PRECYP

PREvision et analyse des CYclones pour la Prévention des risques à La Réunion

Porteurs du projet : Matthieu Plu (2011-2013), puis Olivier Bousquet (2013-2014)

Financement : MAIF

Laboratoire d’Aérologie (UMR 5560), Groupe d’Etudes de l’Atmosphère Météorologique (UMR 3589, Toulouse), Services de prévision cyclonique et bureau d’étude climatologique de Météo-France à La Réunion, Centre de prévision marine de Météo-France (PREVIMAR) à Toulouse

Période : 2011 - 2014

 

Introduction

 

Les cyclones tropicaux sont, avec les séismes, la catastrophe naturelle la plus dévastatrice au monde. Les cyclones majeurs peuvent encore aujourd’hui ruiner des régions entières, faire de nombreuses victimes (15 000 morts en 1998 lors de l’ouragan Mitch en Amérique Centrale), et coûter des sommes colossales dans les pays développés (82 milliards de dollars de dégâts lors de l’ouragan Katrina en 2005). Les cyclones se développent en été, sur les eaux chaudes tropicales.


Les territoires français habités dans le Sud-Ouest de l’Océan Indien comprennent deux îles :

  • le département de La Réunion d’une population de 800.000 habitants
  • le département de Mayotte d’une population de 190.000 habitants


Ces deux îles sont fortement exposées à l’aléa cyclonique, mais les impacts n’y sont pas identiques du fait de leur position et de leur géographie très différentes.

Le présent projet aborde les cyclones dans l’ensemble du bassin, mais il se concentre plus spécifiquement sur La Réunion pour ce qui concerne leurs impacts (vents, pluies et houle). Les surcotes, enjeu majeur à Mayotte, seront aussi traitées.

Le risque cyclonique existe sur l’ensemble du territoire de La Réunion, mais les enjeux majeurs se concentrent dans les zones à forte densité de population, surtout sur les pentes entre montagnes et littoral. Les effets cycloniques à La Réunion se déclinent principalement en trois types :

  • les effets du vents (destruction d’infrastructures, arrachage de toiture, etc.)

  • les effets des précipitations (inondations, débordement de ravines, ruissellement urbain, éboulement, destruction de ponts par transport solide dans les ravines, etc.)

  • les effets de l’état de la mer (houle cyclonique et mer du vent).


La marée de tempête (surcote) est faible à La Réunion car la bathymétrie est profonde autour de l’île. En revanche, la houle cyclonique peut être importante et destructrice (exemple de Gamède en 2007), même lorsque le cyclone se déplace à grande distance de La Réunion (exemple de Gafilo en 2004). A l’inverse, la surcote n’est sensible qu’à proximité de l’axe de la trajectoire du système. Mayotte, située dans une zone dont la bathymétrie est peu profonde, est soumise au risque de surcote.

 

 

Objectifs

 

L’objectif du présent projet est d’améliorer la prévision et l’analyse des systèmes dépressionnaires tropicaux du Sud-Ouest de l’Océan Indien et à La Réunion, en se concentrant sur la représentation de l’aléa cyclonique et de ses impacts principaux (vents, précipitations et état de la mer). La prévision permettra une meilleure gestion de crise, et l’analyse favorisera les actions de prévention. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de considérer une durée suffisante du cycle de vie d’un cyclone, de l’ordre d’un à deux jours.


En terme de prévention et de sécurité, le projet de recherche vise à :

  • Mieux anticiper l’aléa cyclonique pour mieux gérer la crise : l’amélioration des prévisions de vent et de précipitation sur La Réunion doit permettre d’obtenir une information plus précise des zones exposées, et ainsi de gérer la crise de façon plus efficace en mettant en place des mesures de protection adaptées aux risques.

  • Mieux analyser l’événement cyclonique après la crise pour identifier les zones à risque et pour aider à la déclaration de l’état de catastrophe naturelle : l’analyse des zones où les paramètres météorologiques ont été extrêmes doit ainsi permettre d’identifier les risques encourus dans diverses zones de l’île afin de prendre toute mesure de prévention adaptée (déclaration de zone non constructible, révision des normes, etc), et d’aider l’expertise météorologique pour l’instruction des dossiers pour la déclaration de l’état de catastrophe naturelle (régime « CatNat »).

