Cyclogenese

Dépressions (D) et fronts traçés sur une image des nuages par satellite

La cyclogénèse ou cyclogenèse est le développement ou l'intensification d'une circulation cyclonique dans l'atmosphère qui mène à la formation d'une dépression (météorologie)^[1]. Son opposé est la cyclolyse et son équivalent pour la formation d'anticyclones est l'anticyclogénèse^[1]. La cyclogénèse s'applique à la formation des dépression des latitudes moyennes, ou extra-tropicales, dont la dynamique est le résultat de la divergence des vents des niveaux supérieurs de la troposphère dans des zones de contrastes thermiques appelés fronts météorologiques.

La cyclogénèse des latitudes moyennes repose donc sur un cœur central froid dans la dépression, celle-ci se développant du côté froid du front. La formation des dépressions tropicales est lui dépendante de la forte convection qui s'organise autour d'un centre sans présence de creux barométriques (ou thalweg) ni fronts aux alentours et le cœur de la dépression est donc chaud. Ce sujet est traité dans la cyclogénèse tropicale^[2]

Échelle du phénomène

C'est toujours par une phase de cyclogénèse que commence le développement des divers types de perturbations à l'échelle synoptique (plus de 1 000 km de diamètre). Cette phase s'enclenche cependant par un processus de résolution de l'instabilité thermique et dynamique, à laquelle est soumise la région atmosphérique englobant le cyclone, à des échelles inférieures. Les caractéristiques de ce processus varient très sensiblement suivant la zone méridienne où se place cette région et l'environnement initial qu'y rencontre le cyclone. En général, un creux d'altitude passant dans une zone favorable au développement créera un circulation ayant quelques centaines de kilomètres mais qui prendra des dimensions synoptiques avec le temps.

Modèle norvégien

Point d'inflexion se formant le long du front

Cyclonisation et développement

Maturité

Occlusion

Dissipation

L'école norvégienne de météorologie a développé un modèle idéalisé de formation, maturation et mort des dépressions des latitudes moyennes durant la Première Guerre mondiale. En 1919, ces météorologistes ont publié les résultats de leurs recherches fondés presque exclusivement sur des observations de surface et seulement quelques sondages d'altitude. Ce concept s'est graduellement répandu dans le monde ^[3],[4]. Le point principal de ce modèle est que ce processus est prévisible alors que la dépression progresse à travers la frontière frontale et entre graduellement dans la masse d'air froid. On retrouve donc l'onde initiale le long de la partie la plus près de l'air chaud alors que les systèmes matures se retrouvent dans l'air froid et qu'une nouvelle onde frontale s'en éloigne avec le front ^[5]. Les images de droite montre la progression de la cyclogénèse allant des précurseurs au stade de dissipation. Au XXI^e siècle, la théorie norvégienne est largement dépassée.

Précurseurs

La première image montre un front stationnaire entre deux masses d'air ayant des températures et humidité différentes. Les vents sont parallèles au front et aucun échange ne se produit. Cette situation est relativement instable puisque des vents auront tendance à se développer à travers la zone de contraste thermique pour égaliser les températures. Il suffit d'une perturbation passant dans le secteur pour induire un point d'inflexion, comme dans la deuxième figure, qui donnera une circulation cyclonique en se développant.

La dépression de surface peut se former de différentes façons:

• un creux de basse pression passant en altitude crée une divergence. Cette dernière engendre un mouvement vertical pour remplacer l'air et crée à la surface une convergence des vents vers la zone frontale
• la topographie peut forcer l'air de surface et lui donner une composante à travers la zone frontale^[6]
• un système convectif de mésoéchelle peut développer une dépression même si on se trouve dans une masse d'air isotrope ^[7] et cette perturbation peut générer sa propre onde frontale en rencontrant une zone frontale le long de son chemin.

