COURS 4 LES TROPIQUES - ENS
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1 Physique de l'atmosphère COURS 4 LES TROPIQUES L3 etdiplôme de l'ENS Sciences de la Planète Terre B. Legras, [email protected], http://www.lmd.ens.fr/legras 2016
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1
Physique de l'atmosphère
COURS 4LES TROPIQUES
L3 etdiplôme de l'ENS Sciences de la Planète TerreB. Legras, [email protected], http://www.lmd.ens.fr/legras2016
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I Etat moyen et cycle saisonnierII La moussonIII ENSOIV Mode de Madden-JulianV Ondes tropicalesVI Cyclones tropicaux
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Les tropiques sont la région où le bilan radiatif est positif
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Les tropiques sont la région de la circulation de Hadley : ascendance à l'équateur, subsidence vers 30 N/S et alizés vers l'ouest au sol.
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Les tropiques sont la région de l'atmosphère située entre les deux maximums du vent zonal vers 30S et 30N.
Maximums du vent à 200 hPa (350K ou 12,5 km)
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Dans les régions extra-tropicales, des mouvements adiabatiques peuvent s'effectuer entre le sol et la tropopause. Dans les tropiques, les gradients horizontaux de température sont faibles et tout mouvement vertical doit s'accompagner d'un échange thermique.
Tropopause tropicale à 100 hPa (380K ou 17,5 km)
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Injection d'air dans la haute troposphère par la convection.L'humidité de la troposphère tropicale moyenne est réglée par la descente de l'air détrainé des nuages, l'évaporation des précipitations et les échanges avec les latitudes tempérées.
T∽200K
Folkins and Martins, 2005
Convection profonde dans les tropiques
TTL
9ECMWF ERA-Interim 1989-2008
Vapeur d'eau25 kg/m2
en moyenne
Eau liquide80 g/m2
en moyenne
10 Humidité relative H=r/rS
11 ECMWF ERA-Interim 1989-2008
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E ~ C |V| (1 – H) rS où H l'humidité relative r/r
S au dessus de la surface.
E est fortement contrainte par le flux radiatif net à la surface.E est principalement distribué dans la région subtropicale d'hiverTransport vers l'ITCZ et convergence en raison des alizés et de la branche basse de la circulation de mousson
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II.3 Circulation méridienne de Hadley dans la zone tropicale
Vitesse verticale w = Dp/Dt
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Radiation IR sortante en janvier et juillet
Janvier 2001
Juillet2001
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I Etat moyen et cycle saisonnierII La moussonIII ENSOIV Mode de Madden-JulianV Ondes tropicalesVI Cyclones tropicaux
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Les moussons en Asie, en Australie et en AfriquePression de surface et vents à 935 hPa. En bleu : OLR < 200 W/m2. Ligne de dépressions de surface en rouge tireté.
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Vent et transport de chaleur induit dans l'océan superficiel
Webster
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Circulation divergente des moussons d'Asie et d'Australie
Webster
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Circulations de mousson : couplage avec les régions de subsidence
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Fluctuations despluies de la moussonindienne
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Mode de variation bi-annuel de la mousson
23Webster
Evènement chaud dans l'Océan Indien
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I Etat moyen et cycle saisonnierII La moussonIII ENSOIV Mode de Madden-JulianV Ondes tropicalesVI Cyclones tropicaux
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SOI=P(Tahiti) – P (Darwin)normalisée
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SOI= différence de pression normalisée entre Tahiti et Darwin (AU)En rouge épisodes chauds (El Nino) , en bleue épisodes froids
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Température de l'océan pendant un cycle El Nino - La Nina
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I Etat moyen et cycle saisonnierII La moussonIII ENSOIV Mode de Madden-JulianV Ondes tropicalesVI Cyclones tropicaux
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Oscillation de Madden-Julian
60_90 joursVers l'est
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Structure de la MJO
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Composite de la MJO pendant l'hiver
