de cette saison dans les Antilles et le Golfe du Mexique (où les eaux atteignaient 30°C à la fin du mois d'août).

Tropical_surface_analysis (Tropical Prediction Center NOAA)Carte de surface. La Zone de convergence intertropicale (ZCIT ou équateur météorologique) est en rouge. Les ondes tropicales (Tropical waves) passent plus au nord, en restant au sud de l'anticyclone marqué H (auteur : NOAA).

Ouragan Maria 17 septembre 2017 (auteur NOAA)Ouragan Maria, trajectoire prévisionnelle établie le 17 septembre 2017 (auteur NOAA). La précision est bonne, le cyclone est passé le mercredi 20 sur Porto Rico dans la matinée.

Mort d’un cyclone :

Tant que le cyclone trouve de l’eau chaude en surface pour l’alimenter, il perdure. Au niveau thermodynamique, on a vu que le cyclone décrit un cycle de Carnot, avec l’océan comme source chaude et la troposphère comme source froide, et transforme l’énergie thermique que lui procure l’océan en énergie cinétique. Il est très rare qu’il puisse se maintenir longtemps en catégorie 5. Ca a été le cas d’Irma, qui a battu le record de longévité le 7 septembre dernier avec plus de 33 heures avec des vents soutenus supérieurs à 297 km/h, le précédent record à cette vitesse ayant été détenu par le super typhon Haiyan en 1966 (24 heures). Les eaux les plus chaudes se trouvent souvent près des terres (Golfe du Mexique par exemple), là où les Alizés concentrent les eaux chaudes de surface qu’ils poussent avec eux. Lorsque le cyclone passe de la mer à la terre, il perd sa source chaude, et n’est plus alimenté en énergie ; bref, soit il décrit une boucle qui le ramène au-dessus des eaux et le cycle peut redémarrer, soit il s’épuise rapidement en quelques heures et redevient une tempête tropicale. Cependant, les plus puissants peuvent perdurer plusieurs jours en oscillant d’une catégorie à l’autre tant qu’ils restent aux dessus de l’océan.

Autres causes de « mort » du phénomène : la rencontre avec des eaux froides (ce peut-être le cas lorsque le cyclone remonte vers le nord), et le cisaillement lorsque les couches de l’atmosphère se découplent et que le vent s’attaque à la structure verticale du cyclone.

A partir de là, on comprend que les cyclones les plus dévastateurs sont les cyclones « lents » - Irma avançait autour de 26 km/h -, voire stationnaires, ce qui a été le cas d’Harvey devant Huston : bloqué par un anticyclone, Harvey a continué à pomper son énergie dans le golfe du Mexique et à déverser des trombes d’eau sur Huston.

Maria_Geostationary_VIS-IR_2017 (16 septembre 2017, auteur Naval Research Laboratory)Maria_Geostationary_VIS-IR_2017 (16 septembre 2017, auteur Naval Research Laboratory)

Effets sur la mer

Trois paramètres sont à prendre en considération : la houle, les vagues et la dépression.

La houle s’écarte du cyclone en suivant un axe sensiblement à 60° de celui du vent à la périphérie du cyclone (cas d’un cyclone stationnaire), et variant  très approximativement de 30 à 100 degrés du lit du vent selon la position considérée dans le cas d’un cyclone qui se déplace.

Ceci fait que dans l’hémisphère nord, quand on se place face au vent on reçoit la houle cyclonique par tribord ; c’est l’inverse dans l’hémisphère sud.

Concernant les vagues, les vents sont violents, mais la zone de l’ouragan est limitée. Les vagues n’ont donc que peu de temps pour se former, sauf si l’ouragan se déplace avec elles – ce qui correspond, pour des vagues d’une période de 16 à 20 secondes, à une vitesse de déplacement de l’ouragan de 20 à 30 nœuds. La plupart du temps les vagues restent limitées à une dizaine de mètres ; mais avec des vents de plus de 130 km/h on peut avoir des vagues de 20m (et donc des creux de 40 m).

Enfin, la dépression qui se creuse au centre du cyclone produit une augmentation de la hauteur d’eau d’environ un mètre pour une perte de 100 hectopascals (1 hPa = 1 millibar. -1hpa = +1cm de d'hauteur d'eau (approximatif).

