D) Energie et vents au sein des cyclones tropicaux

D1) Pourquoi les vent dans un cyclone tournent-ils dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère Sud et dans le sens inverse dans l'hémisphère Nord ?
D2) Quelles sont les différences entre "vent moyen maximum", "vent soutenu maximum" et rafales ?
D3) Pourquoi les vents les plus forts sont-ils généralement sur la partie gauche du cyclone (dans l'hémisphère Sud) ?
D4) Quelle quantité d'énergie est générée par un cyclone tropical ?
D5) Que sont les " cycles de l'œil " (ou les " cycles de remplacement de l'œil ") et comment provoquent-ils l'affaiblissement des vents maximum au sein d'un cyclone tropical ?
D6) Comment un cyclone tropical peut avoir une vitesse de vent différente pour une pression minimale donnée ?
D7) Pourquoi le seuil de cyclone tropical est-il à 64 noeuds ?

Sujet D1) Pourquoi les vent dans un cyclone tournent-ils dans le sens des aiguilles d´une montre dans l´hémisphère Sud et dans le sens inverse dans l´hémisphère Nord ?

Traduction de la contribution de Chris Landsea.

La rotation de la Terre induit une force (appelée force de Coriolis) qui dévie les vents vers la droite dans l´hémisphère Nord (et vers la gauche dans l´hémisphère Sud). Donc, quand une zone de basses pressions commence à se former au nord de l´équateur, les vents en surface convergent vers le centre de cette zone pour essayer de la combler, ils sont déviés vers la droite et la rotation dans le sens inverse des aiguilles dd´une montre est initialisée. Le contraire (une déviation à gauche) se produit au sud de l´équateur.
NOTE : Cette force est trop faible pour déclencher la rotation ; par exemple, l´eau qui descend dans le siphon dd´un évier : la rotation dans ce cas sera déterminée par la géométrie du récipient et le mouvement initial de l´eau. On peut donc trouver dans un même hémisphère les deux rotations dans les éviers. Si vous ne le croyez pas, tentez l´expérience.

Sujet D2) Quelles sont les différences entre "vent moyen maximum", "vent soutenu maximum" et rafales ?

Traduction de la contribution de Chris Landsea.

Les "vents moyens " sont des vents qui durent -contrairement aux rafales. Ces "vents moyens" sont moyennés sur une durée de 10 mn. Les "vents moyens maximum" sont les vents de surface les plus forts sur 10 mn soufflant au sein de la circulation du système. Ces vents de surface sont ceux mesurés (ou plus souvent estimés) à la hauteur météorologique standard de 10 m sur une surface libre (i.e. non encombrée par des arbres ou des bâtiments).
l´OMM (Organisation Météorologique Mondiale) préconise de moyenner les vents sur 10 mn pour obtenir le "vent moyen", ce qui est appliqué dans la plupart des bassins cycloniques. Toutefois, sur les bassins Atlantique et Pacifique Nord-est, dont la responsabilité du suivi des systèmes tropicaux incombe aux Etats-Unis, la moyenne utilisée comme standard est de 1 mn.
Les vents moyennés sur 1 mn sont appelés "vents soutenus".
Le fait d´utiliser des standards différents pour mesurer les vents d´un bassin à l´autre complique passablement la comparaison des systèmes tropicaux à travers le monde - même si l´on peut utiliser un facteur simple pour passer des vents mesurés sur 10 mn à des vents mesurés sur 1 mn, (approximativement 13% plus grands pour ces derniers).
Les rafales sont les pointes de vent mesurées sur quelques secondes (2-3s). Typiquement dans l´environnement d´un cyclone, la valeur d´une rafale maximum de 3 s mesurée sur une période de 10 mn est de l´ordre de 1.4 fois (soit 40% supérieure) celle du vent moyenné sur 10 mn.

Référence : Powell, M.D., S.H. Houston, and T.A. Reinhold, 1996: "Hurricane Andrew´s Landfall in South Florida, Part I: Standardizing measurements for documentation of surface wind fields." Wea. Forecast. v.11, p.329-349.

Sujet D3) Pourquoi les vents les plus forts sont-ils généralement sur la partie gauche du cyclone (dans l´hémisphère Sud) ?

Traduction de la contribution de Chris Landsea.

En premier lieu, le "côté gauche du cyclone" est défini par rapport au mouvement du système : si le phénomène se déplace vers l´ouest, le côté gauche est au sud du système ; s´il va vers le nord, le côté gauche est à l´ouest du système, etc ...

