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Le cyclone Irma vu depuis les capteurs satellites

Le cyclone Irma est passé, entre le 6 et 11 septembre 2017, du nord des Petites Antilles à la Floride ...Ses effets destructeurs sur son passage marqueront durablement les consciences et les paysages.

Ce cyclone classé en catégorie 5 sur l'échelle de Saffir-Simpson surprend par sa persistance, sa puissance avec des vents supérieurs à 300 km/h, la hauteur de ses vagues, atteignant presque 8 m. L'effet combiné des vagues et du vent a également généré des phénomènes de submersion marine, inondant plusieurs îles.

Les images sous forme de photos des satellites météorologiques préfiguraient les dimensions exceptionnelles de ce cyclone. Cependant, si nous sommes maintenant habitués à visualiser ces images, elles ne font pas tout. Pour aller plus loin dans l'analyse et mesurer la puissance du cyclone, les capteurs embarqués à bord des satellites météorologiques ou à bord de satellites d’observation des océans permettent d’accéder à toutes ces mesures physiques et d’alimenter les modèles de prévision en température, quantité de pluie, vitesse de vent, hauteurs de vagues.

Le couplage des modèles météorologiques avec des modèles océaniques permettent de combiner plusieurs sources de mesures et de prendre en compte l’influence de l’océan, et plus particulièrement de sa température, sur la genèse, la puissance et la trajectoire du cyclone. En effet, les cyclones puisent leur énergie dans la chaleur de l’océan, tel un incendie a besoin d’oxygène pour alimenter la combustion. Le contenu en énergie de l’océan, soit la quantité de chaleur contenue dans une couche d’eau supérieure à 26° permet de quantifier l’énergie disponible pour alimenter le cyclone. 

Plusieurs exemples ci-dessous illustrent des mesures de vitesse de vent, de hauteurs de vagues ou de contenu en énergie, issues des satellites Sentinel-1, Sentinel-3 (ESA), Jason-3 (CNES/NASA/EUMETSAT/NOAA) ou issues des modèles MOG-2D (CNES/SALP) et PSY4-QV3 (Mercator Océan/CMEMS). 

En 2018, le satellite CFOSAT (CNES/CNSA) sera lancé pour mesurer le vent et les vagues à la surface des océans. Ces données permettront de réaliser des prévisions plus fiables de l’état de la mer et de mieux comprendre les interactions entre l’océan et l’atmosphère lors de tels évènements extrêmes.

Mesure de la vitesse du vent par Sentinel-1

La mission Copernicus/ESA Sentinel-1 avec son radar imageur à synthèse d'ouverture (SAR) a croisé la trajectoire du cyclone Irma. Un exemple est donné ci-dessous, lorsque le cyclone aborde la République Dominicaine, le 07 septembre 2017, 10h30 UTC. En mode interférométrique large fauchée, le SAR montre des images avec une alternance de zones sombres et claires. Ces zones sombres soulignent des zones de faible rétrodiffusion (faibles valeurs en décibels) et témoignent de zones "calmes", tel l'oeil du cyclone. Au contraire, les zones claires, à forte rétrodiffusion, témoignent de surfaces agitées (vagues ou signatures de pluie)

Un traitement expérimental de ces mesures combinant à la fois les polarisations verticales et horizontales (VV et VH) de l'instrument SAR permet d'en déduire la vitesse du vent (à droite).

à gauche: Image (polarisation VH) issue de l'instrument SAR sur le satellite Sentinel-1. Credits ESA, données Copernicus/ESA.

à droite : Vitesse du vent déduite de l'image SAR précédente (à gauche) à l'aide d'un algorithme utilisant les deux polarisations VH+VV, par inversion de la section efficace radar (NRCS). Crédits IFREMER/CLS/NORUT/ODL/ESA, algorithme développé dans le cadre du projet ESA/SEOM.

Mesure de la hauteur des vagues

Les satellites altimétriques Jason-3 et Sentinel-3 sont passés simultanément au passage du cyclone Irma le 06/09/2017, en croisant sa trajectoire au nord de l'arc antillais. Le modèle MOG-2D permet de traduire en hauteurs de mer les effets combinés dus à la pression atmosphérique et au vent. Plus la pression atmosphérique est faible, comme c'est le cas lors d'un passage de cyclone, plus le niveau de surface de la mer augmente avec une exacerbation du phénomène du à l'effet du vent. On voit une bosse océanique (en rouge) due au forçage intense sur cette zone de forte dépression atmosphérique. Le cyclone aspire littéralement l'océan tout au long de sa trajectoire.