Le phénomène est amplifié lorsque le cyclone arrive sur des hauts fonds, avec dans l’hémisphère Nord une augmentation maximale de la hauteur d’eau un peu à droite de la route du cyclone et une diminution de la hauteur d’eau à gauche de celle-ci (c’est l’inverse dans l’hémisphère Sud). Se crée ainsi une « onde de tempête », qui peut dépasser les cinq mètres dans le cas des cyclones de catégorie 5 et qui va s’ajouter à la marée astronomique pour donner ce qu’on appelle la « marée de tempête ».

Les dégâts causés par les cyclones relèvent donc :

-       du vent, qui d’une part détruit (peu de constructions et d’infrastructures résistent à des vents de plus de trois cents km/h si elles n’ont pas été spécialement prévues pour), d’autre part transforme les objets qu’il soulève en projectiles eux-mêmes susceptibles de faire d’importants dégâts ;

-       de la pluie et de ses conséquences : inondations, glissements de terrain, routes coupées, etc. Un pluviomètre installé à Caguas au sud de San Juan, la capitale de Porto Rico, a entregistré mercredi matin (20 septembre 2017) entre 8 heures et 9 heures 36 cm de pluie au passage de Maria, un record mondial. Le précédent record (30,5 cm) datait de 1947.

-       de la marée de tempête qui va submerger les terres les plus basses du rivage.

De manière indirecte – mais on ne peut en faire abstraction – se surajoutent :

-       les erreurs humaines (les vents faibles à l'intérieur de l’œil du cyclone peuvent faire croire à certains que l’ouragan est passé et leur faire abandonner toute prudence, alors que l’autre côté du mur de l’œil se rapproche)

-       les inévitables scènes de pillage qu’on constate durant les heures suivant le passage du cyclone (une vingtaine dans la journée suivant le passage d'Irma sur Saint-Martin et Saint-Barthélémy, 3 le jour suivant).

Hurricane_Irma_on_Sint_Maarten_(NL)_05 (Ministery of Defense, Netherlands)Hurricane_Irma_on_Sint_Maarten_(NL)_05 (Ministery of Defense, Netherlands)

Attitude à avoir pour les marins :

Dans de nombreux cas, il est préférable de quitter le port et tenter de s’éloigner de la route du cyclone. Si on se trouve déjà dans la zone cyclonique, la route que suit le cyclone détermine deux demi-cercles : un demi-cercle dangereux à sa droite (où le vent accompagne les vagues, en particulier si la vitesse de déplacement du cyclone est de 20 à 30 nœuds (2)), et un demi-cercle maniable à sa gauche. Dans le demi-cercle dangereux on s’enfuit en prenant le vent au près tribord amures ; dans le demi-cercle maniable (comme dans l’axe du cyclone) on s’enfuit au portant tribord amures, dans les deux cas le plus vite possible. Ceci est vrai dans l’hémisphère Nord. Si on est dans l’hémisphère Sud, les zones dangereuse/maniable sont inversées, et on s’enfuit bâbord amures, au près de la zone dangereuse, et au portant de la zone maniable.

Le radar du bateau peut aussi permettre de déterminer la position du centre du cyclone en détectant les très fortes pluies qui se produisent dans un rayon de 100 à 150 milles autour de celui-ci

Signes précurseurs :

Des cirrus dans le ciel, précédant une diminution de la marée barométrique sont souvent le premier signe. Si des cirrostratus provoquent un voile avec un halo, le cyclone est sans doute déjà assez conséquent. L’attraction du Soleil provoque des variations 1 à 2 hPa, avec un maximum en milieu de journée et un minimum en fin d’après-midi, ce qu’on appelle la « marée barométrique ».  On doit donc normalement enregistrer un début de remontée en début de matinée et en début de nuit. L’arrivée d’un cyclone  à moins d’un millier de milles va diminuer l’amplitude de la marée barométrique, et provoquer une baisse du baromètre de 1 à 3 hPa par jour. L’inversion de la marée barométrique (baisse en début de matinée et début de nuit) indique que le cyclone sera sur la zone dans les 48 heures à venir. Surveiller la vitesse à laquelle descend le baromètre peut aider à prédire la distance à laquelle se trouve le cyclone :

-       de 1 à 2 millibars à l’heure : 150 à 220 milles

-       de 2 à 3 millibars à l’heure : 100 à 150 milles

-       de 3 à 4 millibars à l’heure : 80 à 100 milles

-       de 4 à 5 millibars à l’heure : 50 à 80 milles

Enfin, l’attitude des animaux qui ressentent bien avant nous l'arrivée des cyclones et tentent de trouver des refuges à terre est un signe précurseur dont tenaient compte les anciens. Ceux-ci disaient : « Bandes d’oiseaux des mers se réfugient à terre, Tempête va venir de forte manière (2) ».

