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FAQ - Climat

Les cyclones tropicaux. Où en est-on des connaissances ?

Katia Laval - avril 2020

1- Introduction

Les cyclones tropicaux (appelés aussi ouragans ou typhons) sont des perturbations régionales dont l’extension est de l’ordre de plusieurs centaines de kilomètre. Les vents, violents, tournent autour du centre, appelé l'œil du cyclone. Les mouvements verticaux y sont très développés et les précipitations intenses, de plusieurs centaines de mm par jour, et avec des pics de 50 millimètres par heure. La pression au niveau de la mer est très basse, souvent inférieure à 900 hPa. Ces dépressions météorologiques prennent naissance sur les océans tropicaux ou sub-tropicaux, et s'amplifient en se déplaçant vers l'ouest et vers les latitudes plus élevées.

Ce sont des phénomènes très intenses qui peuvent dévaster des régions, faire de nombreuses victimes et semblent se produire de manière aléatoire.
Le typhon Haiyan qui s’est abattu sur les Philippines, en 2013, en est un exemple tragique. Il a été particulièrement destructeur et a provoqué des morts et des blessés par milliers et l'évacuation de centaines de milliers de personnes. Les vents y sont supérieurs1 à 119 km/h et peuvent atteindre 300 km/h pour les plus violents. Ainsi, lors de rafales observées pendant Haiyan, qualifié par certains de cyclone probablement  le plus puissant jamais enregistré, les estimations de vents ont été de 380 km/h.

Suivant la violence, on classe les cyclones tropicaux (CT) :

L'année 2017 a été particulièrement dévastatrice2 avec les ouragans Harvey, de catégorie 4, donnant lieu à des précipitations records de 1500 mm, et provoquant des inondations exceptionnelles sur le Texas, puis Irma et Maria tous deux de classe 5, qui se sont abattus sur les Antilles.
Au total, six cyclones majeurs (de classe supérieure à 3) se sont succédés, dépassant largement la moyenne de 3 cyclones majeurs dans cette région.
En septembre 2019, l'ouragan Dorian a dévasté les Bahamas avec une puissance dépassant celle des cyclones Irma et Maria qui avaient touché ces îles en 2017. Il a, lui aussi, été de force 5, avec des vents moyens qui ont dépassé 295 km/h.

Peut-on déduire de cette succession d'événements exceptionnels que l'on assiste à une augmentation du nombre et de l'intensité des cyclones tropicaux ces dernières années?

On a noté que les cyclones se développent lorsque la température de la mer est supérieure à 26°-27°C, mais qu'un cisaillement du vent horizontal3 a un effet d'atténuation et même d'inhibition des CTs. Quand les vents sont inférieurs à 119 km/h, les spécialistes nomment ces dépressions des orages tropicaux ou des tempêtes tropicales.

Décrire un CT à l'aide d'un modèle implique de représenter l'œil, cette zone de vent calme, dont l'extension est de quelques dizaines de kilomètres, et le mur du cyclone, surface où les vents sont les plus forts, qui entoure l'œil.

Cyclone

Figure 1: Un cyclone. On distingue l'œil au centre, et les vents tourbillonnant autour, zone blanche recouverte de cumulonimbus.

Leur énergie a pour origine la quantité de chaleur considérable dégagée lors de la condensation de la vapeur d’eau charriée par ces perturbations atmosphériques. Cette grande quantité de vapeur provient essentiellement de l’évaporation qui s'effectue lors du passage du CT sur les eaux chaudes océaniques, mais aussi de l'humidité de l'environnement où se déplace le cyclone.
La dynamique des CTs est réellement complexe et les connaissances sur ces processus ont beaucoup progressé depuis une quinzaine d’années. Les études régulièrement publiées l’attestent, et donnent lieu quelquefois à des débats entre scientifiques, étant donné la difficulté de maîtriser totalement les mécanismes donnant lieu à ces événements au développement explosif.

2- Prévision des cyclones tropicaux

Les dommages considérables que subissent les populations lors du passage d'un CT sont atténués quand on en fait une prévision fiable.

C'est pourquoi depuis plus d'une vingtaine d'années, des efforts ont été déployés pour améliorer leur prévision.

Ces études ont permis une meilleure connaissance de leurs caractéristiques.

En 2012, on a pu saluer la précision, sur la région de New York, de la prévision du cyclone Sandy qu’a effectuée le Centre Européen pour les Prévisions Météorologiques à Moyen Terme (CEPMMT).
Sa trajectoire a été prévue 6 jours à l’avance et l’erreur a été, 2 jours avant qu'il n'atteigne New York, de quelque 70 kilomètres seulement, ce qui a constitué une amélioration nette par rapport aux prévisions précédentes et a certainement permis d'épargner des vies humaines.
Il faut souligner les progrès importants sur la prévision de la trajectoire des ouragans, et Sandy en est un exemple.
Vers les années 1970, la prévision à 3 jours de la trajectoire des CTs en Atlantique comportait des erreurs de l'ordre de 700 km; à l'heure actuelle, ces erreurs ont été divisées par 4 et la prévision à 5 jours comporte une erreur voisine de 300 km.

