Contribution de la convection profonde à l’intensification des cyclones méditerranéens

Contribution of deep convection on the intensification of Mediterranean cyclones

• Auteur / Autrice : Stavros Ntafis
• Direction : Chantal Claud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Drobinski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chantal Claud, Nadia Fourrié, Jean-Pierre Chaboureau, Heini Wernli, Mario Marcello Miglietta, Konstantinos Lagouvardos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadia Fourrié, Jean-Pierre Chaboureau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méditerranée (mer)

Cyclones

Sciences de l'environnement

Mots clés libres

Convection profonde

Médicanes

Cyclones subtropicaux

Méditerranée

Télédétection

Deep convection

Medicanes

Subtropical cyclones

Mediterranean

Remote-sensing

Résumé

Le rôle de la convection profonde dans l’intensification des cyclones subtropicaux méditerranéen est examiné dans le cadre de cette thèse. Alors que la plupart des cyclones méditerranéens présentent un cycle de vie barocline typique, où la cyclogenèse est principalement déclenchée par les perturbations situées dans la haute troposphère, le rôle de la convection profonde sur le développement des cyclones été jeu abordé jusqu’ici. Afin d'étudier la contribution de celle-ci sur l'intensification de neuf médicanes entre 2005 et 2018, l'accent a été mis sur le bassin méditerranéen central et oriental moins étudié, que ceux de la Méditerranée occidentale.Dans une première partie, la relation entre la convection profonde et la formation et l'intensification des cyclones est étudiée à l'aide de techniques de télédétection par une approche multi-satellites en utilisant des observations dans l’infrarouge et les micro-onde. Des observations provenant des radiomètres micro-ondes AMSU-B et MHS volant à bord de plusieurs satellites opérationnels (NOAA16 à NOAA19; MetOpA / B), ainsi que l'imageur visible et infrarouge SEVIRI installé à bord des satellites géostationnaires Meteosat-8 à 11 ont été utilisées. Les canaux humidité sondant autour de 183 GHz des capteurs AMSU / MHS et les canaux infrarouges de SEVIRI ont été utilisés pour détecter la convection profonde durant le cycle de vie des médicanes. De plus, le cisaillement vertical du vent et l'inclinaison du vortex ont été calculés en utilisant les réanalyses ERA5 afin d’étudier l'évolution de la structure du cyclone. Les résultats fournissent des informations inédites sur les relations entre la convection profonde et l'évolution des cyclones : ainsi il est montré que seule une fraction des cyclones étudiés subissent une activité convective intense près de leurs centres et qu’une convection profonde persistante dans les secteurs où le cisaillement est positif mène à des périodes d'intensification. L'activité convective des secteurs où le cisaillement est négatif n'est pas liée à des périodes d'intensification, tandis que les structures de courte durée de type ouragans se développent uniquement pendant l'activité convective symétrique ce qui peut conduire à une intensification des cyclones dans certains cas. En raison de ces comportements variés, les neuf médicanes étudiés ont été groupés en trois familles en fonction des caractéristiques de leur cycle de vie.Dans un deuxième temps, pour aborder l'impact de la thermodynamique à fine échelle en lien avec la convection profonde et expliquer l'activité convective observée, une modélisation atmosphérique a été effectuée. Pour cela on a utilisé le modèle de recherche et de prévisions météorologiques WRF à une résolution spatiale fine (3 km). Les simulations numériques ont été forcées par les réanalyses ERA5. Pour tenir compte des effets de la libération de chaleur latente pendant la convection profonde, des traceurs de vorticité potentielle (PV). De plus, une version modifiée de l'équation de tendance de pression a été utilisée pour post-traiter les résultats numériques afin d'étudier la dynamique atmosphérique liée à six médicanes. Les résultats ont montré que les changements d'intensité des cyclones n'étaient que partiellement expliqués par l'activité de la convection profonde, les facteurs principaux étant les champs de PV diabatique de basse couche induits et le chauffage diabatique. L'environnement barocline dans lequel ces cyclones se sont développés présentait finalement très peu de similitudes avec les cyclones tropicaux. Les résultats numériques appuient en partie notre hypothèse issue du travail mené sur les observations selon laquelle les médicanes feraient bien partie de la famille des cyclones méditerranéens, mais qu’ils possèdent également certaines caractéristiques particulières, à savoir la contribution des processus diabatiques et barocliniques lors de leur développement et au stade mature.

The role of deep convection in the intensification of Mediterranean tropical-like cyclones is examined in this thesis. While most of the Mediterranean cyclones present a common baroclinic life cycle where cyclogenesis is mainly triggered by upper tropospheric systems, the role of deep convection on cyclones development has only been addressed by few studies in the recent past. In order to investigate the contribution of deep convection in the intensification of 9 Mediterranean tropical-like cyclones between 2005 and 2018, the emphasis has been put on the Central and Eastern Mediterranean basin where these cyclones have received less attention than those in the Western Mediterranean.In a first part, the relation of deep convection with cyclones formation and intensification is investigated using remote sensing techniques, through a multi-satellite approach, with observations in the infrared and microwave spectrum. Observations derived from the Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU-B) and the Microwave Humidity Sounder (MHS) on several operational satellites (NOAA16 through NOAA19); MetOpA/B, as well as the Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) onboard the geostationary satellites Meteosat-8 to 11 have been used. The humidity sounding channels around 183 GHz from the AMSU/MHS sensors and a method of infrared channel differencing from SEVIRI were used to detect deep convection during the Mediterranean tropical-like cyclones. Moreover, vertical wind shear and vortex tilt were calculated by ERA5 reanalysis data to study the cyclone structure evolution. Results provide new insights about the relations between deep convection and cyclone evolution, with only a fraction of the studied cyclones experiencing intense convective activity close to their centres and persistent deep convection in the upshear quadrants leads to intensification periods. Convective activity solely in the downshear quadrants is not linked to intensification periods, while short-lived hurricane-like structures develop only during symmetric convective activity, leading to cyclone intensification in some of the cases. For this reason, the Mediterranean tropical-like cyclones have been divided into 3 groups based on distinct differences during their lifetime.As a second step, to address the impact of fine-scale thermodynamics related to deep convection and explain the observed convective activity, atmospheric modeling is employed, using the Weather Research and Forecast model (WRF) with a fine spatial resolution (3 km). The numerical simulations are forced by ERA5 reanalysis data with a high temporal resolution. To account for the effects of latent heat release during deep convection, online potential vorticity (PV) tracers are used at every model time step. In addition, a modified version of the classical pressure tendency equation (PTE) is used to post-process the numerical results to study the atmospheric dynamics related to 6 Mediterranean tropical-like cyclones. Results show that cyclone intensity changes are only partly explained by deep convection activity, with an emphasis given on the diabatically-induced low-level PV fields and diabatic heating. The baroclinic environment into which these cyclones develop has very few similarities with tropical cyclones. The numerical findings partially support our hypothesis in the observational study that the Mediterranean tropical-like cyclones may be part of a continuous spectrum of Mediterranean cyclones, but they are also distinct differences among them, namely the contribution of diabatic and baroclinic processes at their developing and mature stages.