Letteratura scientifica selezionata sul tema "Cyclones – Modèles mathématiques"

La motivation de cette thèse est la modélisation mathématique des équilibres atmosphériques, appliquée aux cyclones tropicaux. La simulation de tout phénomène atmosphérique exige de disposer d'une base de données en pression, densité et température qui soit en parfait équilibre statique. Mais les mesures de ces trois champs, à différents niveaux d'une colonne atmosphérique, posent d'importants problèmes techniques rendant les données fiables très réduites. La première parite de ce travail décrit une technique originale qui permet une reconstitution fiable à partir d'un très fiable nombre de données. La fiabilité de la méthode est assurée par quelques tests utilisant des schémas équilibres. Dans une deuxième partie, nous construisons un système d'équations permettant de déterminer la trajectoire d'un cyclone tropical ainsi que la circulation des particules à l'intérieur du phénomène. Pour finir, nous modélisons ces deux trajectoires à travers quelques tests numériques.

Les cyclones tropicaux dépendent fortement de l'océan superficiel dont ils extraient l'énergie thermique nécessaire à leur maintient. Ils cèdent en contrepartie une part importante de leur énergie cinétique à l'océan sous la forme de courants. La sensibilité de la réponse océanique à la vitesse de déplacement d'un cyclone idéalisé ext examinée. Les bilans de température et d'énergie cinétique de la couche mélangée mettent en évidence un mécanisme de résonnance entre les vents du cyclone et les courants dans la couche mélangée. Ils révèlent également pour les cyclones lents une forte interaction avec l'upwelling créé par la divergence des courants. La rétroaction de l'océan sur les cyclones est ensuite explorée avec l'étude du cyclone Ivan dans le bassin Indien sud-ouest. L'utilisation d'un modèle couplé permet de déterminer le rôle de l'océan sur l'évolution des flux de chaleur en surface, de la convection et de l'intensité du cyclone.

En raison de leurs impacts dévastateurs sur les populations et les infrastructures des pays concernés, l'évolution future de l'activité cyclonique tropicale dans le contexte du réchauffement climatique est une question de grande importance. Deux méthodes existent pour évaluer l'activité cyclonique tropicale en changement climatique dans les modèles de climat : l'utilisation d'algorithmes de détection (traqueurs) de cyclones ou l'utilisation d'indices de cyclogénèse qui traduisent des relations statistiques liant l'activité cyclonique observée à des variables atmosphériques de grande échelle. Ces deux méthodes tendent à fournir des projections opposées dans les simulations climatiques. Motivée par ce désaccord, cette thèse propose alors d'explorer ces deux approches dans le but d'apporter des améliorations à chacune d'elles. Dans un premier temps, le traqueur de cyclones tropicaux du CNRM est appliqué à la réanalyse ERA5 du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme, et évalué à l'aide de la base de données d'observations des cyclones IBTrACS. Ses performances sont évaluées en termes de probabilité de détection et de taux de fausses alarmes (POD et FAR), après optimisation des paramètres de détection, et en appliquant un filtre des systèmes de moyennes latitudes adéquat. Plusieurs métriques d'évaluation de la similarité des trajectoires détectées dans ERA5 avec celles observées sont ensuite proposées puis comparées. Ces métriques novatrices sont complémentaires au POD et au FAR et montrent que l'optimisation des paramètres de détection s'accompagne d'une légère amélioration de la similarité des trajectoires. De nouveaux indices de cyclogénèse sont ensuite construits sur ERA5 par régression de Poisson entre des prédicteurs de grande échelle thermiques et dynamiques, et la base de données IBTrACS. Les régressions sont déclinées à différentes résolutions spatiales et temporelles ainsi qu'à l'échelle globale et pour les différents bassins océaniques. La résolution temporelle accrue permet la correction du biais équatorial présent dans les indices les plus communément utilisés. La variabilité interannuelle des indices apparaît cependant robuste aux modifications apportées aux coefficients de pondération des variables de grande échelle. Suite à ce constat, l'apport de l'ajout de prédicteurs dans les régressions est évalué sur ERA5 ainsi que dans le modèle ARPEGE ; d'une part en ajoutant explicitement un diagnostique du mode de variabilité El Niño (ENSO) dans l'indice, et d'autre part en remplaçant l'humidité relative à 600 hPa par le déficit de saturation