 

Méthodologie

 

Pour atteindre les objectifs du projet, de nouveaux outils seront développés et exploités :

  • des modèles numériques à haute résolution permettront d’améliorer la représentation de l’intensité, de la structure des cyclones, et les effets locaux sur le relief de La Réunion,

  • l’exploitation adaptée des satellites et radars donneront accès à de nouveaux jeux de données qui serviront à valider les simulations numériques et à caractériser les phénomènes.


Les travaux se développeront selon trois axes :

  • Le premier axe traité dans le projet concerne l’amélioration des prévisions de l’intensité des cyclones. Les modèles et systèmes d’observation qui seront développés doivent permettre un saut qualitatif important dans ce domaine. En effet, les modèles à 2 km de résolution, capables de représenter explicitement la convection, sont théoriquement à même de prévoir les changements de structure et d’intensité des cyclones, ce que les modèles actuels (autour de 10 km de résolution) ne permettent pas.

  • Le second axe traite des bandes précipitantes associées aux cyclones. Evoluant à des distances pouvant aller jusqu’à 1000 km du coeur du cyclone, ces structures de précipitations sont très difficiles à prévoir, tant du point de vue de leur localisation que des taux de précipitation associés.


Ces deux premiers axes ont aussi une portée régionale puisque les travaux bénéficieront aux prévisions effectuées par Météo-France pour l’ensemble des pays de la zone, dans le cadre de sa mission de CMRS.

  •  Le troisième axe est crucial pour La Réunion puisqu’il s’agit de modéliser les impacts du cyclone sur ce petit territoire au relief extrêmement découpé. La Réunion manque d’observations, et en particulier la couverture par les radars météorologiques est partielle du fait de son relief. Cela induit des difficultés à spatialiser les précipitations sur le territoire ; les observations devront ainsi être complétées par des simulations numériques. Il ne suffit pas en effet de modéliser correctement le cyclone sur mer pour en déduire les précipitations et le vent sur un tel territoire.


Ce troisième axe traite aussi de la houle et de la surcote sur les territoires côtiers. La houle générée par un cyclone se propage indépendamment de la trajectoire du système et la vitesse de propagation des trains de houle est généralement supérieure à la vitesse de déplacement du cyclone. A l’inverse, la surcote est créée par le gradient de la pression atmosphérique et, lorsque la profondeur d’eau n’est pas importante et que les vents soufflent vers la côte, par l’action mécanique du vent sur la surface océanique. Un cyclone pourra donc engendrer de fortes surcotes en passant à proximité d’une île, en fonction de la bathymétrie et du trait de côte. Ces deux aléas sont donc très liés à l’intensité des systèmes dépressionnaires, et les progrès attendus sur la prévision d’intensité (premier axe) bénéficieront à la prévision de houle et surcote.

 

 

 

Illustration (pour le cyclone Gamède) des problématiques traitées dans le projet. Pour une prévision jusqu’à 48h qui amène le cyclone à passer au Nord de La Réunion, se posent les questions de : 1. l’évolution de l’intensité du cyclone, 2. la localisation et l’intensité des bandes précipitantes, 3. les impacts sur La Réunion. Ces problématiques se posent à chaque fois qu’un système approche de La Réunion, car les moyens de prévision actuels ne permettent pas d’y répondre.

Organisation du projet

 

Associant des chercheurs de plusieurs laboratoires ainsi que les services opérationnels de Météo-France, le projet est structuré de la façon suivante :

Tâche 1 (transversale) : Préparation des observations et des outils numériques

Préparation des observations satellitaires (Météo-France, LACy)
Préparation des observations à La Réunion (Météo-France, LACy)
Préparation des outils numériques (LACy, Laboratoire d’Aérologie, Météo-France)

Tâche 2 : Prévision de l’intensité des cyclones et de ses changements brusques

Etude du lien entre structures d’altitude et intensification (LACy, Laboratoire d’Aérologie, CNRM-GAME)
Modélisation des phases d’intensification, et des liens structure interne/intensification (LACy, Météo-France, Laboratoire d’Aérologie)
Anticipation de l’intensification par détection de l’activité électrique (LACy, Laboratoire d’Aérologie)

Tâche 3 : Formation des précipitations sur mer

Etude du rôle des ondes de gravité pour la formation des bandes précipitantes (LACy)
Validation des simulations des structures précipitantes (LACy, Laboratoire d’Aérologie)

Tâche 4 : Prévision des impacts cycloniques : précipitations, vent et état de la mer

Validation des précipitations prévues sur le relief à La Réunion (LACy, Météo-France)
Spatialisation des précipitations en temps différé à La Réunion (LACy, Météo-France)
Validation des structures de vent fort à La Réunion (LACy)
Validation de la houle cyclonique et de la surcote (Météo-France)

Collaborations

 

PRECYP est un projet qui s’insère dans la prospective de l’équipe Cyclones du LACy, et qui est lié à plusieurs autres projets.

