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Cycle de vie d'un tourbillon anticyclonique dans le Golfe du Mexique

Ce bulletin océanique de l'été est consacré à l'analyse du comportement du nouveau prototype haute résolution Mercator dans une région de grand intérêt : le Golfe du Mexique, vaste champ d'extraction du pétrole par grande profondeur et terrain d'évaluation pour les nombreux modèles opérationnels mis en oeuvre dans cette région.

Par Véronique Landes et Laurence Crosnier, Mercator Océan

Au sommaire de ce bulletin :

Nous avons suivi au travers du modèle Mercator à haute résolution "nouvelle mouture" (avec assimilation de données in situ, en cours de validation et non encore diffusé vers le public) un cycle de formation, de détachement et de propagation vers l'ouest d'un tourbillon dans le golfe du Mexique entre août et octobre 2004. Nous allons dans ce bulletin rendre compte des principales caractéristiques et du réalisme de cette structure qui joue un rôle prépondérant dans le Golfe du Mexique.. Rappelons tout d'abord que cette région de l'océan Atlantique constitue le grand "chenal" des eaux tropicales vers l'Atlantique nord. En effet, les eaux chaudes des tropiques montent vers le nord en longeant les côtes du Brésil et du Venezuela, passent à travers l'arc des îles des Antilles, pénètrent en mer des Caraïbes, pour être ensuite canalisées vers le détroit de Yucatan. Ensuite, la seule possibilité de sortie de cette énorme quantité d'eau chaude est de bifurquer vers l'est, et de passer entre Cuba et la Floride, pour former le Gulf Stream. Lors de cette bifurcation à angle droit, des instabilités se forment et parfois, un énorme tourbillon chaud se détache, qui dans "l'élan" se déplace vers l'ouest au centre du Golfe du Mexique.

Topographie du Golfe du Mexique Crédit : CLS

Ce type de tourbillon à cœur chaud apparaît donc périodiquement, en principe à la fin de l'été (parfois à la fin de l'hiver) lorsque le courant du Yucatan atteint son maximum de pénétration dans le golfe du Mexique. La première condition de formation à l'est du golfe du Mexique d'un tel anneau anticyclonique (c'est-à-dire tournant dans le sens des aiguilles d'une montre) est liée à l'existence du méandre orienté Sud/Nord-Est qu'est le courant du Yucatan. Quand le méandre s'allonge trop et se déstabilise, une partie des eaux se détachent vers le nord et l'est en tourbillonnant, pour former une structure circulaire de 300 km de diamètre qui s'étend jusqu'à 1000 mètres de profondeur. La périodicité de ce phénomène de détachement est de l'ordre de 7 à 20 mois, avec une prédominance pour les périodes inférieures à l'année. Une fois généré, le tourbillon va entamer une migration vers l'ouest à faible vitesse, de l'ordre de 3 km par jour. Lors de sa course dans le Golfe du Mexique, il va s'affaiblir en approchant les côtes mexicaines. Au contact du plateau continental mexicain, il va se désagréger en tourbillons plus petits (éclatement en dipôle ou plus rarement en triade).

Eté, automne 2004 Sur l'animation ci-contre de la hauteur de la mer pendant la période mi-juin à mi-octobre 2004, on distingue bien la boucle du courant du Yucatan qui s'allonge progressivement dans la zone puis, la naissance d'un tel tourbillon, son détachement, puis le début de sa lente progression vers l'ouest.

Hauteur de mer calculée par la haute résolution Mercator, de juin 2004 à octobre 2004 (télécharger l'animation -4,7 Mo-)

