EQUIPE CYCLONES

 

Composition de l'équipe :

Permanents : David BARBARY (IR Météo-France), Christelle BARTHE (CR1 CNRS), Olivier BOUSQUET (CR1 MEDDE), Fabrice CHANE-MING (MCF UR), Remy LEE-AH-SIEM (TCH Météo-France),  Marie-Dominique LEROUX (Ingénieure des Travaux de La Météorologie - Chercheur), Dominique MEKIES (IR Météo-France), Anne RECHOU (MCF UR),

Non permanents : Christophe BOVALO (ATER), Nan YU (Post-Doctorant)

 


L’équipe Cyclones s’intéresse à l’étude des cyclones et des précipitations intenses à La Réunion. Pour mener à bien ses travaux, elle s’appuie sur l’utilisation de modèles numériques à haute résolution adaptés à l’environnement de l’île ainsi que sur une exploitation intensive de l’ensemble des observations disponibles.

L’équipe maintient également une relation étroite entre ses activités de recherche et les applications opérationnelles, notamment au bénéfice du Centre Météorologique Régional Spécialisé (CMRS) de La Réunion. Elle est ainsi fortement impliquée dans le développement des modèles de prévision numérique pour les besoins de Météo-France dans l’océan Indien, en collaboration avec le Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM) quiconçoit les modèles ALADIN-Réunion et AROME-Réunion utilisés par le CMRS de La Réunion.

Exemple de développement opérationnel pour le CMRS de La Réunion : Illustration du cône d’incertitude (plages de couleur orange et jaune) autour de la prévision du cyclone Gael, jusqu’à 3 jours d’échéance. La taille du cône est proportionnelle à la dispersion de la prévision d’ensemble du CEPMMT

 

 

Depuis 2008, les activités de l’équipe se sont organisées autour de deux axes de recherche principaux, qui sont : i) l’intensification rapide des cyclones tropicaux, où il s’agit de mieux comprendre les mécanismes d’intensification et d’améliorer leur représentation dans les modèles numériques, et ii) l’estimation et la prévision des précipitations intenses, en particulier à La Réunion.

 

Prévoir les phases d’intensification rapide des cyclones tropicaux

 

Bien que la résolution des modèles de prévision cyclonique ait fortement augmenté (elle est aujourd’hui généralement inférieure à la dizaine de km), les prévisions d'intensité et de structure restent confrontées à de graves déficiences. Ces faiblesses s’expliquent essentiellement par la limitation des modèles numériques, la faible quantité d’observations disponibles sur les océans tropicaux et le manque de compréhension des processus physiques mis en jeu. Si les pistes de progrès sont multiples, il existe aujourd’hui un consensus sur le fait que les principales sources d’amélioration des modèles atmosphériques passent avant tout par i) le couplage avec l’océan, ii) l’augmentation de la résolution, iii) la représentation plus réaliste de l’état initial et iv) l’amélioration de la physique (convection, microphysique, processus de surface).

Les études menées dans l’équipe « Cyclones » s’inscrivent dans cette tendance et comportent à la fois un aspect technique, via le couplage océan-atmosphère et la contribution au développement du modèle 3D-VAR Arome-Réunion, et un aspect recherche « amont », axé plus spécifiquement sur l’étude des processus gouvernant les changements de structure et d’intensité des cyclones au moyen de modèles numériques et d’observations.

 

  • Développement de l’assimilation pour la prévision des cyclones

Les travaux menés ces dernières années montrent un apport très net de la haute résolution pour la prévision cyclonique, notamment en ce qui concerne les précipitations locales, les vents, et le cycle diurne de l’ennuagement et des précipitations. Les résultats obtenus suggèrent, en revanche, que les améliorations apportées sont peu significatives en ce qui concerne la dynamique du cyclone tropical et, plus généralement, la prévision des systèmes convectifs advectés (venus du large). L’assimilation d’observations doit permettre de pallier ces lacunes et d’améliorer sensiblement la prévision. Dans ce contexte, l’un des objectifs de l’équipe consiste plus particulièrement à évaluer l’apport de l’assimilation de données télédétectées (radar, satellite) pour la prévision cyclonique.

 

 

Vue d’ensemble du domaine couvert par Arome 3DVAR Océan Indien (en bleu). Le domaine couvre l’ensemble des terres habitées situées dans la zone de responsabilité du CMRS de La Réunion à l’exception de la côte est-Africaine qui sera surveillée, dans un premier temps, à l’aide des modèles globaux. Le système d’assimilation à moyenne échelle permettra notamment d’assimiler les données satellite, radar et GPS sur l’ensemble du bassin.