 

(1)    Théorie parfois contestée. (2)  Citation extraite de l’ouvrage « Météorologie générale et maritime » de Jean-Yves Le Vourc’h, Claude Fons et Marcel Le Stum, Météo France, Toulouse 2002.

 

What is a tropical cyclone? What is a tropical cyclone? The Caribbean experienced four major cyclones within a month (Harvey, Irma, José and now Maria). But what is a tropical cyclone?

A tropical cyclone (called a "hurricane" in the Atlantic) is above all a formidable thermodynamic machine that describes a cycle of Carnot, with the ocean as a hot spring and the troposphere as a cold source, and which transforms the thermal energy it provides in kinetic energy. The energies involved in the cyclones are considerable, and can reach up to 5 Hiroshima nuclear bombs per second. Fortunately, the efficiency of these machines is very bad, and only 3% is restored in the form of wind. The necessary energy is provided by the latent heat associated with the condensation of water vapor. This explains why cyclones are formed only when the surface temperature of the sea is above 26 ° C (1):

- On the one hand, in the absence of intense evaporation and heat and moisture transfer from the ocean to the atmosphere, the cyclone will not have sufficient energy to form and continue ;

On the other hand, the cumulonimbus composing it needs a high humidity to form. In the absence of moisture, no cumulonimbus and no tropical cyclone.

In addition, the cyclone needs warm water at depth to prevent the cold water from rising towards the surface to stop the machine. The required oceanic mixing column is estimated at 60 meters.

Convergence in the lower layers of the atmosphere will create vertical movement and allow humid air to rise, while the Coriolis force will trigger rotating motion around a column in the center of the cyclone - calls the "eye".

 Air circulation in a tropical cyclone (Jannev, Ayack translation). One notices the wall of cumulonimbus which surrounds the eye. In it the winds are not particularly violent, but it is in the wall that the winds are the most violent. The waves in the eye, coming from the winds of the wall, are enormous surges with no particular meaning.

The consequence is that tropical cyclones do not normally form in the cold waters of the South Atlantic and the South-East Pacific, nor between 5 ° S and 5 ° N in an area where the Coriolis force is insufficient for and where the significant absolute cyclonic vortices in the lower troposphere are rare (absent between 4 ° S and 4 ° N).

In order to maintain the system, there is also a lack of vertical wind shear, in other words a coupling between the different layers of the atmosphere, and a field of high altitude divergence which permits the elimination of accumulated air.

These conditions are found near the meteorological equator. It moves but is most of the year a little north of the geographical equator (this is what seafarers call the "black pot," or ZCIT). This may explain why 70% of tropical cyclones originate in the northern hemisphere.

Roughly, a tropical cyclone consists of a cloud mass up to 1000 km radius, formed by spirals converging towards a central ring, the eye. Except in its lower layers (where the air is almost saturated and where clouds are to be found), the eye is dry and clear; this is the hottest region of the cyclone. This is also where the pressures are lowest. Around this eye that can measure a few tens of kilometers is the wall of cumulonimbus, with the most violent winds, which can reach 360 km / h. Some seabirds find refuge in the eye of the cyclone; they are then obliged to follow its displacement until the extinction of the phenomenon, and often die of exhaustion in the adventure.

Strength of the winds:

Hurricanes are characterized by the maximum sustained wind speed averaged over one minute on the Saffir-Simpson scale.

- Up to 63 km / h inclusive, we speak of "tropical depression";

- from 63 km / h to 117 km / h, the term "tropical storm" is used;

Beyond this begins the scale of Saffir-Simpson, and we speak of "cyclone":

- from 118 km / h to 153 km / h we speak of "category 1 cyclone" (minimal damage)

- from 154 km / h to 177 km / h is referred to as "category 2 cyclone" (moderate damage)

- 168 km / h at 209 km / h is referred to as "category 3 cyclone" (significant damage)

- from 210 km / h to 249 km / h is referred to as "category 4 cyclone" (very important damage)

- above 249 km / h, the category "cyclone category 5" (catastrophic damage)

Vue de l'intérieur de l'œil de l'ouragan Katrina, 40 km de diamètre lors de son acmé, depuis un avion (NOAA)Vue de l'intérieur de l'œil de l'ouragan Katrina, 40 km de diamètre lors de son acmé, depuis un avion (auteur NOAA). On voit bien le mur de cumulonimbus.


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