La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

5.6.1 Introduction et définition 5.6.2 Structure du cyclone tropical 5.6.3 Théorie du cyclone tropical 5.6.4 Prévision cyclonique sommaire général 5.6.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "5.6.1 Introduction et définition 5.6.2 Structure du cyclone tropical 5.6.3 Théorie du cyclone tropical 5.6.4 Prévision cyclonique sommaire général 5.6."— Transcription de la présentation:

1 5.6.1 Introduction et définition Structure du cyclone tropical Théorie du cyclone tropical Prévision cyclonique sommaire général 5.6 Cyclone tropical

2 Deux quantités dynamiques importantes : - moment angulaire absolu - tourbillon relatif Formation de tornades Formation du mur et de lœil Théorie sur le développement dun cyclone sommaire cyclone Théorie du cyclone tropical

3 -La vitesse angulaire absolue pour une particule atmosphérique de masse unité, située à une distance r du centre du cyclone, est : ordre de grandeur: Dans un cyclone, chaque parcelle dair conserve son moment angulaire rv θ (mais attention, la quantité peut être différente pour chaque parcelle dair) - Son moment angulaire absolu, M, par rapport à laxe du cyclone est : : composante tangentielle du vent : distance radiale r du centre du cyclone sommaire théorie Théorie du cyclone tropical conservation du moment angulaire absolu au dessus de la couche limite

4 Deux quantités dynamiques importantes : - moment angulaire absolu - tourbillon relatif Formation de tornades Formation du mur et de lœil Théorie sur le développement dun cyclone sommaire cyclone Théorie du cyclone tropical

5 Le tourbillon relatif par rapport à laxe du cyclone est : A lintérieur du mur (R<40 km) Entre le centre du cyclone et le rayon r max de vent maxi V max : - la circulation tangentielle se comporte comme une rotation solide, avec pour vitesse angulaire, ω =V max / r max = constante - V / r est constant - ζ r est constant à lintérieur du mur intérieur du mur Tangential Wind (m/s) application numérique r max V Θmax constant r max ω constant V / r sommaire théorie Théorie du cyclone tropical tourbillon relatif : à lintérieur du mur Profil radial du vent tangentiel (m/s) dans le cyclone Anita. Source : Sheets, 1980

6 ζ r est constant et maximum à lintérieur du mur 40 km Evaluons le ζr pour une parcelle dair située à 20°N (f= s -1 ) et à 40 km du centre du cyclone (intérieur du mur) : - V max = 40 m/s à r max =40 km 40 O intérieur du mur sommaire théorie Théorie du cyclone tropical tourbillon relatif : à lintérieur du mur

7 A lextérieur du mur (R>40 km) Au-delà r max, la décroissance radiale de V est approchée par : Tangential Wind (m/s) V Θmax r max extérieur au mur application numérique - En séloignant du mur, ζ r décroît exponentiellement VθVθ VθVθ Le tourbillon relatif par rapport à laxe du cyclone est : sommaire théorie Théorie du cyclone tropical tourbillon relatif : à lextérieur du mur Profil radial du vent tangentiel (m/s). Source : Sheets, 80

8 40 A lextérieur du mur 40 km O 80 km En séloignant du mur, ζ r décroît exponentiellement Evaluons le ζ r pour une parcelle dair située à 20°N (f= s -1 ) et à 80 km du centre du cyclone (extérieur au mur) : sommaire théorie Théorie du cyclone tropical tourbillon relatif : à lextérieur du mur

9 Deux quantités conservatives : - moment angulaire absolu - tourbillon relatif Formation de tornades Formation du mur et de lœil Théorie sur le développement dun cyclone sommaire cyclone Théorie du cyclone tropical