Développement

Autour de la dépression, figure 3, le flux d'air est cyclonique. C'est-à-dire que la rotation amène l'air doux de la masse chaude vers les pôles et l'air froid vers l'équateur quel que soit l'hémisphère (voir Circulation atmosphérique). On transforme ainsi la zone frontale stationnaire en un front chaud et un front froid dans le quadrant sud de la dépression. Habituellement, l'advection froide causée par le front froid est plus grande que celle du front chaud et le premier rattrape graduellement le second.

Ceci est est expliqué dans le modèle norvégien par le fait que l'air froid plus dense est difficile à déloger. Ainsi l'air doux du secteur chaud est repoussée en altitude^[8] le long du front chaud et n'érode que lentement l'air froid de surface ce qui permet au front froid en mouvement de le rattraper. Ce déplacement crée un mouvement vertical de l'air chaud et l'humidité se condense éventuellement pour donner des nuages et ensuite des précipitations (zone verte).

Maturité

À ce stade, la dépression atteint le maximum de son développement et les deux fronts sont incurvés dans la direction de leur progression, comme les voiles d'un bateau. On appelle secteur chaud, la partie située entre le front froid et le front chaud. Cette partie est la plus chaude du système dépressionnaire. Les isobares sont très serrées donnant une intense circulation^[9]. Les mouvements verticaux sont également à leur maximum produisant le maximum de précipitations.

Occlusion

Le système dépressionnaire se déplace toujours, mais un ralentissement commence à se faire sentir. Lorsque le front froid rejoint le front chaud, il commence à repousser l'air doux en altitude près de la dépression. Une partie de cet air est alors forcée de s'élever, créant trowal et front occlus. À ce stade, l'air chaud est presque complètement coupé de la surface dans la dépression. La frontolyse laisse une circulation cyclonique dans l'air froid situé sous le creux d'air chaud. Il s'ensuit, au centre, une remontée de la pression et un affaiblissement tel, que le système deviendra stationnaire dans bien des cas.

Dissipation

Plus l'occlusion progresse, plus l'air chaud de surface devient découplé de la dépression. L'air chaud est maintenant bien au sud-est du système, alors qu'à faible altitude une faible circulation cyclonique persiste en présence d'un creux. De plus, l'énergie potentielle disponible dans la masse d'air suit le secteur chaud ce qui sonne le glas de la dépression.

Modèle de Shapiro-Keyser

Avec l'avènement des radiosondages et des photos satellites, les météorologues se sont aperçus que le comportement des systèmes dépressionnaires ne correspondaient pas exactement au modèle norvégien. Shapiro et Keyser ont proposé une variante en 1990^[10]. Ils se sont rendu compte que le front froid semblait se détacher durant la phase de maturation de la dépression lorsque le flux d'altitude était fortement confluant. La température autour de cette dernière s'homogénéisait derrière le front chaud. Éventuellement l'air doux fait le tour de la dépression dans ce qu'ils ont appelé la séclusion au lieu d'une occlusion conventionnelle. L'air doux en surface dans ce secteur est surmonté d'air froid et devient très instable. De la convection se développe et le gradient de pression est très serré menant à des vents violents.

L'image de droite monte les étapes de ce modèle de cyclogénèse. La partie vraiment différente de celle du modèle norvégien est l'occlusion en T où le front froid se détache de la dépression et de la partie de séclusion instable alors que le premier modèle décrit la dépression occluse comme tendant vers la stabilité.

