La dynamique des cyclones

Le mot cyclone (du grec kuklos qui évoque l'enroulement du serpent) a été utilisé pour la première fois en 1845 à Calcutta pour désigner une tempête tropicale. Le terme a ensuite été généralisé pour désigner toute dépression, notamment le cyclone norvégien. En Extrême Orient, on parle de typhon (Chine : taï fong, Japon : taï fu, Inde : toofan, Arabie : tufan), aux Philippines : baguio, en Australie : willy-willy, aux Caraïbes : hu ra kan qui a donné le terme anglais hurricane et le terme français ouragan.

Source - © 1996 NASA, NIX, Space images and shuttle missions, g97-000-001

Figure 1. Vue satellitale du cyclone atlantique Fran, le 04 septembre 1996

Les cyclones sont les plus importantes tempêtes de notre planète. Ils se forment au-dessus des eaux tropicales, entre 5° et 20° de latitude, à l'exception des régions du Sud-Est Pacifique et de l'Atlantique Sud.

Les cyclones sont définis comme des perturbations tropicales associées à des vents dont la vitesse est supérieure à 120 km/h et dont le mouvement est une rotation spiralée. Le diamètre de ce type de perturbation est de 600 km en moyenne. Le cyclone peut s'étendre jusqu'à 12 km d'altitude au dessus de la surface océanique.

Source - © 1998 NOAA Figure 2. Vue satellitale du cyclone Georges, 25 septembre 1998.

Source - © 1998 NOAA Figure 3. Course du cyclone du 15 au 29 septembre 1998.

Source - © 1999 R.Sterner & S.Babin, John Hopkins Univ., Applied physics laboratory Figure 4. Tempêtes tropicales et cyclones dans l'Atlantique Nord, en 1998.

Source - © 1999 R.Sterner & S.Babin, John Hopkins Univ., Applied physics laboratory Figure 5. Tempêtes tropicales et cyclones dans l'Atlantique Nord, en 1999.

En fonction de la vitesse des vents, on distingue les dépressions tropicales (TD) avec des vents dont la vitesse n'excède pas 60 km/h, les tempêtes tropicales (TS, tropical storm) avec des vents dont la vitesse est comprise entre 61 et 119 km/h. Chaque année, entre 80 et 100 tempêtes tropicales se développent mais seulement la moitié se transforme en cyclones.

De l'extérieur vers l'intérieur de la perturbation cyclonique, la pression passe de 1 010 mbar à 950 mbar, ce qui correspond à une dépression de 60 mbar. Ce gradient de pression est à l'origine de vents violents qui s'enroulent en spirale vers l'intérieur de la dépression. Les mouvements sont également ascendants et ils se forment au cours de l'ascension des cumulonimbus. Il y a donc une convection active autour du centre du cyclone appelé œil.

C'est autour de l'œil que les vents et les précipitations sont les plus forts. L'œil forme un immense Colisée entouré d'une muraille de cumulonimbus qui s'élèvent jusqu'à la tropopause. Les précipitations sont considérables et violentes et se produisent sous l'anneau de cumulonimbus. Le cirque de Cilaos à La Réunion, en a reçu 1 870 mm en 24 heures...

À la surface de l'océan, la dépression entraîne la formation d'un véritable dôme d'eau. L'élévation est de 1 cm par hPa (1 hPa = 1 mbar). Pour une chute de pression de 100 hPa, le niveau de la mer s'élève donc de 1 m. Cette hausse est accentuée par la tension du vent sur l'eau orientée vers le centre du cyclone.

Figure 6. Cyclone en plan horizontal dans l'hémisphère Nord

Figure 7. Cyclone en coupe verticale

L'œil, zone de 10 à 50 km de large, renseigne à maturité sur l'intensité du phénomène : étroit, il indique un cyclone violent, large, un cyclone peu violent, l'élargissement de l'œil étant souvent le signal du déclin.

Le cyclone est une machine thermique dont l'énergie provient de la chaleur latente libérée par la condensation de la vapeur d'eau. La quantité d'énergie nécessaire au fonctionnement du cyclone est équivalente à l'énergie électrique produite par les États-Unis pendant une année entière. Cette chaleur réchauffe l'air, il se produit une dépression près de la surface océanique à l'origine d'un flux d'air rapide vers le cœur de la dépression. Les cyclones se forment à la fin de l'été, lorsque la température de surface des eaux océaniques devient supérieure à 27°C.

Figure 8. Carte de la température de surface des océans (Sea Surface Temperature, SST), le 24 octobre 1999

Cette donnée thermique permet de comprendre la zonéographie des cyclones. Dans ces conditions, il y a dans l'air une quantité d'humidité et de chaleur suffisante pour amorcer le phénomène. Mais la température de surface de l'océan n'est pas le seul facteur qui explique la zonéographie de ces perturbations. La force de Coriolis intervient aussi. Entre 0° et 5° de latitude, l'intensité de cette force n'est pas suffisante (et même nulle à l'équateur) pour initier le mouvement de rotation caractéristique du cyclone.

Au cours de l'évolution du phénomène cyclonique, on peut distinguer des mouvements à deux échelles différentes :

Source - © 1999 NOAA Figure 9. Vue satellitale du cyclone Floyd, 14 septembre 1999

Source - © 1999 NOAA Figure 10. Course de la tempête tropicale et du cyclone du 7 au 12 septembre 1999

Lorsque les eaux océaniques ne fournissent plus assez de chaleur et d'humidité à l'atmosphère, l'intensité du cyclone diminue. De même, lorsque le cyclone passe au-dessus d'une zone continentale, il perd sa source d'humidité et de chaleur et les frottements avec la surface continentale ralentissent sa course. On comprend pourquoi les dégâts causés par les cyclones sont souvent limités à 200 km à l'intérieur des côtes.

F. Lutgens, E. Tarbuck, Foundations of Earth Science, Prentice Hall, 1996.

M. Leroux, La dynamique du temps et du climat, Ed. Masson, 1996.