En général, les vents les plus forts d´un cyclone sont situés sur le côté gauche parce que le déplacement du phénomène contribue à la circulation cyclonique.
Considérons un cyclone stationnaire avec des vents moyens de 90 km/h ; s´il commence à se déplacer (quelle que soit la direction) à 10 km/h, on pourrait mesurer des vents de 100 km/h sur son côté gauche et des vents de 80 km/h sur son côté droit.
Pour les cyclones tropicaux de l´hémisphère nord, ces différences sont inversées : les vents les plus forts sont situés à droite du système.
Au nord de l´équateur, les vents tournent en effet dans le sens inverse des aiguilles d´une montre au sein des systèmes tropicaux.

Sujet D4) Quelle quantité d´énergie est générée par un cyclone tropical ?

Traduction de la contribution de Chris Landsea.

En première approximation, les cyclone tropicaux peuvent être imaginés comme un moteur thermique: ils tirent leur énergie de l´air humide et chaud au-dessus de l´océan, libèrent ensuite cette énergie grâce à la condensation de la vapeur d´eau en gouttelettes au cœur des nuages convectifs du mur de l´œil et des bandes de pluie, puis évacuent l´air froid dans les niveaux supérieurs de la troposphère (~ 12 km d´altitude).
On peut voir l´énergétique d´un cyclone tropical de deux façons :

la quantité totale d´énergie libérée par la condensation des gouttelettes d´eau ou ...
la quantité de l´énergie cinétique générée pour maintenir les vents forts tourbillonnants du système (Emanuel, 1999).

Il s´avère qu'une grande partie de la chaleur libérée lors du processus de condensation est utilisée pour provoquer des mouvements ascendants dans les nuages convectifs et seule une petite partie actionne les vents horizontaux du système.

Méthode 1 - Energie totale libérée par la formation des nuages/pluies :
Un cyclone moyen produit 1.5 cm/jour de pluie dans un cercle de rayon de 665 km (Gray, 1981) (Plus de pluie dans la partie interne de l´ouragan, autour du mur de l´œil, moins dans les bandes externes).
Converti en volume, ceci donne 2.1 x 10¹⁶ cm3/ jour. 1 cm3 de pluie pèse 1 g.
En utilisant la chaleur latente de condensation, cette quantité de pluie produit
5.2 x 10¹⁹ Joules/jour soit 6.0 x 10¹⁴ Watts.
Ce qui équivaut à 200 fois la capacité de génération électrique du monde entier - une quantité fabuleuse d´énergie produite !
Méthode 2 - Energie cinétique totale (énergie due au vent).
Pour un cyclone mature, la quantité d´énergie cinétique générée est égale à celle dissipée par friction. Le taux de dissipation par unité d´aire = densité de l´air x coefficient de friction x (vitesse du vent)³. (voir Emanuel 1999 pour les détails).

On pourrait également intégrer un profil de vent type le long d´un rayon entre le centre et le bord externe du cyclone ou adopter une vitesse de vent moyenne pour le cœur du cyclone.
En prenant cette dernière option et une vitesse de vent de 40 m/s sur un rayon de 60 km, on obtient un taux de dissipation du vent (taux de génération de vent) de
1.3 x 10¹⁷ Joules/jour ou 1.5 x 10¹² Watts.
Ceci est équivalent à environ la moitié de la capacité de génération électrique du monde entier - également une quantité incroyable d´énergie produite!

Chacune des deux méthodes montre la quantité phénoménale d´énergie produite par les cyclones. Quoiqu´il en soit, on constate que la quantité d´énergie libérée dans un cyclone (en générant les nuages/pluie) nécessaire pour maintenir les vents tourbillonnants des cyclones est un taux énorme de 400 pour 1.

Sujet D5) Que sont les "cycles de l´œil" (ou les "cycles de replacement de l´œil"), et comment provoquent-ils l´affaiblissement des vents maximum au sein d´un cyclone tropical ?

Traduction de la contribution de Stan Goldenberg.

Ouragan Wilma, du 19 au 21 octobre 2007.

Les "cycles de l´œil" (ou "cycle de remplacement de l´œil") apparaissent dans les cyclones tropicaux intenses, i.e. les ouragans majeurs (vents > 50 m/s ou 100 kt), soit les ouragans de catégorie 3, 4, 5 sur l´échelle de Saffir-Simpson en Atlantique.
Quand les cyclones tropicaux atteignent ce seuil d´intensité, ils ont généralement - mais pas toujours - un mur de l´œil et un rayon de vent maximum qui se contractent jusqu´à atteindre une très petite taille, de l´ordre de 10 à 25 km.
A ce stade, une des bandes de pluie externe peut s´organiser en un anneau externe de nuages convectifs, lentement se resserrer et priver le mur de l´œil interne de l´humidité et du moment angulaire nécessaire à son maintien. Lors de cette phase, le système s´affaiblit (i.e. les vents maximum diminuent un peu et la pression centrale remonte). Parfois le mur de l´œil externe remplace complètement le mur de l´œil interne et le système peut regagner alors en intensité, voire devenir plus intense.
Un cycle de l´œil a eu lieu avant l´atterrissage de l´ouragan Andrew près de Miami (1992) : Andrew était très intense, un mur de l´œil externe s´est formé, s´est contracté avec un affaiblissement prononcé du système et lorsque le mur de l´œil externe a complètement remplacé celui d´origine, le cyclone s´est ré-intensifié.
Un autre exemple est l´ouragan Allen (1980) qui a connu des cycles de l´œil répétés, et a évolué entre les stades de catégorie 3 et 5 plusieurs fois.
Sur notre bassin, Kalunde en mars 2003, Gafilo en février 2004 et plus récemment, Dora, en février 2007, ont connu des cycles de l´œil qui se sont terminés en structure annulaire pour Dora.
Pour en apprendre plus sur les cycles de l´œil, lire Willoughby et al. (1982) et Willoughby (1990a).