Dynamique

Un creux d'altitude (lignes en rouge) se déplace vers un front stationnaire. Ce dernier est perpendiculaire à des nuages ayant une forme de feuille (zone bleue) dans les images satellites. Le creux modifie la circulation de surface pour former des zones de front chaud et de front froid. Le point d'inflexion de ces fronts est l'onde frontale initiale qui se développe au cercle rouge. Le courant-jet est indiqué par les flèches en bleu pâle

L'air converge (CON) ou diverge (DIV) aux entrées et sorties du Courant-jet

Les modèles norvégiens et de Sapiro-Keyser sont purement descriptifs et reposent sur certaines hypothèses que l'étude de la dynamique des fluides ont modifié. En fait, les météorologistes norvégiens travaillaient déjà sur une explication mathématique de ce qui intensifie le mouvement des fronts, soit la différence de mouvement vertical selon les lois de la thermodynamique. Cela se produit lorsque l'advection froide est plus grande que la chaude dans le système dépressionnaire et non que l'air chaud monte sur l'air froid le long des fronts. L'étude du comportement de l'atmosphère s'est intensifiée avec la prise régulière de données en altitude par radiosondage à partir des années 1920, et plus tard par les satellites météorologiques.

Ainsi les équations primitives de la météorologie ont été développées. Elles montrent que la cyclogénèse est dépendante de tout le mouvement dans la colonne d'air et des variations de la force du vent. L'image de droite montre un creux d'altitude avec un courant-jet passant au-dessus d'un front stationnaire en surface. La seconde image montre que la vitesse du vent varie dans le jet, donnant des zones de convergence et de divergence aux entrées et sorties.

En effet, les vents au cœur du courant-jet sont plus forts qu'autour de celui-ci. Lorsqu'il se déplace, on a une accumulation d'air dans la zone d'où il s'approche et une perte dans celle qu'il délaisse. Dans les quadrants de divergence, on a une perte d'air en altitude ce qui crée un appel d'air des couches inférieures et génère une convergence en surface pour compenser. Ce processus donne deux choses: une diminution de la pression à la surface, car la masse de la colonne d'air à cet endroit est moindre, et la rotation cyclonique de l'air, à cause de la déviation par la force de Coriolis donnant une circulation décrite par l'équilibre géostrophique.

Donc le modèle norvégien est la conséquence des mouvements dans l'atmosphère plutôt que son moteur. Cependant, il est très utile pour décrire l'évolution des dépressions et c'est pourquoi les présentations météorologiques dans les médias en font encore abondamment usage. Il faut se rappeler que le mauvais temps est souvent décalé de la position des fronts car le mouvement vertical n'est pas nécessairement le long de ceux-ci.

Notes

Bibliographie

• James R. Holton: An Introduction to Dynamic Meteorology, 4^ième édition, publié par Academic Press et Elsevier, 2004, 535 pages, ISBN 0-123-54015-1

Voir aussi

Articles connexes

• Prévision météorologique
  • Cisaillement (météorologie)
  • Courant-jet
  • Front (météorologie)
  • Blocage d'air froid
• Temps (météorologie)
  • Cyclone
  • Liste des tempêtes météorologiques européennes
• Cyclogénèses d'échelles différentes:
  • Cyclogénèse tropicale
  • Mésocyclones
  • Tornades
  • Tourbillon de poussière

Liens externes

• Systèmes frontaux du guide METAVI d'Environnement Canada pour les aspirants pilotes aériens
• (en) Cyclogénèse vu par photos des satellites géostationnaires par le Regional and Mesoscale Meteorology Branch un centre associé de la NOAA
• (en) The problem of Weather Prediction, as seen from the standpoints of Mechanics and Physics par Wilhelm Bjerknes dans le site de NOAA
• (en) Présentation sur le modèle de Shapiro-Keyser par le NOAA

Dépressions et anticyclones
Types	Cyclone extratropical • Cyclone subtropical • Cyclone tropical • Cyclone polaire • Dépression polaire
Dépressions semi-permanentes	Dépression d'Islande • Dépression des Aléoutiennes
Anticylones semi-permanents	Anticyclone de l'Atlantique (Açores/Bermudes) • Anticyclone de Sibérie • Anticyclone d'Amérique du Nord • Anticyclone de Sainte-Hélène • Anticyclone de l'île de Pâques • Anticyclone d'Hawaï • Anticyclone des Mascareignes • Anticyclone antarctique
Glossaire de la météorologie

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