Modélisation de la réponse océanique à un cyclone tropical et de sa rétroaction sur l'atmosphère

Tropical cyclones strongly depend on the upper ocean heat content. In turn, a part of their kinetic energy is used to create strong currents in the upper layers of the ocean.In the first part of the dissertation, the sensitivity of the oceanic response is evaluated regarding to the propagation speed of an idealized tropical cyclone. Kinetic energy and temperature budgets show evidences of an oceanic resonant regime induced by the surface winds. For slow moving cyclones, we show that the upwelling created by cyclonic winds can strongly interact with the turbulent mixing which determines the characteristics of the mixed layer response.In the second part of the dissertation, the retroaction of the ocean on tropical cyclones is considered. We study the tropical cyclone Ivan, which took place in 2008 in the south-west Indian Ocean by using a coupled model. The differences between the forced and coupled simulations point out the strong impact of the oceanic cooling on the surface heat fluxes, the convection and the cyclone intensity.; Les cyclones tropicaux dépendent fortement de l’océan superficiel dont ils extraient l’énergie thermique nécessaire à leur maintient. Ils cèdent en contre partie une part importante de leur énergie cinétique à l’océan sous la forme de courants. Les flux de chaleur et de quantité de mouvement qui transitent à travers la surface constituent le lien entre ces deux milieux. Les quantités d’énergie échangées à travers la surface de l’océan dans un cyclone tropical sont énormes : de l’ordre de 1000 W/m2 pour le flux de chaleur et de l’ordre de 5 N/m2 pour le flux de quantité de mouvement. Cette interaction extrême entre l’océan et les cyclones constitue le point central de cette thèse.Nous abordons dans une première partie la question de la paramétrisation des flux turbulents en surface dans un cyclone tropical. Le rôle critique du flux de chaleur en surface pour un cyclone impose en effet d’évaluer correctement cette quantité. Le comportement unique des flux turbulents en surface à l’intérieur des cyclones et la paramétrisation ECUME utilisée dans ce travail de modélisation sont décrits en détail. Cette paramétrisation se révèle être bien adaptée aux cyclones tropicaux, compte tenu du niveau actuel des connaissances sur ce sujet. Les ordres de grandeur des flux turbulents calculés sont réalistes.La deuxième partie s’intéresse à la réponse de l’océan générée par un cyclone tropical. Le principal processus gouvernant cette réponse océanique étant le mélange turbulent vertical, un travail important est réalisé concernant la représentation de ce processus dans les deux modèles océaniques utilisés. Le premier modèle est un modèle intégral tridimensionnel et le deuxième est un modèle discrétisé verticalement unidimensionnel. Les deux paramétrisations du mélange vertical sont adaptées dans le cadre de leur utilisation en conditions cycloniques et validées. Elles montrent de très bonnes performances pour représenter l’évolution de la couche mélangée sous l’action d’un cyclone, en comparaison aux mesures effectuées lors de la campagne CBLAST en 2004. Le modèle intégral est ensuite utilisé pour évaluer en détail les bilans d’énergie cinétique et thermique de la couche mélangée océanique soumise à un forçage cyclonique idéalisé. Nous montrons que la réponse de la couche mélangée est très sensible à la vitesse de déplacement du cyclone. On distingue en particulier deux régimes de réponse océanique suivant la vitesse de déplacement du cyclone, la limite entre ces deux régimes se situant entre 5 et 6 m/s. Trois processus physiques interviennent dans la réponse océanique et interagissent à différents degrés suivant la vitesse de déplacement du cyclone. L’intensité et la structure des courants créés par le cyclone dépendent fortement d’un mécanisme de couplage entre les vents du cyclone et les courants dans la couche mélangée. Nous mettons en évidence que ce couplage est très sensible à la vitesse de déplacement du cyclone, ce qui peut aboutir à un phénomène de résonance entre le cyclone et l’océan. Nous montrons également que le déphasage entre la mise en place de l’upwelling créé par la divergence des courants et le déclenchement du mélange turbulent permet d’expliquer la réponse dynamique de la couche mélangée pour les cyclones lents. Enfin, nous mettons en évidence l’importance de la phase de préconditionnement de la couche mélangée à l’avant du cyclone dans l’intensité du refroidissement de la couche mélangée pour les cyclones lents. Pour les cyclones rapides, le mécanisme de couplage vent-courant est suffisant pour expliquer la réponse dynamique et thermodynamique de la couche mélangée.La troisième partie de cette thèse présente l’étude du cyclone Ivan (2008) et de son interaction avec l’océan dans le bassin Indien sud-ouest. Nous utilisons ici le modèle atmosphérique Méso- NH couplé au modèle océanique unidimensionnel présenté et validé dans la partie précédente. Notre étude révèle deux phases successives dans le comportement du cyclone : une premièrepériode où l’intensité du cyclone reste quasi-stationnaire, et une seconde période où le cyclone s’intensifie très rapidement. La première période se caractérise également en termes de température de surface de la mer (TSM) par une large anomalie froide formée par le cyclone au cours des jours précédant la période de notre étude. La deuxième période se caractérise par des TSM très élevées. Pour la première période, nous montrons que :1 - le couplage avec l’océan modifie faiblement les flux de chaleur en surface à cause des températures de l’océan initialement déjà très basses, ce qui n’est pas suffisant pour affecter l’intensité du cyclone.2 - l’anomalie froide de température de surface de la mer empêche la convection de se développer autour du centre du cyclone en diminuant fortement les flux de chaleur en surface sur une large zone.3 - l’activité convective de la bande spiralée amplifie localement l’intensité des flux de chaleur en surface par l’action des courants subsidants, qui assèchent et refroidissent la couche limite atmosphérique.Pour la période d’intensification rapide et de TSM élevées, nous montrons que :1 - le couplage avec l’océan induit une diminution maximale des températures de surface de 4°C à l’arrière du cyclone, et de 2°C directement sous le cyclone lors de son maximum d’intensité.2 - ce refroidissement engendre une forte diminution (- 40%) du flux turbulent total de chaleur en surface par rapport à la simulation forcée : le flux de chaleur sensible maximum est divisé par 4, le flux de chaleur latente est divisé par 2.3 - cette diminution des flux de chaleur en surface a des répercutions importantes sur l’activité convective (- 25% de précipitations cumulées sur la période par rapport à la simulation forcée), ainsi que sur l’intensité du cyclone, dont l’évolution est mieux reproduite par la simulation couplée (+ 20% pour la pression centrale et - 35% pour les vents maximums).Des perspectives associées aux différents résultats de cette thèse sont finalement proposées afin de poursuivre le travail engagé et de bénéficier des progrès effectués.