d'humidité intégré sur la colonne (VPD). L'ajout du diagnostique ENSO permet alors d'améliorer la variabilité interannuelle de l'indice dans la plupart des bassins océaniques. Les corrélations avec les séries observées est rendue statistiquement significative au seuil de 95% dans tous les bassins à l'exception du Nord Atlantique. L'utilisation du VPD permet quant à elle d'annuler les tendances à la hausse dans la période historique observée dans les indices basés sur l'humidité relative. L'indice obtenu présente donc un meilleur accord avec les observations. Lorsqu'appliqué à des simulations climatiques ARPEGE à très haute résolution, sous le scénario RCP8.5, le VPD amplifie également la diminution de l'activité cyclonique
Given their devastating impact on the populations and infrastructures of the countries concerned the future evolution of tropical cyclone activity in the context of global warming is an issue of great importance. Two methods exist for assessing tropical cyclone activity under climate change in climate models: the use of cyclone detection algorithms (trackers) or the use of cyclogenesis indices, which translate statistical relationships linking observed cyclone activity to large-scale atmospheric variables. These two methods tend to provide opposite projections in climate simulations. Motivated by this disagreement, this thesis proposes to explore these two approaches, with the aim of making improvements to each. Firstly, the CNRM tropical cyclone tracker is applied to the ERA5 reanalysis of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, and evaluated using the IBTrACS database of cyclone observations. Its performance is evaluated in terms of detection probability and false alarm rate (POD and FAR), after optimizing detection parameters and applying an appropriate mid-latitude system filter. Several metrics for assessing the similarity of the tracks detected in ERA5 with those observed are then proposed and compared. These innovative metrics are complementary to POD and FAR, and show that optimizing detection parameters is accompanied by a slight improvement in track similarity. New cyclogenesis indices are then constructed on ERA5 by Poisson regression between large-scale thermal and dynamic predictors, and the IBTrACS database. The regressions are run at different spatial and temporal resolutions, as well as on a global scale and for different ocean basins. The increased temporal resolution enables the equatorial bias present in the most commonly used indices to be corrected. However, the interannual variability of the indices appears to be robust to changes in the weighting coefficients of the large-scale variables. Following this observation, the contribution of adding predictors to the regressions is evaluated on ERA5 as well as in the ARPEGE model; on the one hand by explicitly adding a diagnostic of the El Niño (ENSO) variability mode to the index, and on the other hand by replacing the relative humidity at 600 hPa by the integrated moisture saturation deficit on the column (VPD). The addition of ENSO diagnostics improves the interannual variability of the index in most ocean basins. Correlations with observed series are made statistically significant at the 95% threshold in all basins except the North Atlantic. The use of the VPD cancels out the upward trends in the historical period observed in indices based on relative humidity. The resulting index is therefore in better agreement with observations. When applied to very high-resolution ARPEGE climate simulations, under the RCP8.5 scenario, the VPD also amplifies the decrease in cyclonic activity

Dans le cadre des responsabilités du CMRS de la Réunion et des axes de recherche du LACy et du CNRMGAME, cette thèse a été proposée pour explorer diverses pistes visant à améliorer la description des cyclones et leur prévision dans un modèle à méso-échelle sur l'océan Indien. Deux axes principaux ont été envisagés : l'utilisation de pseudo-observations de contenu intégré en vapeur d'eau (TCWV) dérivé des analyses du CEPMMT dans les zones nuageuses / pluvieuses conjointement à l'utilisation d'un bogus de vents 3D pour contraindre la position, la taille et l'intensité des cyclones tropicaux et l'utilisation des variances d'erreur "du jour" dans l'algorithme d'assimilation. Tant l'analyse et la prévision de la position que celles de l'intensité nous intéressent : les diagnostics sont donc ciblés sur les améliorations de celles-ci. Attendu que les cyclones tropicaux présentent une large zone nuageuse / pluvieuse dépourvue d'observations assimilées, nous nous intéressons aux