Lorsqu'une tornade est complètement formée, la simulation révèle plusieurs structures qui composent la tornade, y compris le courant de tourbillon dans le sens de l'écoulement (SVC), considéré comme l'un des principaux moteurs de l'activité tornade (en jaune). Crédit :UW-Madison
Alors que la saison des tornades approche à grands pas ou est déjà en cours dans les États vulnérables des États-Unis, de nouvelles simulations de superordinateurs donnent aux météorologues un aperçu sans précédent de la structure des orages et des tornades monstrueux. Une de ces simulations récentes recrée un orage supercellulaire produisant des tornades qui a laissé un chemin de destruction sur les grandes plaines centrales en 2011.
La personne derrière cette simulation est Leigh Orf, un scientifique du Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS) de l'Université du Wisconsin-Madison. Il dirige un groupe de chercheurs qui utilisent des modèles informatiques pour dévoiler les pièces mobiles à l'intérieur des tornades et les supercellules qui les produisent. L'équipe a développé une expertise en créant des visualisations approfondies des supercellules et en discernant comment elles se forment et finissent par engendrer des tornades.
Le travail est particulièrement pertinent car les États-Unis sont en tête du nombre mondial de tornades avec plus de 1, 200 touchés par an, selon la National Oceanic and Atmospheric Administration.
En mai 2011, plusieurs tornades ont touché le paysage de l'Oklahoma en un court, assemblage de quatre jours de tempêtes. L'un après l'autre, les supercellules ont engendré des nuages en entonnoir qui ont causé des dommages matériels importants et des pertes de vie. Le 24 mai, une tornade en particulier - la "El Reno" - enregistrée comme EF-5, la catégorie de tornade la plus forte sur l'échelle Fujita améliorée. Il est resté au sol pendant près de deux heures et a laissé un chemin de destruction de 63 milles de long.
Une image colorisée de la supercellule productrice de tornades de près de 20 miles de long et 12 miles de haut. L'imagerie de la simulation a été construite sur des données du monde réel collectées près du 24 mai supercellule 2011, qui a engendré plusieurs tornades dont l'EF-5 qui a touché le sol près d'El Reno et d'Oklahoma City, D'ACCORD. Crédit :UW-Madison
La simulation la plus récente d'Orf recrée la tornade d'El Reno, révélant en haute résolution les nombreuses "mini-tornades" qui se forment au début de la tornade principale. Au fur et à mesure que le nuage en entonnoir se développe, ils commencent à fusionner, ajoutant de la force à la tornade et intensifiant la vitesse du vent. Finalement, de nouvelles structures se forment, y compris ce qu'Orf appelle le courant tourbillonnaire (SVC).
"Le SVC est composé d'air refroidi par la pluie qui est aspiré dans le courant ascendant qui entraîne l'ensemble du système, " dit Orf. " On pense que c'est un élément crucial dans le maintien de la tempête inhabituellement forte, mais intéressant, le SVC n'entre jamais en contact avec la tornade. Plutôt, il coule vers le haut et autour d'elle."
En utilisant des données d'observation du monde réel, l'équipe de recherche a pu recréer les conditions météorologiques présentes au moment de la tempête et assister aux étapes menant à la création de la tornade. Les données archivées, tirée d'une prévision de modèle opérationnel à court terme, était sous la forme d'un sondage atmosphérique, un profil vertical de température, pression de l'air, vitesse du vent et humidité. Lorsqu'ils sont combinés de la bonne manière, ces paramètres peuvent créer les conditions propices à la formation de tornades, connue sous le nom de tornadogenèse.
Selon Orf, produire une tornade nécessite quelques pièces "non négociables", y compris l'humidité abondante, l'instabilité et le cisaillement du vent dans l'atmosphère, et un déclencheur qui déplace l'air vers le haut, comme une différence de température ou d'humidité. Cependant, la simple existence de ces parties en combinaison ne signifie pas qu'une tornade est inévitable.
La chercheuse Leigh Orf fait partie de l'Institut coopératif UW-Madison pour les études de satellites météorologiques et dirige une équipe utilisant des superordinateurs et des techniques de modélisation pour recréer les événements ayant conduit à la création d'une tornade. Crédit :UW-Madison
"Dans la nature, il n'est pas rare que les tempêtes aient ce que nous pensons être tous les bons ingrédients pour la tornadogenèse et qu'ensuite rien ne se passe, " dit Orf. " Les chasseurs d'orages qui traquent les tornades connaissent l'imprévisibilité de la nature, et nos modèles ont montré qu'ils se comportaient de la même manière."
Orf explique que contrairement à un programme informatique typique, où le code est écrit pour fournir des résultats cohérents, la modélisation à ce niveau de complexité a une variabilité inhérente, et à certains égards, il trouve cela encourageant puisque l'atmosphère réelle présente cette variabilité, trop.
Une modélisation réussie peut être limitée par la qualité des données d'entrée et la puissance de traitement des ordinateurs. Pour atteindre des niveaux de précision plus élevés dans les modèles, la récupération des données sur les conditions atmosphériques immédiatement avant la formation de la tornade est idéale, mais cela reste une tâche difficile et potentiellement dangereuse. Avec la complexité de ces tempêtes, il peut y avoir des facteurs subtils (et actuellement inconnus) dans l'atmosphère qui influencent le fait qu'une supercellule forme ou non une tornade.
La résolution numérique d'une simulation de tornade à un point où les détails sont suffisamment fins pour fournir des informations précieuses nécessite une puissance de traitement immense. Heureusement, Orf avait gagné l'accès à un supercalculateur haute performance, spécialement conçu pour gérer des besoins informatiques complexes :le supercalculateur Blue Waters du National Center for Supercomputing Applications de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign
Au total, leur simulation EF-5 a pris plus de trois jours d'exécution. En revanche, il faudrait des décennies à un ordinateur de bureau conventionnel pour effectuer ce type de traitement.
Regarder vers l'avant, Orf travaille sur la prochaine phase de cette recherche et continue de partager les découvertes du groupe avec des scientifiques et des météorologues à travers le pays. En janvier 2017, les recherches du groupe ont fait la couverture du Bulletin de l'American Meteorological Society.
"Nous avons terminé la simulation EF-5, mais nous ne prévoyons pas de nous arrêter là, " dit Orf. " Nous allons continuer à affiner le modèle et continuer à analyser les résultats pour mieux comprendre ces systèmes dangereux et puissants. "
