Cycle de remplacement du mur de l'œil - Eyewall replacement cycle

L'ouragan Juliette , un cas rare de triple paroi oculaire.

En météorologie , les cycles de remplacement du mur oculaire , également appelés cycles concentriques du mur oculaire , se produisent naturellement dans les cyclones tropicaux intenses , généralement avec des vents supérieurs à 185 km/h (115 mph), ou les ouragans majeurs ( catégorie 3 ou supérieure). Lorsque les cyclones tropicaux atteignent cette intensité et que le mur de l'œil se contracte ou est déjà suffisamment petit, certaines des bandes de pluie externes peuvent se renforcer et s'organiser en un anneau d' orages — un mur de l'œil extérieur — qui se déplace lentement vers l'intérieur et prive le mur de l'œil intérieur de son humidité nécessaire et moment angulaire . Étant donné que les vents les plus forts se trouvent dans le mur de l' œil d' un cyclone , le cyclone tropical s'affaiblit généralement pendant cette phase, car la paroi interne est "étouffée" par la paroi externe. Finalement, le mur de l'œil extérieur remplace complètement l'intérieur et la tempête peut s'intensifier.

La découverte de ce processus était en partie responsable de la fin de l'expérience de modification des ouragans du gouvernement américain Project Stormfury . Ce projet visait à semer des nuages à l'extérieur du mur de l'œil, provoquant apparemment la formation d'un nouveau mur de l'œil et affaiblissant la tempête. Lorsqu'on a découvert qu'il s'agissait d'un processus naturel dû à la dynamique des ouragans , le projet a été rapidement abandonné.

Presque tous les ouragans intenses subissent au moins un de ces cycles au cours de leur existence. Des études récentes ont montré que près de la moitié de tous les cyclones tropicaux, et presque tous les cyclones avec des vents soutenus de plus de 204 kilomètres par heure (127 mph; 110 kn), subissent des cycles de remplacement du mur oculaire. L'ouragan Allen en 1980 a subi des cycles répétés de remplacement du mur de l'œil, fluctuant plusieurs fois entre les statuts de catégorie 5 et de catégorie 4 sur l' échelle des ouragans de Saffir-Simpson . Le typhon June (1975) a été le premier cas signalé de triple paroi oculaire, et l' ouragan Juliette (2001) en était un cas documenté.

Histoire

1966 photo de l'équipage et du personnel du projet Stormfury.

Le premier système tropical à être observé avec des parois oculaires concentriques a été le typhon Sarah de Fortner en 1956, qu'il a décrit comme « un œil dans un œil ». La tempête a été observée par un avion de reconnaissance comme ayant un mur oculaire intérieur à 6 kilomètres (3,7 mi) et un mur oculaire extérieur à 28 kilomètres (17 mi). Au cours d'un vol ultérieur, 8 heures plus tard, le mur de l'œil intérieur avait disparu, le mur de l'œil extérieur s'était réduit à 16 kilomètres (9,9 mi) et les vents maximums soutenus et l'intensité des ouragans avaient diminué. L'ouragan suivant observé pour avoir des parois oculaires concentriques était l' ouragan Donna en 1960. Le radar des avions de reconnaissance a montré un œil interne qui variait de 10 miles (16 km) à basse altitude à 13 miles (21 km) près de la tropopause. Entre les deux murs oculaires se trouvait une zone de ciel clair qui s'étendait verticalement de 3 000 pieds (910 m) à 25 000 pieds (7 600 m). Les nuages ​​bas à environ 3 000 pieds (910 m) ont été décrits comme des stratocumulus avec des rouleaux horizontaux concentriques. Il a été rapporté que le mur de l'œil extérieur atteignait des hauteurs proches de 45 000 pieds (14 000 m) tandis que le mur de l'œil intérieur ne s'étendait que jusqu'à 30 000 pieds (9 100 m). 12 heures après l'identification des parois oculaires concentriques, la paroi interne de l'œil s'était dissipée.