10 Sachant que le moment angulaire, rV, est constant pour une parcelle dair donnée : Eye Oeil Cyclone r1r1 v 1 r2r2 v 2 - rV constant, signifie que r 1 V 1 = r 2 V 2 - que se passe til lorsquune parcelle dair est aspirée vers le centre du cyclone ? Application numérique : soit V 1 = 10 kt r 1 = 500 km si r 2 = 30 km, alors daprès léquation r 1 V 1 = r 2 V 2 on trouve que V 2 = ( V 1. r 1 )/r 2 = 167 kts ! sommaire théorie Théorie du cyclone tropical Formation de tornades

11 Surveiller les bandes spiralées qui convergent vers le centre du cyclone sommaire théorie Théorie du cyclone tropical Formation de tornades Source : Image satellite de la NOAA

12 Location of all hurricane-spawned tornadoes relative to hurricane center and motion. Source : McCaul, 1991 sommaire théorie La conservation du moment angulaire est à lorigine des tornades dans les cyclones Distribution : dans lHN, surtout dans le ½ cercle droite du cyclone (½ cercle gauche dans HS) Théorie du cyclone tropical Formation de tornades

13 Deux quantités dynamiques importantes : - moment angulaire absolu - tourbillon relatif Formation de tornades Formation du mur et de lœil Théorie sur le développement dun cyclone sommaire cyclone Théorie du cyclone tropical

14 rappel : sachant que le moment angulaire absolu, rV, est constant pour une parcelle dair donnée, V augmente lorsque cette parcelle dair se rapproche du centre Equation du mouvement radial (hors couche limite) : En se rapprochant du centre, V et encore plus V 2 /r augmentent, et pour balancer ces 2 forces, le gradient de pression doit augmenter aussi ( chute de P mer en se rapprochant du centre) Mais, au-dessous dun rayon critique r cr, il nexiste plus de gradient de pression assez puissant (max. de 10 hPa/km) pour équilibrer laugmentation rapide de la force centrifuge. supergradient. On dit alors que le flux V devient supergradient. r < r cr : - V r / t devient positif = accélération radiale dirigée vers lextérieur Force centrifuge Force Coriolis Force de pression r < r cr : sommaire théorie Théorie du cyclone tropical Formation du mur : conservation du moment angulaire au dessus de la couche limite

15 r

16 Au sein du mur du cyclone, comme la force de pression diminue avec laltitude, laccélération radiale V r / t devient de + en + positive. Une parcelle dair au cours de son ascension séloigne alors du centre du cyclone, ce qui entraîne un accroissement de la taille de lœil avec laltitude (Hastenrath, p.216) z Hémisphère Nord Théorie du cyclone tropical Inclinaison verticale du mur

17 40 km 80 km 3.5 f 40 f - En plus du rôle joué par la conservation du moment angulaire sur la formation du mur, Eliassen (71) et Anthes (82) ajoute le fait que dans un vortex en rotation solide, le pompage dEkman (qui est maximum quand ζ g est maximum) devient progressivement inefficace lorsquon sapproche de laxe de rotation. -Le maximum dascendances se produit à une certaine distance du centre du cyclone -le processus de pompage dEkman, maximal au sommet de la couche limite, serait alors favorable au développement du mur de loeil inefficace = intensité du pompage dEkman au sommet de la couche limite Théorie du cyclone tropical Formation du mur : pompage dEkman ζrζr

18 z La forte divergence en haute troposphère est divisée en 2 branches : une partie du flux subide fortement (+ 3m/s) à lintérieur du mur ce qui donne naissance à lœil du cyclone lautre partie du flux séloigne du mur en spiralant et génère de la subsidence à grande échelle à lextérieur du cyclone (~ 400 km du centre : ciel clair ! ) Hémisphère Nord 400 km sommaire théorie O Théorie du cyclone tropical Formation de loeil

19 Deux quantités dynamiques importantes : - moment angulaire absolu - tourbillon relatif Formation de tornades Formation du mur et de lœil Théorie sur le développement dun cyclone sommaire cyclone Théorie du cyclone tropical