Il fait suite à un projet soutenu par le Conseil Régional de La Réunion en 2009 intitulé « Observation et modélisation des changements d’intensité et des impacts des cyclones tropicaux du Sud-Ouest de l’Océan Indien ».

En développant des outils de spatialisation des précipitations intenses, il s’associe au projet ERORUN d’observation du bassin-versant de la Rivière des Pluies

 

 


Porteurs du projet : Matthieu Plu (2011-2013), puis Olivier Bousquet (2013-2014)

Financement :
Fondation MAIF

Participants : Laboratoire d’Aérologie (UMR 5560), Groupe d’Etudes de l’Atmosphère Météorologique (UMR 3589, Toulouse), Services de prévision cyclonique et bureau d’étude climatologique de Météo-France à La Réunion, Centre de prévision marine de Météo-France (PREVIMAR) à Toulouse

Période : 2011 - 2014

 

Introduction


Les cyclones tropicaux sont, avec les séismes, la catastrophe naturelle la plus dévastatrice au monde. Les cyclones majeurs peuvent ainsi ruiner des régions entières, faire de nombreuses victimes (15 000 morts en 1998 lors de l’ouragan Mitch en Amérique Centrale ou plus récemment Hayian aux Philippines), et coûter des sommes colossales (82 milliards de dollars de dégâts lors de l’ouragan Katrina en 2005).

Les territoires français habités dans le Sud-Ouest de l’Océan Indien comprennent deux îles particulièrement exposées à l’aléa cyclonique :

  • le département de La Réunion d’une population de 800.000 habitants

  • le département de Mayotte d’une population de 190.000 habitants

 

Le projet PRECYP s’intéresse aux cyclones se développant dans le bassin SO de l’Océan Indien, mais se concentre plus spécifiquement sur les impacts potentiels de ces systèmes sur les îles de La Réunion (vents, pluies et houle) et de Mayotte (surcote océanique).

A la Réunion, le risque cyclonique existe sur l’ensemble du territoire, mais les enjeux majeurs se concentrent dans les zones à forte densité de population. Les effets cycloniques à La Réunion se déclinent principalement en trois types :

  • les effets du vent (destruction d’infrastructures)

  • les effets des précipitations (inondations, débordement de ravines, ruissellement urbain, éboulement, destruction de ponts par transport solide dans les ravines, etc.)

  • les effets de l’état de la mer (houle cyclonique et mer du vent)

 

La marée de tempête (surcote) est faible à La Réunion car la bathymétrie est profonde autour de l’île. En revanche, la houle cyclonique peut être importante et destructrice (exemple de Gamède en 2007), même lorsque le cyclone se déplace à grande distance de La Réunion (exemple de Gafilo en 2004). A l’inverse, la surcote n’est sensible qu’à proximité de l’axe de la trajectoire du système. Mayotte, située dans une zone dont la bathymétrie est peu profonde, est, elle, beaucoup plus concernée par le risque de surcote.

 

Objectifs

 

L’objectif du présent projet est d’améliorer la prévision et l’analyse des systèmes dépressionnaires tropicaux du Sud-Ouest de l’Océan Indien et à La Réunion, en se concentrant sur la représentation de l’aléa cyclonique et de ses impacts principaux (vents, précipitations et état de la mer).

La prévision est utile pour permettre une meilleure gestion de crise, et l’analyse favorise les actions de prévention.

En terme de prévention et de sécurité, le projet de recherche vise à :

  • Mieux anticiper l’aléa cyclonique pour mieux gérer la crise : l’amélioration des prévisions de vent et de précipitation sur La Réunion doit permettre d’obtenir une information plus précise des zones exposées, et de gérer ainsi la crise de façon plus efficace en mettant rapidement en place des mesures de protection adaptées aux risques.

  • Mieux analyser l’événement cyclonique après la crise pour identifier les zones à risque et pour aider à la déclaration éventuelle de l’état de catastrophe naturelle : l’analyse des zones où les paramètres météorologiques ont été extrêmes doit ainsi permettre d’identifier les risques encourus dans diverses zones de l’île afin de prendre les mesures de prévention adaptées (déclaration de zone non constructible, révision des normes, etc), et d’aider l’expertise météorologique pour l’instruction des dossiers pour la déclaration de l’état de catastrophe naturelle (régime « CatNat »).