impacts des pseudo-données de TCWV dans ces zones, données susceptibles d'apporter une information nouvelle, aidant à mieux contraindre l'analyse. Les pseudo-observations de TCWV en milieu nuageux / pluvieux sont obtenues à partir d'un algorithme construit en corrélant le TCWV des analyses 1D-VAR du CEPMMT avec les températures de brillance microondes des instruments SSM/I sur le sud-ouest de l'océan Indien. Ces données sont assimilées en mode 3D-VAR dans le modèle ALADIN Réunion ainsi qu'un bogus de vents 3D développé à la CRC. L'étude de 5 semaines couvre trois cyclones intenses sur ce bassin, en 2007. Les impacts sont très positifs en terme de réduction d'erreur de position : plus de 75% de réduction de cette erreur à l'analyse et un impact de ce meilleur positionnement dans les prévisions, avec un impact positif et statistiquement significatif jusqu'à 24h. L'apport des données de TCWV est notable en terme d'amélioration structurelle : dans une comparaison aux données de pluies instantanées du satellite TMI, l'expérience assimilant le bogus de vents 3D et les données de TCWV nuageuses / pluvieuses ressort comme étant la plus réaliste. Le rayon des vents maximaux, la position des bandes spiralées périphériques et les asymétries des cyclones tropicaux sont mieux décrits grâce au cyclage du TCWV et sont en meilleur accord avec les observations TMI. Pour explorer les impacts d'une cascade d'échelle d'ALADIN Réunion, une version du modèle AROME a été implémentée sur une partie du bassin du sud-ouest de l'océan Indien et intégrant la Réunion. L'orographie plus réaliste du modèle AROME Réunion à 4 km de résolution horizontale permet de bien capturer les précipitations cycloniques. Les réflectivités radar simulées semblent cohérentes avec les structures observées par le radar du Colorado à l'île de la Réunion et les structures de fine échelle sont moins étalées mais plus intenses dans AROME Réunion. .
Is part of the responsibilities of the RSMC of La Reunion and in line with the research topics of the LaCy and the CNRM-GAME, this PhD thesis has been suggested so as to investigate leads that would help better describe and predict tropical cyclones in a mesoscale model over the Indian ocean. Two main topics were investigated : the use of pseudo-observations of total column water vapour (TCWV) derived from the ECMWF analyses in cloudy/rainy areas jointly with a 3D wind bogus so as to constrain position, size and intensity of tropical cycles, and the use of error variances "of the day" in the data assimilation algorithm. We are interested equally in the position and intensity analyses and forecasts : scores and diagnostics thus target those two quantities. Since tropical cyclones exhibit large circular, cloudy/rainy areas which are devoid of observations that can be assimilated, we look at the impacts of those pseudo-observations of TCWV when assimilated in those areas. It is expected that this data can bring new information to the data assimilation system, thus helping constrain the analysis. The pseudo-observations of TCWV in cloudy/rainy areas are derived from an algorithm built by correlating the ECMWF's 1D-VAR TCWV analyses with the SSM/I brightness temperatures, over the southwest Indian ocean bassin. The TCWV data is then assimilated in a 5-week study during the year 2007, study which covered three intense cyclones over the basin. The TCWV data assimilation is done in 3D-VAR mode in the ALADIN Reunion model and is completed by the use of a 3D wind bogus, developed internally at the CRC. The impacts are very positive in terms of direct position error reduction : at analysis, the error was lowered by 75% and through this better positioning, a positive impact was further seen in the forecasts up to 24h, with statistical significance. The TCWV data impact is most notable in terms of structural improvement : when compared to TMI instantaneous rain rates, the experiment that assimilated both the 3D wind bogus and the TCWV data stands out as reproducing the most realistic cyclonic features. The radius of maximum winds, the pattern of spiral rainbands and the general asymetries of the tropical cyclones are better described thanks to the cycling of this data and are in better agreement with the TMI observations. In order to explore the impact of downscaling from ALADIN Reunion, a version of the high resolution model AROME has been implemented over a part of the southwest Indian ocean and covers Reunion island. The sharper, more realistic orography of the AROME Reunion model at 4 km horizontal resolution allows to better capture cyclonic precipitations. .