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Météorologie : comprendre le fonctionnement d’un anticyclone et ses (étonnantes!) caractéristiques

Crédits : EOSDIS Worldview.

Quel est le principe de formation d’un anticyclone ? Ces systèmes sont-ils vraiment capables de maintenir à distance le mauvais temps comme on l’entend souvent au bulletin météo ? Quel rapport entretiennent-ils réellement avec les dépressions ? Cet article vise à répondre à ces questions en prenant appuie sur le socle de connaissances acquises en dynamique de l’atmosphère. Dans la suite, nous nous placerons en dehors des tropiques et à une échelle spatiale de l’ordre du millier de kilomètres.

La notion d’anticyclone a été introduite pour la première fois en 1863 par Sir Francis Galton dans son manuscrit Meteorographica. Elle faite suite à celle de cyclone apparue quelques années plus tôt – en 1848 – sous la plume d’Henry Piddington. Dans sa publication, Francis Galton propose une première théorie visant à expliquer la formation de ces deux types de circulations tourbillonnaires.

En dynamique des fluides géophysiques, les termes cyclone et anticyclone sont définis en fonction du sens de rotation des circulations. Lorsqu’elles ont le même signe que la rotation de la Terre par rapport à la verticale locale, on parle de cyclone. Cela implique un mouvement dans le sens inverse des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère nord et dans le sens des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère sud. Dans le cas contraire, on parle d’anticyclone. Aussi, le préfixe anti souligne une opposition au sens le plus neutre du terme. Celle d’un mouvement inverse à celui de la rotation terrestre.

Principe de formation d’un anticyclone 

Dans l’atmosphère, les circulations anticycloniques se font autour des zones de hautes pressions. En météorologie, un anticyclone est donc aussi une région où la pression est plus élevée que dans le voisinage – pour une altitude donnée. Inversement, un cyclone est une zone de basses pressions. Cette dépendance structurelle à la pression est due à l’influence de la force de Coriolis, comme l’illustre la figure ci-dessous.

anticyclone
Illustration du lien entre pression et sens de rotation. L’air se déplace des hautes vers les basses pressions. Toutefois, la force de Coriolis le dévie vers la droite (hémisphère nord). Aussi, on obtient un mouvement cyclonique autour d’une basse pression (gauche) et un mouvement anticyclonique autour d’une haute pression (droite). Crédits : The Atmosphere, Lutgens & Tarbuck.

Physiquement, ces fortes pressions signent la présence d’une convergence de masse à plus haute altitude. Dit autrement, les mouvements de l’atmosphère viennent y concentrer les parcelles d’air, ce qui augmente la pression exercée en surface – voir le schéma plus bas. La cause peut être dynamique (liée au courant-jet) et/ou thermique (liée à l’arrivée d’air froid). En outre, cette convergence est à l’origine d’un lent mouvement vers le bas qui inhibe la formation de développements nuageux précipitants. D’où l’association fréquente entre anticyclone et beau temps. Les fortes pressions diagnostiquées à haute altitude sont quant à elles surtout la signature de masse d’air chaud : l’atmosphère gonfle et du fluide est repoussé en altitude.

Aux moyennes latitudes, ces deux effets sont souvent associés. Les hautes pressions s’inclinent alors vers l’ouest à mesure que l’on s’élève en altitude – comme esquissé sur le schéma. En résumé, une haute pression concrétise un excédent de masse en une région et altitude données de l’atmosphère.

Relation entre systèmes de pression en surface et en altitude. H = haute pression, L = basse pression. Crédits : NATS101.

La nature peu intuitive des systèmes météorologiques

Les bulletins météorologiques ainsi que les ouvrages de vulgarisation ont propagé une idée forte selon laquelle les anticyclones seraient capables de bloquer les dépressions ou de dévier leur trajectoire. En somme, capables d’agir comme des sortes de protecteurs célestes. Toutefois, il s’agit là d’une mystification et non d’une réalité physique.

En effet, cette vision suppose de considérer les anticyclones – et les cyclones – comme des entités géométriques bien définies. Autrement dit, de raisonner peu ou prou comme dans un cadre de mécanique du solide. Une considération irréaliste puisque les tourbillons atmosphériques ne sont pas des objets physiques mais des organisations circulatoires. Les parcelles d’air qui prennent part à la circulation d’un cyclone aujourd’hui seront prises dans celle d’un anticyclone ou d’un autre cyclone les jours suivants. Aussi, elles circulent à travers eux et voient leur pression et température varier continûment. Par exemple, une dépression mature se déplaçant d’ouest en est verra ses éléments fluides renouvelés en permanence alors même que ses attributs (pression de surface, bandes nuageuses, etc.) sembleront donner l’impression d’un mouvement en bloc.

Sur l’animation ci-dessous, on constate bien le déplacement des particules au travers des systèmes de pression. Il s’agit ici d’une expérience de laboratoire visant à recréer les grandes ondes atmosphériques des moyennes latitudes dans une cuve tournante chauffée différentiellement et contenant de l’eau. La couleur ocre signale les axes dépressionnaires et la couleur cyan, les axes anticycloniques.