Hauteurs de mer (en cm, fond de couleurs de la carte) superposées aux hauteurs significatives des vagues (en m, courbe le long de la trace du satellite) le 06 septembre 2017 sur le passage du cyclone Irma représenté par une trajectoire rouge (les numéros le long de sa trajectoire correspondent à la catégorie du cyclone). Les hauteurs de mer sont issues du modèle MOG-2D combiné le 06/09/2017 à 12h00 TUC. Les hauteurs significatives de vagues sont issues des satellites altimétriques Jason-3 (à gauche) le long de sa trace 050 (cycle 058) soit à 13h00 et Sentinel-3A (à droite) le long de sa trace 078 du cycle 022, soit à 15h00. Crédits CNES/SALP - CNRS/LEGOS - CLS pour le modèle MOG2D et avec des données European Copernicus Marine Service (CMEMS-Sea Level Thematic assembly center) pour les vagues. D'autres cartes réalisées pour d'autres dates d'observation de Jason-3 et Sentinel-3 sont téléchargeables dans ce fichier zippé.

 

Animation du niveau de la mer issu du modèle MOG-2D combiné entre le 1er et le 10 septembre 2017, le long de la trajectoire du cyclone Irma (à gauche, situé le plus à l'ouest) et José (à droite, situé le plus à l'est).

En niveau de gris l’image infrarouge (IR) d'un satellite météo géostationnaire américain (GOES-13) permet de sonder la température, du noir (chaud) vers le blanc (froid). En particulier cela permet de bien identifier les structures nuageuses qui ressortent en blanc. On voit ainsi clairement apparaitre les cyclones Irma puis José traversant l’Atlantique d’Est en Ouest. Les traces colorées sur certaines images représentent la hauteur des vagues, mesurée par des altimètres radar à bord des satellites Jason-3 et Sentinel-3A. Les données IR et altimétriques sont colocalisées à +/- 1h30 afin de croiser les informations sur la hauteur des vagues issues de l’altimétrie et celles de la position des cyclones repérés sur les images IR. Cette vidéo illustre que ce nouveau service, au-delà de fournir une couverture globale, permet également de mettre en évidence les très fortes vagues engendrées par ces évènements extrêmes marquant l’actualité.

Mesure du contenu thermique de l’océan

La profondeur de l'isotherme 26°C entre les 03 et le 08 septembre 2017 est plus faible (zones bleues sur la carte à gauche) : l'isotherme 26°C se situe 20 mètres moins profond le 08 septembre que cinq jours plus tôt, le 03 septembre. Autrement dit, après le passage du cyclone, les eaux se sont refroidies, la colonne d'eau dont les eaux sont supérieures à 26°C s'est amincie après le passage du cyclone.

Le contenu en énergie de l'océan (Tropical Cyclone Heat Potential, TCHP, carte de droite) est un calcul qui intègre l'énergie contenue par les températures supérieures à 26° sur toute la colonne d'eau, ce qui représente l'énergie disponible pour alimenter le cyclone. La zone bleue  témoignant d'un contenu énergétique moindre après le passage du cyclone, coïncide particulièrement bien avec la trajectoire d'Irma.

A gauche : différence (en mètres) de la profondeur de l’isotherme 26°C entre le 03 et le 08 septembre 2017. A droite : différence du contenu énergétique de l’océan (en J/m², appelé aussi TCHP) entre le 03 et le 08 septembre 2017. Crédits CLS à partir de données du modèle Mercator Océan (PSY4-QV3R1, 1/12°), European Copernicus Marine Service.

Plus d'information:

  • Accès aux données:

    • calcul du vent à partir de Sentinel-1, site de l'ESA
    • données de hauteurs de mer et de vagues avec Jason-3 et Sentinel-3, site de Copernicus Marine Service, Sea Level Thematic assembly center, SLA et SWH
    • modèle PSY4-QV3R1, 1/12°, dataset-mercator-psy4v3-gl12-bestestimate-sshst
       pour le calcul du contenu en énergie de l'océan, site de site de Copernicus Marine Service, MFC-GLO

  • Vidéo sur l'observation des cyclones et mesures des hauteurs de vagues: 

    • 2016, vidéo produite par le CNES, Mira production exécutive
    • 2008, vidéo produite par le CNES, Mira production exécutive

  • Références scientifiques (en anglais):

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