Anomalie : OLR / T Grisé : - / -Hachuré : + / +
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I Etat moyen et cycle saisonnierII La moussonIII ENSOIV Mode de Madden-JulianV Ondes tropicalesVI Cyclones tropicaux
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Propagation d'ondes dans les tropiques
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Les modes de la variabilité tropicale (version eau peu profonde, pas de dépendance verticale)
Les équations de base linéariséesApproximation du plan β équatorial
∂t u−β y v=−g ∂x η
∂t v+ β y u=−g ∂ y η
∂t η+ H (∂ x u+ ∂ y v)=Gρ
H+η
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Modes libres: cas particulier, l'onde de Kelvin(pas de vitesse en y: v=0)
Dans le cas de l'onde de Kelvin, les équationsse ramènent à
∂t u=−g∂ x η
∂t η+ H ∂ x u=0β y u=−g ∂ y η
En posant u=u( y)exp i (k x−wt ) etη=η( y)exp i (k x−wt )
On obtient w u=g k η et −wη+ k H u=0d'où w2
=c2 k2 (avec) c2=g H
Le signe de w/k est fixé par la troisième relation
∂ y η=−β y k
w η
w/k doit être positif pour que l'onde reste confinée
sous la forme η=η0 exp(−β k2w
y2)=η0 exp(
−β y2
2 c)
L'onde de Kelvin se propage vers l'estPour c≈30m s−1 , la largeur de l'ondeest environ ∣2c / ∣
1/2≈1600 km
Dans l'océan, c est bien plus petit,c≈0,5−3m s−1 , d'où une largeurde 100-250 km
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Mode de Kelvin
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Example de mode de Kelvin atmosphérique
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Modes libres: cas général
Après quelques manipulations, on obtient une équation pour la seule variable v
∂t {1
c2(∂t 2 v+β2 y2 v)−(∂x2 v+∂y2 v )}−β∂x v=0
En posant encore v=v ( y)exp(i(k x−w t )), on obtient
d y2 v+(w
2
c2 −k2−βkw −
β2 y2
c²) v=0
On connaît les solutions de cette équation sous la forme
v=H n((β
c)
1/2
y)exp(−β y2
2 c)
où Hn est un polynôme de Hermite et on vérifie
w2
c2−k2−
βkw =(2 n+1)
β
c
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Relation de dispersion des ondes équatoriales libres
Modes de gravité
Modes de Rossby
n=-1 : mode de Kelvinn= 0: mode de Rossby-gravité
Gill, 1980
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Mode de Kelvinéquatorial
Mode de Rossby-gravité
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Mode de Rossby, Symétrique par rapport à l'équateur, se propageant vers l'ouest
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Ondes forcées, réponse stationnaire
On doit ajouter un amortissement pour limiter l'amplitude de la réponse. Cet amortissement peut être interprété comme une friction pour u et v. On peut aussi l'interpréter comme une relaxation thermique pour l'équation de continuité. On prend le même coefficient pour simplifier
Les équations se ramènent à:αu−β y v=−g∂x η
α v+β yu=−g∂ y η
αη+H (∂x u+∂ y v)=Gρ
w=αη−Gρ
Résolution pour un forçage centré sur l'équateur
Gill, 1980, fig.1
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L
L
H
H
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anticyclones
Convection (chauffage)
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théorie
observations
geopotentiel et vents à 100 hPa
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I Etat moyen et cycle saisonnierII La moussonIII ENSOIV Mode de Madden-JulianV Ondes tropicalesVI Cyclones tropicaux
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50 DINA - 22 janvier 2002
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Cycle de vie d'un cyclone Atlantique typique
NOAA
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M.D. Leroux, Météo France
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Distribution de probabilité uniforme
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Catégorie 1
Catégorie 2
Catégorie 3
Catégorie 5
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Précipitations obtenues à partir du radar à 13 Ghz de TRMM.
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Image composite à partir des images du cyclone Rita mesuré par le radar ELDORA sur avion.
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Mur de nuages à l'intérieur de l'oeil du cyclone (photo prise depuis un avion « chasseur de cyclones »)
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Mouvements verticaux dans un cyclone tropicalP
ressio
n (
hP
a)
Distance radiale (km)
Température potentielleéquivalente
Mouvements ascendants Vitesse tangentielle
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Le cyclone comme machine de Carnot
isothermechauffage par
évaporation
adi
ab
atique
adi
ab
atique
isothermerefroidissement radiatif