En août 2004, le tourbillon forme une ellipse (figure 1a) centrée par 26.50°N et 88.50°W, dont le grand axe est orienté Nord-Sud, de dimensions 350 Km x 240 Km. Ce tourbillon est formé d'eau tropicale du courant du Yucatan. On observe des contrastes marqués en température par rapport aux eaux résidantes. Ils sont visibles à partir de l'immersion 50 mètres et ce jusqu'à 700 mètres. La température au cœur du tourbillon est de 28.5°C à 50 mètres, de 27°C à 100 mètres, de 25°C à 200 mètres (figure 2b), et de 18°C à 400 mètres. Un brassage se produit au centre d'un tel tourbillon anticyclonique depuis la surface. Ceci a pour effet l'approfondissement de la couche de mélange qui est ici de 25 mètres (figure 1b). Les courants de surface au sein du tourbillon ont une amplitude de 0.6 à 0.9 m/s (figure 1a), et croissent à la périphérie avec un maximum de 1.2 m/s à l'ouest de celui-ci. L'intensité du courant généré autour du tourbillon est notable jusqu'à 200 mètres d'immersion. On trouve dans le modèle à 100 mètres d'immersion, une eau très salée (> 36.4 psu), en accord avec ce que l'on peut lire dans la littérature. Cette eau est caractéristique de l'ouest du plateau du Yucatan au niveau du banc de Campeche. A l'immersion 200 mètres (figures 2a et 2b), on trouve l'eau transportée à l'intérieur du golfe par le tourbillon anticyclonique. Sa température est de 22.5°C, et sa salinité de 36.6 psu. Ces masses d'eau sont bien représentées dans le modèle. On remarque à l'ouest de la zone (figure 1a) des tourbillons anticycloniques de petite échelle qui ont pour origine un précédent tourbillon issu du courant du Yucatan venu s'échouer sur le plateau continental mexicain.

Figure 1a Hauteur de mer et courant de surface août 2004		Figure 1b Couche de mélange août 2004
Figure 2a Salinité à 200m de profondeur août 2004		Figure 2b Température à 200m de profondeur août 2004

Entre juillet et septembre 2004, la formation, le détachement et la propagation vers l'ouest du tourbillon anticyclonique dans le golfe du Mexique dans le modèle Mercator se déroulent conformément aux mesures. La figure 3 montre en effet l'évolution du niveau de la mer dans le modèle Mercator (figure 3b) en parallèle avec l'évolution de la concentration en Chlorophylle (figure 3a) dans la zone. On observe une grande cohérence spatiale entre l'évolution du tourbillon prévue par le modèle et les données de chlorophylle, qui s'y signent par un minimum, preuve de l'entrée massive de ces eaux chaudes tourbillonnant dans le Golfe du Mexique. Ce minimum de chlorophylle s'observe aussi dans le sud-ouest du Golfe où est en train de se désagréger le tourbillon précédent.

Figure3 Cycle de formation et de détachement d'un tourbillon dans le Golfe du Mexique en juillet, août et septembre 2004 durant 6 semaines consécutives (la première semaine étant celle du 25 au 31 juillet 2004, et la dernière celle du 29 août au 4 septembre 2004). A gauche) Concentration en chlorophylle A (MODIS-CATSAT). A droite) Niveau de la mer (en mètres) correspondant dans le modèle à haute résolution Mercator.

Lien avec la météo L'été 2004 a été marqué par le passage de nombreuses tempêtes tropicales et ouragans (figure 4) dans la région du Golfe du Mexique. Les principaux événements sont la tempête tropicale Bonnie (début août 2004), suivie des ouragans Charley (mi-août 2004), Frances (début septembre 2004), Ivan (le plus destructeur) (mi-septembre 2004) et enfin Jeanne (fin septembre 2004). Seules Bonnie, Charley et Ivan ont des trajectoires qui rentrent effectivement dans le Golfe du Mexique (figure 4). Nous allons maintenant illustrer le réalisme du modèle Mercator lors du passage des ces trois différentes tempêtes tropicales et ouragans, qui interagissent fortement avec l'océan, et notamment avec les tourbillons chauds qui se forment dans le Golfe du Mexique. Les tempêtes tropicales et ouragans se forment en plein océan Atlantique tropical, au-dessus des eaux les plus chaudes. L'air proche de l'eau est chauffé et monte dans l'atmosphère, où il se refroidit, forme des nuages convectifs (comme les gros cumulus), puis, alourdi, redescend vers la surface. Cette suite d'événements (respectivement montée de l'air, refroidissement de l'air et formation de nuages) se répète à l'infini. En été, l'océan est suffisament chaud pour que ce phénomène se transforme en tempête tropicale, tournant sur elle-même sous l'effet de la force de Coriolis. Suivant leur intensité, ces structures sont appelées tempêtes tropicales pour les plus faibles et ouragans pour les plus intenses. Elles captent l'énergie thermique de l'océan chaud pour grossir. Ainsi, elles sont nourries, entretenues et renforcées au-dessus d'un océan chaud, et s'affaiblissent puis meurent dès qu'elles se trouvent au-dessus du continent. En absorbant la chaleur de l'océan (via un flux de chaleur latente de l'océan vers l'atmosphère), elles laissent derrière leur passage une surface océanique plus froide.