L'ouragan Beulah en 1967 a été le premier cyclone tropical à voir son cycle de remplacement du mur de l'œil observé du début à la fin. Les observations précédentes de murs oculaires concentriques provenaient de plates-formes aériennes. Beulah a été observé depuis le radar terrestre de Porto Rico pendant 34 heures, au cours desquelles un double mur oculaire s'est formé et s'est dissipé. Il a été noté que Beulah a atteint l'intensité maximale juste avant de subir le cycle de remplacement du mur de l'œil, et que c'était "probablement plus qu'une coïncidence". On avait observé que les cycles précédents de remplacement du mur de l'œil diminuaient l'intensité de la tempête, mais à ce moment-là, la dynamique de sa survenue n'était pas connue.

Dès 1946, on savait que l'introduction de glace carbonique ou d'iodure d'argent dans les nuages ​​contenant de l'eau en surfusion transformerait certaines des gouttelettes en glace, suivi du processus Bergeron-Findeisen de croissance des particules de glace au détriment des gouttelettes. , dont l'eau finirait en grosses particules de glace. L'augmentation du taux de précipitations entraînerait la dissipation de la tempête. Au début des années 1960, la théorie de travail était que le mur de l'œil d'un ouragan était instable par inertie et que les nuages ​​avaient une grande quantité d'eau en surfusion. Par conséquent, semer la tempête à l'extérieur du mur de l'œil libérerait plus de chaleur latente et entraînerait l'expansion du mur de l'œil. L'expansion du mur de l'œil s'accompagnerait d'une diminution de la vitesse maximale du vent par conservation du moment cinétique .

Projet Stormfury

Le projet Stormfury était une tentative d'affaiblir les cyclones tropicaux en y faisant voler des avions et en semant de l' iodure d'argent . Le projet a été dirigé par le gouvernement des États-Unis de 1962 à 1983.

L'hypothèse était que l'iodure d'argent ferait geler l' eau en surfusion dans la tempête, perturbant la structure interne de l'ouragan. Cela a conduit à l'ensemencement de plusieurs ouragans de l'Atlantique. Cependant, il a été montré plus tard que cette hypothèse était incorrecte. En réalité, il a été déterminé que la plupart des ouragans ne contiennent pas assez d'eau surfondue pour que l'ensemencement des nuages ​​soit efficace. De plus, les chercheurs ont découvert que les ouragans non ensemencés subissent souvent les cycles de remplacement du mur de l'œil attendus des ouragans ensemencés. Cette découverte a remis en question les succès de Stormfury, car les changements signalés avaient désormais une explication naturelle.

Le dernier vol expérimental a eu lieu en 1971, en raison d'un manque de tempêtes candidates et d'un changement dans la flotte de la NOAA . Plus d'une décennie après la dernière expérience de modification, le projet Stormfury a été officiellement annulé. Bien qu'ayant échoué dans son objectif de réduire la destructivité des ouragans, le projet Stormfury n'était pas sans mérite. Les données d'observation et la recherche sur le cycle de vie des tempêtes générées par Stormfury ont aidé à améliorer la capacité des météorologues à prévoir le mouvement et l'intensité des futurs ouragans.

Formation secondaire du mur de l'œil

Les images de la mission de mesure des précipitations tropicales montrent le début d'un cycle de remplacement du mur de l'œil lors de l' ouragan Frances .

Les parois oculaires secondaires étaient autrefois considérées comme un phénomène rare. Depuis l'avènement des avions de reconnaissance et des données satellitaires micro-ondes, il a été observé que plus de la moitié de tous les grands cyclones tropicaux développent au moins un mur oculaire secondaire. Il y a eu de nombreuses hypothèses qui tentent d'expliquer la formation de parois oculaires secondaires. La raison pour laquelle les ouragans développent des parois oculaires secondaires n'est pas bien comprise.

Identification

L'identification qualitative des parois oculaires secondaires est facile à faire pour un analyste des ouragans. Cela implique de regarder des images satellite ou radar et de voir s'il y a deux anneaux concentriques de convection améliorée. Le mur de l'œil externe est généralement presque circulaire et concentrique avec le mur de l'œil interne. L'analyse quantitative est plus difficile car il n'existe aucune définition objective de ce qu'est un mur oculaire secondaire. Kossin et al. . précisait que l'anneau extérieur devait être visiblement séparé de l'œil intérieur avec au moins 75 % de fermeture avec une région de douves exempte de nuages.