Accélérations et forces

Pour comprendre comment se forment et se déplacent réellement les zones de hautes et basses pressions, il faut étudier les accélérations subies par les parcelles d’air sous l’effet des forces en présence. Fondamentalement, il s’agit ni plus ni moins d’une expression de la seconde loi de Newton. Partons d’un gradient de pression initial orienté nord/sud sur une Terre en rotation et chauffée différentiellement. Les éléments fluides seront rapidement mis en mouvement. Ce faisant, du vent sera créé et la masse redistribuée étant donné que les particules d’air se déplacent. Ainsi, le champ de pression initial sera modifié et les accélérations réorganisées. En résumé, le champ de vent et de pression se chercheront constamment l’un et l’autre sans jamais trouver d’équilibre parfait.

Les signatures de ces légers déséquilibres sont les dépressions, les anticyclones, les fronts, etc. qui font la pluie et le beau temps. Leur propagation est analogue à celle d’un pli sur un drap que l’on agite. Les éléments du drap subissent des accélérations sous l’effet de forces et donnent l’impression d’une structure qui se déplace comme un objet. En réalité, le pli est constamment reformé par l’avant et comblé par l’arrière. Quotidiennement, la résolution de l’équation du mouvement (parmi d’autres) est effectuée par des supercalculateurs pour prévoir le temps.

Un anticyclone peut-il repousser une dépression ?

Une autre critique que l’on peut faire à la vision populaire évoquée précédemment est de considérer les anticyclones comme des éléments très influents. Or, contrairement aux tourbillons cycloniques, les tourbillons anticycloniques n’atteignent jamais de fortes amplitudes. Et pour cause, la formation d’une dépression est une instabilité. Une réaction en chaîne se met en place, laquelle aboutit dans certains cas à des creusements explosifs (Lothar et Martin en 1999, par exemple). A contrario, le développement d’un anticyclone est amorti. Plus il se renforce, plus sa croissance est contrariée. L’observation révèle à ce titre des gradients systématiquement relâchés au niveau d’une haute pression. Pour compenser, la pression doit alors augmenter sur une surface plus large. Les raisons de ce frein de croissance sont développées en annexe pour les lecteurs intéressés.

Illustration de l’asymétrie cyclone (L)/anticyclone (H) sur le champ de pression de surface. Notez les gradients relâchés autour de H. Crédits : NOAA/NCEP Earth Systems Research Laboratory.

Ainsi, un anticyclone ne possède quasiment aucune inertie et donc peu d’habilité à agir de façon influente sur l’écoulement synoptique. Et ce malgré les impressions. En réalité, ce sont les cyclones et leur dynamique qui ont cette capacité. Régulièrement, ils organisent des bascules de régime de temps en modulant la structure du courant-jet. En conclusion, les anticyclones tendent à s’organiser en fonction de la configuration du rail des dépressions. Parfois, ces dernières propulsent des bulles d’air chaud (anticyclonique) vers les hautes latitudes et brisent le gradient méridien de température nécessaire à leur déplacement vers l’est. Les systèmes météorologiques peuvent alors devenir peu mobiles et la situation se bloquer. Un terme à ne pas surinterpréter !

Un peu d’histoire

Cette notion de rôle passif des anticyclones extratropicaux a été introduite et objectivée par Napier Shaw en première moitié du 20e siècle. Lequel les décrivait comme des zones « dépotoir » où atterrissait l’air excavé des régions dépressionnaires. Elle a ultérieurement été reprise par plusieurs auteurs, dont le célèbre météorologue Sverre Petterssen dans son ouvrage Weather analysis and forecasting daté de 1956. De récentes expériences de laboratoire ont également mis en exergue cette dominance des cyclones sur les anticyclones. Une observation explicitée par des arguments théoriques analogues à ceux avancés antérieurement. Aussi, bien que les anticyclones fassent partie intégrante du visage de notre atmosphère, il convient de bien garder à l’esprit leur relation asymétrique aux cyclones dans la météorologie des moyennes et hautes latitudes.

Annexe : pourquoi la croissance d’un anticyclone est-elle limitée ?

On évoquera ici deux raisons majeures, mais non exhaustives.

  • Un anticyclone est un tourbillon de sens opposé à la rotation terrestre. En effet, l’équation d’évolution du tourbillon montre que le paramètre de Coriolis (f) agit comme un frein. Prenons le cas de l’hémisphère nord. Plus le paramètre Tr devient négatif (formation d’un anticyclone), plus le terme Tr+f approche zéro car f est positif. Le forçage par l’écoulement (D) deviendra donc de moins en moins efficace. En réorganisant les termes de l’équation, on trouve qu’un tourbillon anticyclonique ne peut pas développer une amplitude supérieure à –f. Les cas d’amplifications maximales étant presque toujours consécutifs au creusement rapide d’une dépression en amont. Ce frein n’existe pas pour les cyclones puisque Tr et f ont le même signe.

  • La présence de vapeur d’eau renforce les cyclones au détriment des anticyclones de surface. En effet, dans une basse pression, la vapeur d’eau se condense et libère une énergie additionnelle de chaleur latente. Les développements cycloniques sont de fait renforcés et concentrés par rapport aux zones asséchées des hautes pressions. Cet effet a été mis en évidence dès l’apparition des premiers modèles de circulation générale.

Sources : Manual of Meteorology Vol.3, Napier Shaw / Weather analysis and forecasting, Sverre Petterssen / Atmospheric Circulation Systems, Palmen & Newton / The Structure of Steady-State Anticyclones, RW James / Mid-latitude Weather Systems, Toby N. Carlson.