Sujet D6) Comment un cyclone tropical peut avoir une vitesse de vent différente pour une pression minimale donnée ?

Traduction de la contribution de Chris Landsea.

L´équilibre horizontal de base dans un cyclone tropical au-dessus de la couche limite est donnée par la somme de la force de Coriolis et de l´accélération centripète égales au gradient horizontal de pression. Cet équilibre est connu sous le nom d´"équilibre du gradient", où la force de Coriolis est définie comme la vitesse horizontale d´une parcelle d´air v, multipliée par le paramètre de Coriolis f.
La force centripète est l´accélération de cette particule se déplaçant sur une courbe, dirigée vers le centre de cette courbe, avec une valeur de v²/r, où v est la vitesse horizontale de cette particule et r le rayon de courbure. La force centripète modifie l´équilibre géostrophique d´origine et crée un gradient de vent non-géostrophique.
La raison pour laquelle différents pics de vent peuvent résulter en différentes pressions au centre est due au fait que ce rayon r de ce pic de vent varie. Un système avec 40 m/s de pic de vent avec un rayon de vent maximum (Radius of Maximum Wind RMW) de 100 km aura une baisse de pression plus petite qu´un vent avec 25 km de RMW.

Sujet D7) Pourquoi le seuil de cyclone tropical est-il à 64 noeuds ?

Traduction de la contribution de Neal Dorst.

En 1805-1806, le Commandant Francis Beaufort de la Royal Navy (plus tard l´amiral Sir Francis Beaufort) conçut une échelle de vent descriptive pour standardiser les comptes-rendus de vent des livres de bord des bateaux. Son échelle divisait les vitesses de vent en 14 forces (peu de temps après réduite à 13) avec, assignés à chaque force, un nombre, un nom d´usage, et une description des effets qu´aurait le vent sur un voilier. Et comme le vent le plus fort qu´aurait à connaître un navigateur en Atlantique était un ouragan, ce nom a été appliqué à la dernière Force de l´échelle.
Au cours du XIXème siècle, avec l´avènement d´anémomètres précis, on a assigné à chaque Force les valeurs numériques actuelles, mais ce n´est qu´en 1926 (avec des révisions en 1939 et 1946) que le Comité Météorologique International (le prédécesseur de l´OMM -Organisation Météorologique Mondiale) a adopté une échelle universelle de valeurs de vitesse de vent. Comme l´échelle était nautique à l´origine, et donc que la plupart des vents étaient donnés à ce moment là en miles nautiques par heure (ou convertis en mn/h), ces valeurs numériques furent données en nœuds.
C´était une échelle progressive avec une plage de vent plus grande au fur et à mesure que les Forces montaient. La Force 1 a donc une plage de seulement 3 nœuds (1 nd - 3 nd), tandis que la Force 11 en a une de 8 (56 nd - 63 nd). La Force 12 [Ouragan] commence donc à 64 nd (33m/s). Il n´y a rien d´extraordinaire dans ce nombre, et comme les vents de force ouragan sont rarement observés, il y a de fortes chances pour que le comité responsable de ce choix ne l´ait effectué sans rapport avec une quelconque observation in situ.
L´échelle de Smeaton-Rouse de 1769 alliait d´ailleurs la force ouragan à 70 nœuds (36 m/s).
De la même manière, quand un cyclone tropical connaît des vents de cette force, la structure mature apparaît (œil, mur de l´œil, bandes de pluie spiralées) ; il y a donc un intérêt à diagnostiquer des vents de force ouragan dans les parages.

Références : Hamblyn, Richard "The Invention of Clouds : How an Amateur Meteorologist Forged the Language of the Skies", (2001) Farrar, Straus, and Giroux New York, NY DeBlieu, Jan "Wind : How the Flow of Air Has Shaped Life, Myth, and the Land" (1998) Houghton Mifflin Co. New York, NY.