Alors que des murs oculaires secondaires ont été observés alors qu'un cyclone tropical approchait de la terre, aucun n'a été observé tant que l'œil n'est pas au-dessus de l'océan. Juillet offre les meilleures conditions environnementales de fond pour le développement d'un mur oculaire secondaire. Les changements d'intensité des ouragans puissants tels que Katrina, Ophelia et Rita se sont produits simultanément avec les cycles de remplacement du mur de l'œil et comprenaient des interactions entre les murs de l'œil, les bandes de pluie et les environnements extérieurs. Les cycles de remplacement du mur de l'œil, comme celui qui s'est produit à Rita à l'approche de la côte du golfe des États-Unis , peuvent considérablement augmenter la taille des cyclones tropicaux tout en diminuant simultanément leur force.

Au cours de la période 1997-2006, 45 cycles de remplacement du mur de l'œil ont été observés dans l'océan Atlantique Nord tropical, 12 dans le Pacifique Nord-Est et 2 dans le Pacifique Nord-Ouest. 12 % de toutes les tempêtes de l'Atlantique et 5 % des tempêtes du Pacifique ont subi un remplacement du mur oculaire au cours de cette période. Dans l'Atlantique Nord, 70 % des ouragans majeurs ont eu au moins un remplacement du mur de l'œil, contre 33 % de toutes les tempêtes. Dans le Pacifique, 33 % des ouragans majeurs et 16 % de tous les ouragans ont eu un cycle de remplacement du mur de l'œil. Les tempêtes plus fortes ont une probabilité plus élevée de former un mur oculaire secondaire, 60% des ouragans de catégorie 5 subissant un cycle de remplacement du mur oculaire dans les 12 heures.

Au cours des années 1969-1971, 93 tempêtes ont atteint la force de tempête tropicale ou plus dans l'océan Pacifique. 8 des 15 tempêtes ayant atteint la force d'un super typhon (65 m/s), 11 des 49 tempêtes ayant atteint la force d'un typhon (33 m/s) et aucune des 29 tempêtes tropicales (<33 m/s) n'a développé de parois oculaires concentriques. Les auteurs notent que parce que l'avion de reconnaissance ne recherchait pas spécifiquement des caractéristiques de double paroi oculaire, ces chiffres sont probablement sous-estimés.

Au cours des années 1949-1983, 1268 typhons ont été observés dans le Pacifique occidental. 76 d'entre eux avaient des parois oculaires concentriques. De tous les typhons qui ont subi un remplacement du mur de l'œil, environ 60 % l'ont fait une seule fois ; 40 % ont eu plus d'un cycle de remplacement du mur de l'œil, deux des typhons ayant subi chacun cinq remplacements du mur de l'œil. Le nombre de tempêtes avec cycles de remplacement du mur oculaire était fortement corrélé à la force de la tempête. Les typhons plus forts étaient beaucoup plus susceptibles d'avoir des parois oculaires concentriques. Il n'y a eu aucun cas de double paroi oculaire où le vent maximum soutenu était inférieur à 45 m/s ou la pression minimale était supérieure à 970 hPa. Plus des trois quarts des typhons qui avaient des pressions inférieures à 970 hPa ont développé la fonction de double paroi oculaire. La majorité des typhons du Pacifique occidental et central qui connaissent des doubles parois oculaires le font à proximité de Guam.

Hypothèses de formation précoce

Murs oculaires concentriques observés dans le typhon Haima alors qu'il traverse l'océan Pacifique vers l'ouest.

Depuis que les cycles de remplacement du mur de l'œil ont été découverts comme étant naturels, il y a eu un vif intérêt pour essayer d'identifier leurs causes. De nombreuses hypothèses ont été avancées et sont aujourd'hui abandonnées. En 1980, l'ouragan Allen a traversé la région montagneuse d'Haïti et a simultanément développé un mur oculaire secondaire. Hawkins a noté cela et a émis l'hypothèse que le mur oculaire secondaire pourrait avoir été causé par un forçage topographique. Willoughby a suggéré qu'une résonance entre la période d'inertie et le frottement asymétrique peut être la cause des parois oculaires secondaires. Des études de modélisation et des observations ultérieures ont montré que les parois oculaires externes peuvent se développer dans des zones non influencées par les processus terrestres.