20 Hypothèses de Kerry Emmanuel (Source : Emmanuel, 1986) : 1.Un cyclone tropical prend naissance et se développe en présence danomalies positives de flux de chaleur sensible et latente (= énergie statique humide), à condition quil existe dans lenvironnement un vortex initial (= convergence) dune intensité au moins équivalente à une variation de vent dau moins 12m/s sur un rayon de 300/400 km. 2.Il faut souligner quun cyclone tropical peut se développer dans un environnement thermodynamiquement neutre = la CAPE napporte aucune contribution à la naissance et au développement du vortex. 3.Les 2 hypothèses précédentes permettent de considérer un cyclone tropical en phase stationnaire comme un simple moteur thermique de type Carnot dans lequel : - lair convergent dans la couche limite puise une partie de lénergie dans la couche superficielle de locéan ( via les flux de de chaleur latente et sensible ), et lautre partie, au cours de sa détente isotherme ( la pression chute vers lintérieur du cyclone ); - ensuite, lair subit de fortes ascendances au sein du mur et le cyclone transforme la chaleur reçue en énergie cinétique (vent) par le phénomène deffet miroir. δT> Théorie du cyclone tropical Développement dun cyclone : cycle de Carnot Source : Merrill, 93

21 Isotherme à z=h sommaire théorie énergie statique humideénergie En résumé, le cycle de Carnot convertit de lénergie statique humide en énergie cinétique cinétique (vent), ce qui correspond également à un transfert dénergie de locéan vers latmosphère. Le cycle de Carnot, défini par 2 isothermes et 2 adiabatiques, produit une puissance motrice sil existe 2 sources de chaleur ayant des températures différentes (au sein du cyclone, la surface représente la source chaude et la tropopause, la source froide). Le cyclone, en régime stationnaire, fonctionne comme une machine de Carnot : z source froide source chaude Compression adiabatique sèche Détente adiabatique saturée Isotherme puisque le chauffage par compression est équilibré par refroidissement radiatif Théorie du cyclone tropical Développement dun cyclone : cycle de Carnot Source : Emanuel, 91 Tropopause

22 sommaire théorie Le cyclone fonctionne comme une machine de Carnot : source chaude z Tropopause Le rendement du cycle ne dépend que des températures auxquelles la chaleur dQ est échangée : δW : travail produit par le cyclone δQ : chaleur fournie par lenvironnement au cyclone T1: source froide = température à tropopause T2 : source chaude = température de surface ~ TSM δQ = 0 δQ < 0 δQ > 0 la compression isotherme consomme de la chaleur au cyclone Détente adiabatique humide δQ = 0 la détente isotherme et lévaporation fournissent de la chaleur Théorie du cyclone tropical Développement dun cyclone : cycle de Carnot Source : Emanuel, 91 Compression adiabatique (sèche) source froide

23 sommaire théorie 1/ En surface, comme lair converge vers le centre du cyclone, la pression atmosphérique diminue, lair se détend et fournit ainsi de la chaleur au cyclone. Mais comment lenvironnement fournit de la chaleur (δQ >0) au cyclone tropical ? Il faut repartir de léquation qui relie 2/ Lexpression de δQ nous montre aussi que le cyclone reçoit dautant plus de chaleur que la température de surface ou la TSM est élevée (T surface fortement corrélée à la TSM). Par conséquent, une partie non négligeable de la chaleur provient de locéan via les flux de chaleur sensible et latente (lénergie latente est libérée pour le cyclone au cours des mouvements ascendants par condensation). Le long de cette trajectoire (une isotherme), δQ sécrit : Théorie du cyclone tropical Développement dun cyclone : cycle de Carnot