 

 

  • Couplage océan-atmosphère

La chaleur contenue dans les couches supérieures de l'océan constitue la principale source d'énergie des cyclones tropicaux matures. En conséquence, l'évolution de leur intensité est contrainte par le contenu thermique superficiel de l'océan qui évolue fortement au cours du passage d'un cyclone. La réponse océanique dépendant principalement des caractéristiques du forçage atmosphérique (vitesse maximale des vents, vitesse de déplacement, structure du champ de vent...) et des caractéristiques de l'océan (stratification, contenu thermique, courants...), l’utilisation de modèles couplés océan-atmosphère est nécessaire pour mieux apprécier le contrôle et la réponse de ces deux milieux à l’activité cyclonique.

Dans cette optique, l’équipe travaille sur la modélisation couplée entre des modèles océaniques 1D et 3D et les différents modèles atmosphériques utilisés au sein du LACy (notamment ALADIN-Réunion, Meso-NH et AROME). Ces développements, menés en collaboration avec des équipes de recherche de métropole, dépassent le simple cadre des cyclones tropicaux, mais ces derniers offrent des conditions d’application et d’évaluation idéales pour évaluer l’apport d’un système couplé océan-atmosphère sur la prévision.

  • Processus liés aux phases d'intensification rapide des cyclones tropicaux

La difficulté de prévoir l’intensification rapide des cyclones provient du manque d’observations et de compréhension des processus physiques qui pilotent ces événements. Si les ingrédients environnementaux favorables à l’intensification sont bien connus (contenu thermique de l’océan superficiel suffisant, absence de cisaillement vertical de vent ou d'air sec, alimentation en basses couches...), les interactions complexes entre ces influences externes et la dynamique interne du cyclone demeurent, en revanche, mal comprises.

L’équipe Cyclones conduit des études basées sur les observations d’éclairs et les modèles MESO-NH, ALADIN et AROME pour progresser sur la compréhension des processus physiques (mécanismes internes et influences atmosphériques externes) à l'origine des changements de structure et d'intensité cyclonique.

Schéma conceptuel résumant l’interaction entre le cyclone (CYC) et le thalweg d’altitude. Le vortex cyclonique est initialement défini par du tourbillon potentiel (PV) en basse et en moyenne troposphère. Le mur de l'oeil est matérialisé par deux surfaces d'égal moment angulaire (Ma). La divergence d’altitude est indiquée par deux flèches sortant du coeur du cyclone. Le thalweg est représenté par le flux radial moyen qu'il impose permettant l'advection de PV jusqu'au coeur du cyclone, par le forçage dynamique (vitesses verticales w), ainsi que par l’activité ondulatoire (flux EP) correspondant à des flux asymétriques. L’apparition du mur secondaire externe du cyclone est représentée par une plage de couleur orange.

 

2008 à 2013 en bref...

Projet

Densité d'éclairs (flash km-2 an-1) dans le mur de l’oeil 24h, 18h, 12h, 6h avant, au moment de, et 6h après l'intensification pour les systèmes a) sur l'océan ouvert, b) à moins de 400 km des côtes est de Madagascar et c) dans le Canal du Mozambique. Différents seuils d'intensification sont appliqués : pas de seuil (courbe bleue), +2.5 noeuds (6h)-1 (courbe verte), +5 noeuds (6h)-1 (courbe orange), +7.5 noeuds (6h)-1 (courbe rouge) et +10 noeuds (6h)-1.

 

 

Étude des précipitations intenses à La Réunion

 

En saison cyclonique les précipitations intenses occasionnent régulièrement le débordement des cours d’eau de l’Ile de La Réunion et sont à l’origine de phénomènes d’érosion particulièrement forts. Prévoir raisonnablement la quantité et la distribution des précipitations sur cette île au relief très abrupt présente donc un enjeu sociétal et scientifique très important. Dans ce contexte, différents types de travaux sont conduits afin d’étudier et de mieux prévoir la nature et la variabilité spatio-temporelle des précipitations. Pour mener à bien cet objectif, l’équipe s’appuie notamment sur les modèles AROME et Méso-NH et sur les systèmes d’observation de Météo-France et de l’OSU-Réunion.

 

  •  Simulation à fine échelle des systèmes précipitants et des pluies à La Réunion

Bien que l’île dispose de plusieurs radars précipitations et d’un réseau d’observation au sol conséquent, l’estimation précise de la distribution et de l’intensité des précipitations à La Réunion demeurent des défis considérables. Du fait du relief escarpé, certaines régions, parmi les plus pluvieuses de l’île, ne peuvent, en effet, être équipées de pluviomètres. Le recours à la modélisation numérique est un moyen efficace d’améliorer l’estimation de la distribution et de l’intensité des pluies à La Réunion à condition d’utiliser des modèles à échelle fine capables de résoudre les processus physiques à l’origine des précipitations et de représenter correctement le relief de l’île.