De nombreuses hypothèses suggèrent un lien entre les caractéristiques de l'échelle synoptique et le remplacement secondaire du mur de l'œil. Il a été observé que des perturbations semblables à des vagues progressives radialement vers l'intérieur ont précédé le développement rapide de perturbations tropicales en cyclones tropicaux. Il a été émis l'hypothèse que ce forçage interne à l'échelle synoptique pourrait conduire à un mur oculaire secondaire. Un approfondissement rapide de la dépression tropicale en liaison avec le forçage à l'échelle synoptique a été observé dans plusieurs tempêtes, mais il a été démontré qu'il n'était pas une condition nécessaire à la formation d'un mur oculaire secondaire. L' échange de chaleur de surface induit par le vent (WISHE) est un mécanisme de rétroaction positive entre l'océan et l'atmosphère dans lequel un flux de chaleur océan-atmosphère plus fort entraîne une circulation atmosphérique plus forte, ce qui entraîne un fort flux de chaleur. WISHE a été proposé comme méthode de génération de murs oculaires secondaires. Des travaux ultérieurs ont montré que si WISHE est une condition nécessaire pour amplifier les perturbations, il n'est pas nécessaire de les générer.

Hypothèse de l'onde du vortex Rossby

Dans l'hypothèse des ondes du vortex de Rossby, les ondes se déplacent radialement vers l'extérieur depuis le vortex interne. Les ondes amplifient le moment angulaire à un rayon qui dépend de la vitesse radiale correspondant à celle de l'écoulement extérieur. À ce stade, les deux sont verrouillés en phase et permettent à la coalescence des ondes de former un mur oculaire secondaire.

Hypothèse d'axisymétrisation de la jupe

Dans un système fluide, (bêta) est la variation spatiale, généralement horizontale, du tourbillon vertical environnemental. β est maximisé dans le mur de l'œil d'un cyclone tropical. L'axisymétrisation de la jupe (BSA) suppose qu'un cyclone tropical sur le point de développer un œil secondaire aura un décroissant, mais non négatif qui s'étend du mur de l'œil à environ 50 kilomètres (30 mi) à 100 kilomètres (60 mi) de le mur des yeux. Dans cette région, il y a un petit, mais important β. Cette zone est appelée la jupe . A l'extérieur de la jupe, est effectivement nul.

L'énergie potentielle convective disponible (CAPE) est la quantité d'énergie qu'aurait une parcelle d'air si elle était soulevée d'une certaine distance verticalement à travers l'atmosphère. Plus le CAPE est élevé, plus il y aura de probabilité de convection. Si des zones de CAPE élevée existent dans la jupe , la convection profonde qui se forme agirait comme une source d' énergie cinétique de tourbillon et de turbulence . Cette énergie à petite échelle se transformera en un jet autour de la tempête. Le jet de basse altitude concentre l'énergie stochastique sur un anneau presque axisymétrique autour de l'œil. Une fois que ce jet de bas niveau se forme, un cycle de rétroaction positive tel que WISHE peut amplifier les perturbations initiales dans un mur oculaire secondaire.

Mort du mur de l'œil interne

Profil de l'ouragan.svg

Une fois que le mur oculaire secondaire entoure totalement le mur oculaire interne, il commence à affecter la dynamique des cyclones tropicaux. Les ouragans sont alimentés par la température élevée des océans. Les températures de surface de la mer immédiatement sous un cyclone tropical peuvent être de plusieurs degrés plus froides que celles à la périphérie d'une tempête, et donc les cyclones dépendent de la réception de l'énergie de l'océan par les vents en spirale vers l'intérieur. Lorsqu'un mur de l'œil extérieur se forme, l'humidité et le moment angulaire nécessaires au maintien du mur de l'œil intérieur sont maintenant utilisés pour maintenir le mur de l'œil extérieur, provoquant l'affaiblissement et la dissipation de l'œil intérieur, laissant le cyclone tropical avec un œil plus grand en diamètre que l'œil précédent.