Méthodologie

 

Pour atteindre les objectifs du projet, de nouveaux outils seront développés et exploités :

  • des modèles numériques à haute résolution permettront d’améliorer la représentation de l’intensité, de la structure des cyclones, et les effets locaux sur le relief de La Réunion

  • l’exploitation adaptée des satellites et radars donneront accès à de nouveaux jeux de données qui serviront à valider les simulations numériques et à caractériser les phénomènes


Les travaux se développeront selon trois axes
:

  • Le premier axe traité dans le projet concerne l’amélioration des prévisions de l’intensité des cyclones. Les modèles et systèmes d’observation qui seront développés doivent permettre un saut qualitatif important dans ce domaine. En effet, les modèles à 2 km de résolution, capables de représenter explicitement la convection, sont théoriquement à même de prévoir les changements de structure et d’intensité des cyclones, ce que les modèles actuels (autour de 10 km de résolution) ne permettent pas.

  • Le second axe traite des bandes précipitantes associées aux cyclones. Evoluant à des distances pouvant aller jusqu’à 1000 km du cœur du cyclone, ces structures sont très difficiles à prévoir, tant du point de vue de leur localisation que des taux de précipitation associés.


Ces deux premiers axes ont une portée régionale puisque les travaux bénéficieront aux prévisions effectuées par Météo-France pour l’ensemble des pays de la zone, dans le cadre de sa mission de CMRS.

  • Le troisième axe est crucial pour La Réunion puisqu’il s’agit de modéliser les impacts du cyclone sur ce petit territoire au relief extrêmement découpé. La Réunion manque d’observations, et la couverture des radars météorologiques est partielle du fait de son relief. Cela induit des difficultés à spatialiser les précipitations sur le territoire ; les observations devront ainsi être complétées par des simulations numériques. Il ne suffit pas en effet de modéliser correctement le cyclone sur mer pour en déduire les précipitations et le vent sur un tel territoire.

Ce troisième axe traite également de la houle et de la surcote sur les territoires côtiers. La houle générée par un cyclone se propage indépendamment de la trajectoire du système et la vitesse de propagation des trains de houle est généralement supérieure à la vitesse de déplacement du cyclone. A l’inverse, la surcote est créée par le gradient de la pression atmosphérique et, lorsque la profondeur d’eau n’est pas importante et que les vents soufflent vers la côte, par l’action mécanique du vent sur la surface océanique. Un cyclone pourra donc engendrer de fortes surcotes en passant à proximité d’une île, en fonction de la bathymétrie et du trait de côte. Ces deux aléas sont donc très liés à l’intensité des systèmes dépressionnaires, et les progrès attendus sur la prévision d’intensité (premier axe) bénéficieront à la prévision de houle et surcote.

 

Figure 1 : Illustration (pour le cyclone Gamède) des problématiques traitées dans le projet. Pour une prévision jusqu’à 48h qui amène le cyclone à passer au Nord de La Réunion, se posent les questions de : 1. l’évolution de l’intensité du cyclone, 2. la localisation et l’intensité des bandes précipitantes, 3. les impacts sur La Réunion. Ces problématiques se posent à chaque fois qu’un système approche de La Réunion, car les moyens de prévision actuels ne permettent pas d’y répondre précisément

 

Organisation du projet

 

Associant des chercheurs de plusieurs laboratoires ainsi que les services opérationnels de Météo-France, le projet est structuré de la façon suivante :

  • Tâche 1 (transversale) : Préparation des observations et des outils numériques (Météo-France et LACy)

  • Tâche 2 : Prévision de l’intensité des cyclones et de ses changements brusques (LACy, Laboratoire d’Aérologie, CNRM-GAME)

  • Tâche 3 : Formation des précipitations sur mer (LACy et Laboratoire d’Aérologie)

  • Tâche 4 : Prévision des impacts cycloniques : précipitations, vent et état de la mer (LACy, Météo-France)

     

     

Collaborations

 

PRECYP est un projet qui s’insère dans la prospective de l’équipe Cyclones du LACy, et qui est lié à plusieurs autres projets.

Il fait suite à un projet soutenu par le Conseil Régional de La Réunion en 2009 intitulé « Observation et modélisation des changements d’intensité et des impacts des cyclones tropicaux du Sud-Ouest de l’Océan Indien ».