Un des thèmes de recherche de l’équipe porte sur l’amélioration et l’adaptation (aux conditions tropicales) des schémas microphysiques utilisés dans les modèles numériques qui ont été initialement conçus pour des modèles de faible résolution et généralement à partir d’observations des moyennes latitudes. Outre ces travaux de développement, l’équipe organise également des campagnes de mesure pour obtenir des données expérimentales permettant d’évaluer les performances des nouveaux schémas numériques qu’elle développe.

Des travaux récents, portant sur un épisode de pluies extrême survenu en Janvier 2011 ont permis d’évaluer la sensibilité de la prévision à la représentation du relief dans un modèle numérique. Un ensemble de simulations, réalisées à 4, 2, 1 et 0.5 km de résolution avec le modèle Méso-NH, montre que les performances du modèle augmentent significativement avec l’augmentation de la résolution jusqu’à 1 km, pour se stabiliser par la suite. On montre notamment que seules les simulations à plus haute résolution (1km et 500m) permettent de représenter les plages froides sous-orage et les circulations locales qui pilotent la formation et la distribution des précipitations sur et au voisinage de l’île. Ces résultats suggèrent qu’un modèle opérationnel dédié à la prévision du temps sensible à La Réunion devra nécessairement utiliser des résolutions de 1km, voir 500m, afin de représenter correctement l’intensité et la distribution des précipitations sur l’île.

Champs de vent horizontal (ms−1) et de température potentielle (K) à 950 hPa simulés par le modèle Méso-NH le 30 Jan 2011 à 12 UTC à la résolution de (a) 2-km, (b) 1-km et (c) 500-m. Le cumul de pluie (mm) observé par radar entre 12 et 15 UTC est indiqué en (d).

 

 

  • Structure et cycle de vie des systèmes convectifs de moyenne-échelle

L’existence d’un réseau constitué de deux radars Doppler opérationnels proches de quelques dizaines de kilomètres, comme c’est le cas depuis peu à La Réunion avec les radars du Colorado et de Piton Villers, ouvre des possibilités intéressantes pour l’étude des précipitations et des systèmes convectifs de moyenne échelle tropicaux. Ce dispositif, unique sous les tropiques, est d’autant plus exceptionnel que le radar de Piton Villers, installé en 2012, est également équipé de la diversité de polarisation.

Une des activités de l’équipe est de développer des méthodes de traitement spécifiques aux données collectées par ces instruments, afin d’accéder à la structure dynamique (champ de vent tridimensionnel) et microphysique (champs tridimensionnels de réflectivité et de type d’hydrométéores) de l’ensemble des systèmes convectifs, et notamment des cyclones, passant sur ou à proximité de l’île. L’équipe exploite également une profileur UHF déployé et un disdromètre optique déployés dans le bassin versant de la rivière des pluies.

 

 

Le cyclone Dumilé (œil et mur de l’œil) vu par les radars de La Réunion le 3 janvier 2013 à 10 :10 UTC.

 

 

PUBLICATIONS MAJEURES (2008-2013) :

 

1. 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.

2. Beck J., O. Bousquet and M. Nuret, 2014.  Model Wind Field Forecast Verification Using Multiple-Doppler Syntheses from a National Radar Network. Weather and Forecasting, in press.

3. Baray J.L., Y. Courcoux, P. Keckhut, T. Portafaix, P. Tulet, A. Hauchecorne, S. Godin-Beekmann, M. De Mazière, C. Hermans, F. Desmet, K. Sellegri, A. Colomb, M. Ramonet, J. Sciare, C. Hoareau, D. Dionisi, V. Duflot, H. Vérèmes, J. Porteneuve, F. Gabarrot, T. Gaudo, J.M. Metzger, G. Payen, J. Leclair de Bellevue, C. Barthe, F. Posny, P. Ricaud, A. Abchiche, R. Delmas, and J.P. Cammas, 2014. Maïdo Observatory : A new altitude station facility at Reunion Island (21°S, 55°E) for long term atmospheric remote sensing and in-situ measurements, Atmos. Meas. Tech. Disc., in press.

4. 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.

5. Legain D., O. Bousquet, T. Douffet, D. Tzanos, E. Moulin, J. Barrie and J-B Renard, 2013. High frequency boundary layer profiling with reusable radiosondes. Atmos. Meas. Tech., 6, 2195-2205.

6. Jolivet, S., F. Chane-Ming, D. Barbary and F. Roux, 2013. A numerical study of orographic forcing on TC Dina (2002) in south-west Indian Ocean, Ann. Geophys., 31, 107-125.