Les spécialistes arrivent à déterminer assez bien leur trajectoire quelques jours en avance, mais anticiper l’activité cyclonique d’une région quelques mois en avance serait très bénéfique pour de nombreux secteurs:

Ces prédictions saisonnières sont effectuées par le CEPMMT (avec un modèle dont la résolution est de 36 km), cependant elles nécessitent encore des progrès pour être fiables.
Prenons pour exemple l'étude4 qui a porté sur les prévisions qui ont été effectuées sur le Nord de l’Atlantique, quelques mois avant la saison des CTs qui va de juillet à novembre. Généralement, une seule prévision étant peu crédible, on en effectue plusieurs, qui ont pour origine des dates décalées dans le temps, et qui permettent d'être plus confiants sur les résultats. En 2010, ces essais ont été couronnés de succès, comme le montre le schéma de la figure 2.

Les différentes prévisions saisonnières effectuées successivement de mars à mai, indiquaient, pour la saison suivante, un nombre probable d'ouragans de 9 à 12, bien supérieur à la valeur moyenne de 6, et ceci a été tout à fait réaliste puisque les ouragans observés ont été au nombre de 11. Ce succès a permis d'espérer que les outils utilisés pour cette détermination étaient plus performants que dans le passé. Malheureusement, l’année 2013 n'a pas permis de confirmer cette avancée. Les différentes prévisions saisonnières avaient conclu que l'année serait presque normale, avec une fréquence de CTs de 6 ou légèrement supérieure; or 2013 fut l’année où on a eu le moins de cyclones depuis que l’on a des observations globales (voir figure 2).

Figure 2: Prédiction et observations (en gris: 12 en 2010 et seulement 2 en 2013) d'une saison cyclonique en Atlantique Nord. L'activité intense de la saison 2010 a été bien prédite, mais en 2013, les études n'ont pas su prévoir la très faible activité des TC. Les points représentent les prédictions par différentes méthodes, avec leur écart type décrit par une barre. Les mois initiaux de chaque jeu de prédiction sont inscrits sur la figure. Le chiffre entre parenthèse représente le nombre de mois en avance de la prédiction qui est faite.

3- Les cyclones tropicaux et les modèles climatiques

Généralement, un modèle global de climat (les Modèles de Circulation Générale ou MCG) ne peut véritablement décrire un ouragan car la maille du modèle est de l'ordre de la centaine de kilomètres. Réduire la maille est extrêmement coûteux et par conséquent, les expériences numériques dont la résolution est suffisante sont rares.

Pourtant, pour évaluer la capacité des MCG à représenter les CTs, quelques simulations ont pu être conduites en réduisant la taille de la maille du modèle. C'est le cas au laboratoire de Princeton, le "Geophysical Fluid Dynamics Laboratory" (GFDL)5, où les chercheurs ont fait des simulations climatiques avec un MCG dont la maille a été réduite à 50 km.

Ces expériences numériques ont démontré que la physique du modèle était suffisamment performante pour que des CTs apparaissent avec des caractéristiques assez satisfaisantes. Leur développement dans les différents bassins océaniques était présent, avec une évolution maximum de juillet à novembre, conforme à la réalité, ce qui est remarquable.

Mais le caractère explosif des cyclones majeurs de catégorie 4 à 5 n'a pas été simulé par ce modèle et seuls, ceux de classe 1 à 3 ont pu être représentés. Malgré cette dernière difficulté, ce résultat rassure car il montre que, seule, une résolution insuffisante empêche les MCG de mieux représenter les cyclones et leur évolution avec le changement climatique.

Malgré leur résolution insuffisante, les MCG ont été utilisés pour approfondir les connaissances sur les CTs.

Pour détecter l'apparition et l'intensité des cyclones des modèles, les scientifiques ont développé des algorithmes simples basés sur des seuils de quantités locales telles que :

Ces études ont permis de confirmer le lien entre l'existence d'une année El Nino (la Nina) et l'affaiblissement (le renforcement) de l'activité cyclonique en Atlantique 6.
Ces relations ont été constatées sur les observations portant sur la période allant de 1981 à 2009. Plus la maille des modèles est fine et la résolution précise et plus performante est la représentation des CTs.