Figure 4 Trajectoires des différentes tempêtes tropicales et ouragans ayant traversé l'océan Atlantique en 2004. Les principaux événements ayant affecté le Golfe du Mexique durant l'été 2004 sont la tempête tropicale Bonnie (début août 2004), suivie des ouragans Charley (mi-août 2004), Frances (début septembre 2004), Ivan (le plus destructeur) (mi-septembre 2004) et enfin Jeanne (fin septembre 2004). Crédit : NOAA

Prenons tout d'abord l'exemple de la tempête tropicale Bonnie. Elle atteint son maximum d'intensité le 11 août 2004 à 18 heures locale (source: NOAA). Sur la figure 5 représentant le niveau moyen de l'océan calculé par Mercator le 11 août 2004, la position de la tempête Bonnie a été reportée. On observe que l'intensité de la tempête tropicale a atteint son maximum au moment où sa trajectoire croise la route du tourbillon chaud.

L'interaction des ouragans Charley et Ivan avec l'océan est illustrée par les figures 6 et 7. La figure 6 montre la position géographique de quatre bouées ancrées situées approximativement sur ou près de la trajectoire de ces deux ouragans. Ces bouées mesurent notamment la température de surface, tracée sur la figure 7 (courbe bleu) pendant la période allant du 15 juin au 19 Octobre 2004. La courbe rouge (figure 7) représente la température à 5 mètres de profondeur dans le modèle Mercator sur la même période. En premier lieu, on note la bonne cohérence entre les deux courbes, qui nous montrent les variations de plusieurs degrés de température au cours de la saison, avec des changements de plus faible amplitude sur quelques jours. On observe ponctuellement des imprécisions du modèle Mercator de l'ordre de 1°C.

Pour en revenir à l'effet des ouragans, on observe de façon très significative, à la fois dans les observations et le modèle, une chute de température d'environ 3°C pour les bouées numéro 42040 et 42007 proches de la côte (figure 7, illustrations du haut) entre les 5 et 20 août 2004. Ce brutal refroidissement est lié au passage de l'ouragan Charley. De même, on note une chute de température d' environ 3°C pour les bouées numéro 42003 et 42036 (figure 7, illustrations du bas) entre les 5 et 20 septembre 2004, liée au passage de l'ouragan Ivan.

Figure 6
Position géographique des quatre bouées ancrées dans le Golfe du Mexique,
fournissant les observations de température de surface.
 

Figure 7
Température potentielle de surface mesurée par les quatre bouées ancrées (courbe bleu)
et modélisée par Mercator (courbe rouge) dans le Golfe du Mexique,
durant la période allant du 15 juin 2004 au 19 Octobre 2004.

Le modèle Mercator haute résolution nous permet d'analyser et de prévoir en temps réel l'apparition des tourbillons à cœur chaud dans le golfe du Mexique. Ces structures sont décrites de manière très réaliste par le modèle. Nous avons vu les conséquences de tels tourbillons : la génération autour d'eux de courants intenses amenant des eaux très chaudes et salées en surface et en profondeur jusque sur le talus continental mexicain. Ces eaux bloquent le développement de la chlorophylle, et modifient ainsi l'ecosystème. Ces tourbillons génèrent ensuite des courants de cisaillement aux conséquences parfois désastreuses pour les opérations de manipulation des câbles sous-marins de l'industrie offshore. Enfin, ces tourbillons jouent un rôle dans la propagation des ouragans tropicaux : le modèle Mercator haute résolution est donc en mesure d'apporter une information précieuse dans le domaine de la prévision de la formation et l'intensification des cyclones tropicaux dans cette zone.

• Le loop current dans le Golfe du Mexique, chronique mercatorienne
• National Hurricane Centre, NOAA