Un passage au micro-ondes du cyclone Phailin révélant le fossé entre les parois oculaires intérieure et extérieure.

Dans la région des douves entre les parois oculaires interne et externe, les observations par dropondes ont montré des températures élevées et des dépressions du point de rosée. Le mur de l'œil se contracte à cause de l'instabilité inertielle. La contraction du mur de l'œil se produit si la zone de convection se produit en dehors du rayon des vents maximaux. Après la formation de la paroi oculaire externe, l'affaissement augmente rapidement dans la région des douves.

Une fois que le mur de l'œil intérieur se dissipe, la tempête s'affaiblit ; la pression centrale augmente et la vitesse maximale du vent soutenu diminue. Les changements rapides de l'intensité des cyclones tropicaux sont une caractéristique typique des cycles de remplacement du mur de l'œil. Par rapport aux processus impliqués dans la formation du mur oculaire secondaire, la mort du mur oculaire interne est assez bien comprise.

Certains cyclones tropicaux avec des parois oculaires externes extrêmement larges ne subissent pas la contraction de l'œil externe et la dissipation subséquente de l'œil interne. Le typhon Winnie (1997) a développé un mur oculaire externe d'un diamètre de 200 milles marins (370 km) qui ne s'est dissipé qu'après avoir atteint le rivage. Le temps nécessaire pour que le mur de l'œil s'effondre est inversement lié au diamètre du mur de l'œil, ce qui est principalement dû au fait que le vent dirigé vers l'intérieur diminue asymptotiquement jusqu'à zéro avec la distance par rapport au rayon des vents maximaux, mais aussi en raison de la distance requise pour effondrer le mur de l'œil.

Dans toute la couche verticale de la douve, il y a de l'air sec descendant. La dynamique de la région des douves est similaire à celle de l'œil, tandis que le mur oculaire externe reprend la dynamique du mur oculaire principal. La structure verticale de l'œil a deux couches. La couche la plus importante est celle du sommet de la tropopause à une couche de recouvrement autour de 700 hPa qui est décrite par l'air chaud descendant. En dessous de la couche de couverture, l'air est humide et convectif avec la présence de nuages ​​stratocumulus. Le fossé prend progressivement les caractéristiques de l'œil, sur lesquelles le mur de l'œil interne ne peut que se dissiper en force, car la majorité de l'afflux est maintenant utilisée pour maintenir le mur de l'œil externe. L'œil intérieur est finalement évaporé car il est réchauffé par l'air sec environnant dans les douves et l'œil. Les modèles et les observations montrent qu'une fois que le mur de l'œil externe entoure complètement l'œil interne, il faut moins de 12 heures pour la dissipation complète du mur de l'œil interne. La paroi interne de l'œil se nourrit principalement de l'air humide dans la partie inférieure de l'œil avant de s'évaporer.

Évolution en ouragan annulaire

Les ouragans annulaires ont un seul mur oculaire qui est plus grand et à symétrie circulaire. Les observations montrent qu'un cycle de remplacement du mur de l'œil peut conduire au développement d'un ouragan annulaire. Alors que certains ouragans se transforment en ouragans annulaires sans remplacement de la paroi oculaire, il a été émis l'hypothèse que la dynamique menant à la formation d'une paroi oculaire secondaire pourrait être similaire à celle nécessaire au développement d'un œil annulaire. L'ouragan Daniel (2006) et le typhon Winnie (1997) sont des exemples où une tempête a eu un cycle de remplacement du mur de l'œil puis s'est transformée en un ouragan annulaire. Des ouragans annulaires ont été simulés et ont traversé le cycle de vie d'un remplacement du mur de l'œil. Les simulations montrent que les principales bandes de pluie se développeront de telle sorte que les bras se chevaucheront, puis se replieront sur elles-mêmes pour former un mur oculaire concentrique. Le mur de l'œil intérieur se dissipe, laissant un ouragan avec un grand œil singulier sans bandes de pluie.

Les références

Lectures complémentaires

Livres

les pages Web

Articles de journaux