L'influence du changement climatique (CC), résultant de l'émission anthropique des gaz à effet de serre (GES) sur l'activité cyclonique a été véritablement étudiée après les années 2000, même si quelques publications avaient tenté auparavant d'explorer le sujet. On a pu noter des désaccords sur les conclusions des nombreuses publications.

En utilisant l'ensemble des MCG ayant participé au 4ième rapport du GIEC, des scientifiques ont montré que, en Atlantique, et sur l'Est du Pacifique, le cisaillement de vent 7 augmentait avec le CC, ce qui inhibe l'intensification des cyclones; d'autres analyses, publiées bien après 2005, ont conclu que le nombre de cyclones 8 diminuait dans cette région alors que des publications en 2005 annonçaient une augmentation du nombre et de l'intensité des CTs.

Le débat entre scientifiques s'est instauré, certains utilisant des modèles qui obtiennent une augmentation de l'intensité ou du nombre de cyclones, alors que d'autres trouvent l'inverse. Nous revenons plus précisément sur ces résultats dans les prochains paragraphes.

4- Comment déterminer l’évolution des cyclones tropicaux

Comment évoluent, sous l'effet du changement climatique, la fréquence et l'intensité des cyclones tropicaux, ou encore la région où ils sont produits?

La réponse à cette question présente des difficultés. Elle est encore débattue par les scientifiques, qui pourtant sont bien conscients de son importance majeure pour la société, eu égard aux désastres engendrés par ces situations météorologiques.

Les Observations

Les études sur l'évolution des CTs passés présentent deux difficultés :

Définir un signal statistique fiable sur des événements rares (encore plus si l'on s'intéresse aux cyclones majeurs de catégorie supérieure à 3) nécessiterait d'avoir des séries plus longues que celles dont on dispose.

Les CTs sont assez rares, dans les différents bassins océaniques, malgré l'impression ressentie par le public.
Ainsi, en Atlantique, où on a des enregistrements les plus complets, les études n'ont pas toujours été en accord.
Sur le nord de l'Atlantique (figure 2) le nombre d'ouragans est en moyenne de 6 par an, avec des écarts type de l'ordre de 3. Néanmoins, certaines années, leur nombre peut être bien supérieur, ce qui peut faire penser à une tendance sur le long terme. Ainsi, on en a observé plus de 10 en 1995, en 2005 et en 2010. L'année 2005 a comporté 15 CTs particulièrement violents, dont l'ouragan Katrina, en Nouvelle Orléans, qui a fait plus de 1300 morts et 100 milliards de dégâts.

De nombreuses publications ont alors affirmé que l'on assistait à une augmentation globale du nombre de CTs en Atlantique, ou de l'intensité des cyclones majeurs, ou de leur capacité de destruction9.

La question suivante  a été alors posée :
une telle évolution peut elle être attribuée au changement climatique lié aux émissions des gaz à effet de serre?
Ces conclusions ont été réfutées par la suite, quand on a étudié des enregistrements plus longs 10.

Après 2005, le nombre de cyclones a nettement décru en Atlantique et certains en ont cherché la cause. Une hypothèse a été que les variations d'aérosols de la région ont eu une influence sur l'activité des CTs, mais cette explication n'a pas convaincu tous les chercheurs.

L'activité cyclonique très forte en 2017, bien qu'inférieure à celle de 200511, a relancé les recherches sur les causes de cette intensification et certains l'ont reliée à la modification des températures de surface en Atlantique 12.
Sur le Pacifique, des études ont montré que le nombre de cyclones décroissait. Des chercheurs ont émis l'hypothèse que l'augmentation du nombre de CTs en Atlantique, certaines années, pouvait être compensée par une décroissance sur l'océan Pacifique 13.

Les dernières études14 montrent que, sur l'ensemble de la planète, le nombre total annuel  de perturbations tropicales (CTs et tempêtes) est de l'ordre de 87, avec une variabilité interannuelle importante: on en a compté 69 en 2010, et 108 en 1996. Parmi ces perturbations, 48 en moyenne correspondent aux cyclones de classe 1 ou plus. De même que pour l'Atlantique, les données globales reconstituées n'ont pu démontrer une tendance à l'augmentation ou à la réduction  du nombre total d'ouragans, même si la variation décennale, avec des minimums de 29 (comme en 1977, ou en 2008-2009), apparaissant sur la Figure 3, a pu induire des interrogations, voire même l'hypothèse d'une décroissance de leur nombre total, lors de l'analyse de séries moins longues.

Figure 3

Figure 3: Fréquence (nombre de cyclones par an) des cyclones tropicaux (en rouge) et de l'ensemble des orages et des cyclones tropicaux (en noir) sur la planète. Chaque point correspond à une moyenne glissante sur 12 mois. Knutson et al15, 2019.

Les études théoriques