Interactions non-linéaires de structures cohérentes tourbillonnaires d'échelle synoptique

Nonlinear interactions of synoptic-scale vorticity coherent structures

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Gilet
• Direction : Véronique Ducrocq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan. Atmosphère
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépressions barométriques

Météorologie dynamique

Mots clés libres

Météorologie dynamique

Structures cohérentes

Ondelettes

Cyclogénèse

Climatologie

Dépressions météorologiques des moyennes latitudes

Résumé

Une manière classique et de plus en plus répandue d'expliquer le creusement des dépressions météorologiques d'échelle synoptique repose sur des mécanismes d'interactions non-linéaires entre un nombre réduit de structures d'amplitude finie au sein d'un environnement propice. Dans cette perspective, la thèse a un double objectif. Une séquence algorithmique entièrement automatique analysant une situation météorologique par décomposition de l'écoulement en une série de structures et leur environnement a été bâtie à partir d'outils existants et jusque-là indépendants. Le principal apport est la construction d'une méthodologie de couplage entre un algorithme de suivi temporel et un algorithme d'extraction de structure. Elle permet d'aboutir à la connaissance de l'histoire des structures ainsi qu'à une extraction plus robuste. En appliquant l'algorithme aux champs de tourbillon potentiel à 315K et de tourbillon relatif à 850hPa sur 16 années de la réanalyse ERA-Interim, les climatologies de positions de structures cohérentes se comparent de manière satisfaisante avec d'autres issues de méthodes plus classiques. Combinées à un modèle vertical simple, les extractions sur les deux niveaux fournissent une décomposition tridimensionnelle en une partie "structures" et son environnement. D'autre part, les mécanismes dynamiques conduisant à l'observation de certaines caractéristiques de dépressions qui traversent un courant-jet d'altitude du sud vers le nord ont été examinés. Une étude idéalisée dans un modèle quasi-géostrophique à deux couches a été menée, montrant que le profil horizontal du courant-jet joue un rôle clé quant à l'orientation, la forme, la trajectoire des dépressions ainsi que le cycle énergétique qui en découle. Les conclusions de cette étude sont documentées à l'aide de la série temporelle de structures. Il est montré que l'occurrence du maximum d'amplitude d'une structure tourbillonnaire correspond de manière générale à un retour temporaire à une anisotropie modérée. Par ailleurs, un calcul automatique d'inversion du tourbillon potentiel sur un ensemble conséquent de cas choisis -- de l'ordre du millier -- est mené. Cette dernière étape fournit les champs de vent tridimensionnels liés aux deux parties de l'écoulement. Il s'avère que sur l'Atlantique, au moins une dizaine de dépressions par an suivent une évolution comprenant un changement de forme horizontale ainsi qu'une traversée du courant-jet. Parmi les résultats obtenus, le lien entre l'intensité de la variation horizontale de tourbillon potentiel de l'environnement et le mouvement méridien d'une dépression est retrouvé.

A classical and widely held way to explain mid-latitude synoptic-scale cyclogenesis is based on nonlinear interaction mechanisms between a few finite-amplitude structures in a favorable environment. From this point of view, the purpose of this phD is twofold. From existing and independent numerical tools, a totally automated algorithm is built, which enables the analysis of a meteorological situation with the help of a decomposition into synoptic-scale structures and their environment. The main contribution is the definition of a methodology that enables the coupling of a tracking algorithm with a structure extracting one. Such a coupling gives access to structures' history and to get a reliable extraction. This algorithm has been applied to 16-year long isentropic 315K potential vorticity and 850hPa relative vorticity field series from ERA-Interim reanalysis. The geographical position temporal series of the coherent structures compares well with previous climatologies that were built with more classical methods. Moreover, dynamical mechanisms leading to some observed extratropical cyclones' characteristics during their crossing of a tropopause jet from the south to the north are examined. An idealized study in a two-layer quasi-geostrophic model is led. It shows that the horizontal profile of the jet plays a key role as for the orientation, the shape and the trajectory of mid-latitude cyclones, and for its subsequent energy budget. The findings of this study are documented with the help of the structures time series previously built. It is shown that the occurrence of the amplitude maximum of a vortex matches well with a temporary phase of moderate anisotropy. At last, a large number (about one thousand) of automated potential vorticity inversions are performed on a set of carefully chosen 850hPa vortices. 315K and 850hPa extractions, combined with a simple vertical model, supply with a three-dimensional decomposition into a "structures" part and its environment. The PV inversion step makes up the dynamical description : it provides the three-dimensional wind fields of both flow parts. On the Atlantic, about ten depressions are yearly found to follow a life cycle comprising a change of horizontal shape and a jet crossing. Among the results, the link between the intensity of the environmental potential vorticity horizontal variation and the cross-jet low-level vortex shift is found.