Matthieu ATTALI Xavier CHASSAGNEUX Lucien DÉGARDIN
Rodolphe GOURSEAU Xavier MISSERI Pierre-Louis
NAUD Ngoc Anh VU
13 Janvier 2003
Parmi les phénomènes météorologiques violents, le cyclone tropical
est le plus destructeur. Un cyclone tropical est un tourbillon de
vents violents (de 150 à 300 km/h) qui se forme sur les mers
tropicales et qui comprend:
· un centre, l'œil
du cyclone, où l'air est
calme et chaud
· une région très active, le mur du cyclone,
constituée de
puissants
cumulo-nimbus
Les vents sont faibles dans l'œil, ils augmentent rapidement pour
atteindre leur maximum à une trentaine de kilomètres du centre et
ils décroissent plus lentement vers la périphérie. Le déplacement
d'un cyclone tropical est lent (30 km/h) et un cyclone suit une
trajectoire grossièrement parabolique, mais au moment où la
trajectoire s'incurve, on observe des mouvements erratiques très
difficiles à prévoir.
Nous voulons, grâce à ce projet scientifique collectif, aborder le
thème du déplacement d'un cyclone tropical. Nous voulons donc
comprendre l'évolution temporelle d'un cyclone ainsi que son
déplacement sur le globe terrestre. Pour se faire, nous allons
d'abord mener une étude théorique se fondant sur un modèle
simplifié de la réalité. Puis, c'est à travers une série
d'expériences (au Laboratoire de Météorologie Dynamique) et une
simulation numérique (dont le modèle n'est pas encore étalonné)
que nous allons essayer de comprendre l'évolution temporelle et le
déplacement sur le globe d'un cyclone tropical.
Si le temps nous le permet, nous aimerions savoir si le travail
effectué dans le cas d'un cyclone tropical est transposable au
problème des tornades et sous quelles
conditions.
1. Problématique
1.1 Étude théorique
Les cyclones tropicaux, ainsi que les tornades, sont des
phénomènes très compliqués à étudier. C'est pourquoi on sépare
leur étude en deux parties distinctes : d'une part le moteur du
cyclone (origine de la vorticité et de l'aspiration qui créent le
cyclone, c'est-à-dire les forces qui engendrent les mouvements
d'air), d'origine thermodynamique, et d'autre part les effets de
ce moteur pour la
formation et l'évolution des cyclones tropicaux.
Dans notre étude, nous ne nous intéresserons pas à l'aspect
thermodynamique, c'est-à-dire que nous n'étudierons pas les
phénomènes qui créent le moteur à l'origine du cyclone. Le modèle
que nous allons utiliser pour l'étude de l'évolution temporelle
d'un cyclone est un modèle déjà éprouvé, et qui simplifie l'étude.
Dans cette modélisation, on néglige les frottements visqueux, et
le cyclone se comporte un peu comme un dipôle électrique, une fois
qu'il est déclenché. Ce modèle permet de comprendre la trajectoire
des cyclones réels lorsqu'ils se déplacent à l'échelle terrestre.
1.2 Étude expérimentale
Dans le cadre de l'étude des cyclones tropicaux, nous envisageons
de réaliser deux expériences.
La première consiste en la réalisation d'un
"mini-cyclone", dans l'air, en laboratoire. Cette expérience, bien
que simple, permet en effet de visualiser la notion d'étirement
d'un tube de vorticité, et pose le problème de savoir comment
créer de la
vorticité afin d'obtenir une structure stable.
La seconde série d'expériences sera réalisée à
l'E.N.S.T.A. (Palaiseau). Elle permet l'étude, dans une cuve à
eau, d'une structure cyclonique. Le dispositif expérimental est
construit selon le schéma suivant :
une cuve pleine d'eau est mise en rotation solide, puis on crée de
manière ponctuelle une aspiration d'eau (cercle rouge). Cette
aspiration engendre une mise en rotation du fluide et crée la
structure cyclonique cherchée. On étudie alors les déplacements de
cette structure. La forme du fond de la cuve permet de modéliser
certaines influences (influence terrestre, relief...).
Ces expérimentations nous permettront l'approche de deux problèmes
distincts :
1. Stabilité d'une structure de type cyclonique
(dans l'eau, et donc, par analogie, dans l'air)
2. Déplacement d'une telle structure, afin de comprendre les
mécanismes qui régissent les mouvements des cyclones tropicaux.
Ceci pourrait en effet permettre de mieux prévoir les trajectoires
de ces derniers.
Enfin, cette série d'expériences servira de banc d'essai pour le
code de calcul que nous utiliserons. Ce modèle numérique nous
permettra de compléter l'étude expérimentale du
phénomène, car il permet une meilleure gestion des paramètres.
dispositif expérimental
de l'E.N.S.T.A.
1.3 Étude numérique
La simulation du cyclone sera effectuée grâce à un modèle en cours
d'étalonnage au laboratoire de météorologie dynamique. L'avantage
de cette simulation sur les expériences en laboratoire est de nous
permettre de contrôler précisément la donnée des conditions
initiales. L'accès à ces valeurs est difficile dans le travail en
laboratoire car la création de la vorticité entraîne une
importante incertitude sur les conditions initiales. Cette
simulation sera utilisée pour expliquer le mouvement des cyclones
tropicaux, une fois formés, sur le globe
terrestre.
Notre simulation aura donc l'avantage de permettre d'étalonner une
partie du modèle qui ne l'est pas encore. Ainsi, nous allons
travailler en équipe avec le responsable de la programmation. La
compréhension de la simulation informatique sera alors plus
importante et plus enrichissante par le biais de cet étalonnage.
2. Échéancier
* Jusqu'en février : Étude théorique des cyclones
tropicaux, de leur formation, de leur comportement... Analyse des
différentes
modélisations existantes.
* Pendant les vacances de février : Mise en place
d'expériences au Laboratoire de Météorologie Dynamique à Ulm et à
l'E.N.S.T.A, et recueil de données expérimentales s'appuyant sur
un modèle (le protocole opératoire et la préparation théorique
ayant été fait pendant le mois de janvier lors de l'étude
théorique des cyclones.). Mise en place
d'un échéancier avec l'aide de l'officier d'encadrement.
* En mars : Simulation informatique à plusieurs
reprises d'un cyclone avec variations des paramètres au
Laboratoire de
Météorologie Dynamique.
* En avril : Traitement des données provenant des
expériences et de la simulation numérique. Analyse de la
corrélation entre les différents types de données. Adaptation du
travail effectué au cas des tornades et analyse critique des
résultats ainsi obtenus si le temps nous le
permet.
* Jusqu'à la soutenance finale : Rédaction et mise en
place du rapport.