7. Lagouvardos, K., V. Kotroni, E. Defer, and O. Bousquet, 2013. Study of a heavy precipitation event over southern France, in the frame of HYMEX project: Observational analysis and model results using assimilation of lightning. Atmospheric Research, 134, 45-55.

8. 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., 70, 2547-2565.

9. Pinty, J.-P., C. Barthe, E. Defer, E. Richard, and M. Chong, 2013. Explicit simulations of electrified clouds: from idealized to real cas studies, Atmos. Res., doi:10.1016/j.atmosres.2012.04.008.

10. Réchou, A., J. Arnault, P. Dalin and S. Kirkwood, 2013. Case study of stratospheric gravity waves of convective origin over Arctic Scandinavia - VHF radar observations and numerical modelling, Ann. Geophys., 31, 239-250.

11. Tsenova, B., C. Barthe, J.-P. Pinty and R. Mitzeva, 2013. Impact of parameterizations based on rime accretion rate and effective water content on simulated with Meso-NH thunderstorms charge distribution, Atmos. Res., Vol.128, Pages 85-97, ISSN 0169-8095, 10.1016/j.atmosres.2013.03.011.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15.  Barthe, C., C. Mari, J.-P. Chaboureau, P. Tulet, F. Roux and J.-P. Pinty, 2011. Numerical study of tracers transport by a mesoscale convective system over West Africa, Ann. Geophys., 29(5), 731-747.

16. Dupont, T., M. Plu, P. Caroff and G. Faure, 2011. Verification of ensemble-based uncertainty circles around tropical cyclone track forecasts, Wea. Forecasting, 26(5), 664-676.

17. Plu, M., 2011. A new assessment of the predictability of tropical cyclone tracks, Mon. Wea. Rev., 139(11), 3600-3608.

18. Soula, S., O. Van Der Velde, J. Montanya, P. Huet, C. Barthe and J. Bor, 2011. Gigantic jets produced by an isolated tropical thunderstorm near Reunion Island, J. Geophys. Res., 116, D19103.

19. Barthe, C., W. Deierling and M. C. Barth, 2010. Estimation of total lightning from various storm parameters: A cloud-resolving model study, J. Geophys. Res. 115, D24202.

20. Barthe, C., N. Asencio, J.-P. Lafore, M. Chong, B. Campistron and F. Cazenave, 2010. Multi-scale analysis of the 25-27 July 2006 convective period over Niamey: Comparison between Doppler radar observations and simulations, Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 136, 190-208.

21. Baray, J,-L., G. Clain, M. Plu, E. Feld and P. Caroff, 2010. Occurrence of monsoon depressions in the South-West Indian Ocean: synoptic descriptions and stratosphere to troposphere exchange investigations, J. Geophys. Res., 115, D17108, doi:10.1029/2009JD013390

22. Chane-Ming, F., Z. Chen and F. Roux, 2010. Analysis of gravity-waves produced by intense tropical cyclones, Ann. Geophys., 28, 531-547.

23. Ibrahim, C., F. Chane-Ming, C. Barthe and Y. Kuleshov, 2010. Diagnosis of tropical cyclone activity through gravity wave energy density in the south west Indian Ocean, Geophys. Res. Lett., doi:10.1029/2010GL042938.

24. *Gilet, J.-B., M. Plu and G. Rivière, 2009. Nonlinear baroclinic dynamics of surface cyclones crossing a zonal jet, J. Atmos. Sci., 66(10), 3021-3041.

25. Kuleshov Y., F. Chane-Ming, L. Qi, C. Ibrahim, C. Hoareau and F. Roux, 2009. Tropical cyclone genesis in the southern hemisphere and its relationship with the ENSO, Ann. Geophys., 27, 2523-2538.

26. Kuleshov, Y., L. Qi, D. Jones, R. Fawcett, F. Chane Ming, J. Mcbride and H. Ramsay, 2010. On developing a tropical cyclone archive and climatology for the South Indian and South Pacific Oceans, Tropical Cyclones and Climate Change , Ed. Y. Charabi, Springer.*

27. *Samson, G., H. Giordani, G. Caniaux and F. Roux, 2009. Numerical investigation of an oceanic resonant regime induced by hurricane winds. Ocean Dynamics, 59, 565-586.

28. Kafando P., F. Chane-Ming and M. Petitdidier, 2008. Climatology of gravity wave activity during the West African Monsoon, Ann. Geophys., 26, 4081-4089.

29. Montroty, R., F. Rabier, S. Westrelin, G. Faure and N. Viltard, 2008. Impact of wind bogus and cloud and rain affected SSM/I data on tropical cyclones analyses and forecasts, Quart. J. Roy. Met. Soc., 134(636) 1673-1699.