En développant des outils de spatialisation des précipitations intenses, il s’associe également au projet ERORUN d’observation du bassin-versant de la Rivière des Pluies



Quelques résultats


Processus d’intensification rapide des cyclones tropicaux

Des simulations numériques permettent de documenter l’intensification du cyclone tropical Dora (2007) lors de son interaction avec un thalweg (ou structure cohérente) d’altitude originaire des latitudes moyennes.

En reproduisant correctement les deux phases d’intensification du système, lmodélisation de Dora par le modèle Aladin-Réunion a permis de relier l’intensification aux effets du thalweg sur le cyclone et de proposer un modèle conceptuel résumant les processus physiques clés de l’interaction cyclone-thalweg.

Figure 2 : Dans un premier temps, du tourbillon potentiel provenant du thalweg alimente directement le cœur du cyclone en haute et moyenne troposphère, contribuant a son intensification sur la verticale. Ensuite, le thalweg force une accélération des vents à l’extérieur du cyclone, ce qui génère un mur de l’œill secondaire. Un tel changement de structure induit une nouvelle intensification du cyclone par contraction du mur externe et dissipation du mur interne initial.

Anticipation de l’intensification par détection de l’activité électrique

On étudie le lien entre activité électrique et intensification des cyclones en analysant les données éclairs du WWLLN et les positions et intensité des cyclones issues des analyses opérationnelles du CMRS La Réunion entre 2005 et 2012.

Figure 3 : Distribution radiale de la densité d’éclairs (fl.km−2 an−1) dans les systèmes du sud-ouest de l’océan Indien en fonction de l’intensité. Quatre classes d’intensité sont distinguées : dépression tropicale (DT), tempête tropicale (TT), cyclone tropical (CT) et cyclone tropical intense (CTI).

On montre que les systèmes les moins intenses produisent globalement plus d’éclairs que les systèmes les plus intenses. Par ailleurs, dans les systèmes les plus intenses (cyclones tropicaux, et au delà) sur l’océan, l’activité électrique est surtout concentrée dans le mur de l’œil.

 

Modélisation à haute résolution des structures de vent fort

 

L’apport d’une configuration Arome à 2.5 km de résolution depuis des analyses Aladin-Réunion a été étudié pour les vents forts et rafales associés au cyclone Dumilé, passé à proximité de La Réunion en janvier 2013.

Figure 4 : Simulations des rafales de vent pour Aladin-Réunion (en haut) et Arome (en bas), à trois échéances (de gauche à droite), associées au passage du cyclone Dumilé au plus près de La Réunion. Les deux simulations partent du même état initial, qui est une analyse Aladin-Réunion.

Les deux modèles estiment correctement les rafales, mais Arome produit plus de finesse dans le champ de vent en lien avec le relief, faisant apparaître des effets locaux assez marqués et souvent proches des observations.



Publications

 

1. Yu N., C. Barthe and M. Plu, 2014. Evaluating intense precipitation in high-resolution numerical model over a tropical island: impact of model horizontal resolution. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. Discuss.

2. Rechou, A., N. Rao, O. Bousquet, M. Plu, and R. Decoupes, 2014. Properties of rainfall in a tropical volcanic island deduced from UHF wind profiler measurements. Atmos. Meas. Tech., in press.

3. Plu, M., 2013. A variational formulation for translation and assimilation of coherent structures, Nonlin. Processes Geophys., 20, 793-801, doi:10.5194/npg-20-793-2013.

4. Leroux, M.-D., M. Plu, D. Barbary, F. Roux and P. Arbogast, 2013. Dynamical and physical processes leading to tropical cyclone intensification under upper-level trough forcing, J. Atmos. Sci., dx.doi.org/10.1175/JAS-D-12-0293.1

5. Leroux, M.-D., N. E. Davidson, Y. Ma and J. D. Kepert, 2013. Prediction and diagnosis of the motion and rapid intensification of Typhoon Sinlaku during TCS08 (Tropical Cyclone Structure Experiment, 2008), Mon. Wea. Rev., 141(5), 1413-1436.

6. Barthe, C., M. Chong, J.-P. Pinty, C. Bovalo and J. Escobar, 2012. CELLS v1.0: updated and parallelized version of an electrical scheme to simulate multiple electrified clouds and flashes over large domains, Geosci. Model Dev., 5, 167-184.

7. Bovalo, C., C. Barthe and N. Bègue, 2012. A lightning climatology of the South West Indian Ocean, Natural Hazards Earth System Science, 12, 2659–2670.