24 AUGUSTFEBRUARY Pression mini. possible (hPa) sommaire théorie - Plus lécart de température entre source chaude T1 et source froide T2 est important, plus le rendement du cycle est elévé, et plus la pression en surface peut diminuer - On obtient ainsi la pression minimale extrême qui puisse être atteinte par un cyclone en régime stationnaire - En utilisant les climatologies de TSM et T tropopause, on peut obtenir des cartes de pression minimum possible dun cyclone : T1: source froide = T tropopause T2 : source chaude = T surface ~ TSM Théorie du cyclone tropical Développement dun cyclone : cycle de Carnot Pressions minimales potentielles au centre des cyclones calculées à partir de données climatologique de TSM et de températures à la tropopause. Source : daprès Emanuel, 1991

25 Deux quantités dynamiques importantes : - moment angulaire absolu - tourbillon relatif Formation de tornades Formation du mur et de lœil Théorie sur le développement dun cyclone sommaire cyclone Chap 5.6.4: prévision Théorie du cyclone tropical

26 Moment angulaire absolu (10 3 m 2 s -1 ) dans un cyclone. Source : Emanuel, 1986 Dans un cyclone, une parcelle dair conserve son moment angulaire absolu : illustration au cours de la détente adiabatique le long du mur (iso-M) M caractérise aussi la stabilité inertielle du flux Théorie du cyclone tropical : moment angulaire M

27 Rappel : La convection et les forces de frottements sont deux processus physiques qui induisent de la convergence en basse troposphère w H : vitesse verticale au sommet de la couche dEkman ~ 1 km K: coeff. de viscosité (eddy viscosity) α 0 : angle entre vent observé et vent géostrophique en surface ζg: tourbillon géostrophique f: paramètre de Coriolis - Le pompage dEkman au sommet de la couche dEkman, w H, est proportionnel au tourbillon géostrophique et à f. On peut souligner quen labsence de force de Coriolis, le pompage dEkman devient inefficace (comme le long de léquateur ou dans léquilibre cyclostrophique). - Le pompage dEkman, w, augmente avec laltitude au sein de la couche limite (pas expliqué avec cette équation) et atteint son maximum (w H ) au sommet de la couche dEkman Équation du pompage dEkman au sommet de la couche dEkman : Définition du pompage dEkman : la convergence de vent en basse troposphère produit de lascendance au sein de la couche limite appelée pompage dEkman Théorie du cyclone tropical Pompage dEkman

28 Bibliographie chap Anthes, R. A., 1982 : Tropical cyclones, their evolution, structure and effects. Meteorological Monographs, Vol.19, n°41, Amer. Meteor. Soc., Boston, 208p. - Carlson, T. N.and J. D. Lee : Tropical meteorological. Pennsylvania State University, Independent Study by Correspondence, University Park, Pennsylvania, 387 p. -Eliassen, A., 1971 :On the Ekman layer in a circular vortex. J. Meteor. Soc. Japan, 49, special isuue, p Emanuel, Kerry A., 1986 : An Air-sea Interaction theory for tropical cyclone; pt1; steady state maintenance. J. of Atm. Science, Boston, vol. 43, n°6, p Emanuel, Kerry A., 1991, The theory of hurricane : Annual review of Fluid Mechnics, Palo Alto, CA. Vol.23, p McCaul, E. W. Jr., 1991 : Buoyancy and shear characteristics of hurricane-tornado environments. Mon. Weather Rev., MA. Vol.119, n°8, p Merrill, R. T., 1993 : Tropical Cyclone Structure –Chapter 2, Global Guide to Tropical Cyclone Forecasting, WMO/Tropical Cyclone- N°560, Report N° TCP-31, World Meteorological Organization; Geneva, Switzerland - Palmen, E. and C. W. Newton, 1969 : Atmospheric circulation systems. Academic Press, New York and London, 603p. - Sheets, R. C., 1980 : Some Aspects of tropical cyclone modification. Australian Meteorological magazine, Canberra, vol. 27, n°4, pp


Télécharger ppt "5.6.1 Introduction et définition 5.6.2 Structure du cyclone tropical 5.6.3 Théorie du cyclone tropical 5.6.4 Prévision cyclonique sommaire général 5.6."

Présentations similaires


Annonces Google