PRÉVISION DES CENDRES VOLCANIQUES AU CENTRE MÉTÉOROLOGIQUE CANADIENRené Servranckx, Réal D'Amours, Michel Jean, Joseph-Pierre Toviessi
et Serge Trudel
RésuméLes nuages de cendres volcaniques présentent un danger réel à la sécurité aérienne. Au cours des 15 dernières années, plus de 80 avions ont rencontré des cendres volcaniques en vol, ce qui a souvent occasionné des dommages aux avions et à leurs moteurs. Une fois relâchée, la cendre peut se déplacer sur de grandes distances et perturber le traffic aérien loin de la source. Ce fut le cas en septembre 1992 suite à l'éruption du Mont Spurr en Alaska. Compte tenu du danger immédiat que représente la cendre volcanique, la prévision de son déplacement dans l'atmosphère est un défi important auquel il faut répondre en temps réel. Pour ce faire, le Centre météorologique canadien (CMC) du Programme de l'environnement atmosphérique (PEA) d'Environnement Canada utilise un système informatique sophistiqué et un modèle numérique de transport et de dispersion, le modèle canadien de réponse aux urgences (CANERM). Il est exécuté sur un superordinateur NEC SX3R. Cet article présente une description générale du modèle CANERM et certains aspects de la réponse opérationnelle du CMC lors d'éruptions volcaniques. Quelques exemples récents de l'application de CANERM sont également présentés. 1. IntroductionOn a de plus en plus recours à des simulations numériques de la dispersion dans l'atmosphère pour évaluer l'état de l'environnement. Parmi les exemples les plus connus, on compte l'utilisation de modèles numériques de dispersion comportant des schémas chimiques complexes pour l'étude des oxydants atmosphériques et des précipitations acides (e.g. Chang et al, 1987), la simulation des rejets accidentels de substances toxiques et radioactives (Pudykiewicz, 1988 et 1989) et enfin, des modèles de transport et de dispersion pour le déplacement de cendres volcaniques (Heffter et Stunder, 1993). Le développement du modèle canadien de dispersion pour la réponse aux urgences environnementales (CANERM) a été mis en marche par le Service de l'Environnement Atmopshérique (SEA) suite à l'accident nucléaire de Tchernobyl. La première simulation canadienne de la dispersion résultant de cet accident a été réalisée en temps réel, à l'aide d'un modèle hémisphérique bidimensionnel simple et adapté rapidement pour la circonstance (Pudykiewicz, 1988). Peu après, le développement d'un modèle tridimensionnel a été entrepris. De nouvelles simulations, couvrant une période d'un mois, ont été effectuées en utilisant des champs météorologiques analysés de façon objective (Pudykiewicz, 1989). En 1993, l'Organisation Météorologique Mondiale (OMM) a désigné le Centre météorologique canadien (CMC) comme Centre Météorologique Régional Spécialisé (CMRS) pour la modélisation du transport atmosphérique au cours d'une urgence nucléaire. Les centres météorologiques de Toulouse (Météo-France), de Bracknell (UK Meteorological Office), de Washington (NOAA-ARL) et de Melbourne (Australie) ont également été désignés à cette fin. Plus récemment, l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale (OACI) a entrepris des démarches auprès du CMC pour qu'il soit désigné Centre de prévision des cendres volcaniques (VAAC). Sa région de responsabilité serait le Canada et ses eaux limitrophes de même que le nord-ouest de l'Atlantique. CANERM a été adapté pour prévoir le transport et la dispersion des cendres volcaniques. La version courante constitue le noyau d'un système informatique sophistiqué conçu pour produire rapidement, et en temps réel, des prévisions et des diagnostics du déplacement des cendres volcaniques. 2. Le modèle canadien de réponse aux urgences (CANERM)Le CANERM est un modèle eulérien, tridimensionnel, pour le transport à moyenne et à longue distance des polluants dans l'atmosphère. On peut en trouver une description détaillée dans Pudykiewicz (1988, 1989). L'advection est calculée selon la méthode semi-lagrangienne. La diffusion est modélisée selon la théorie des gradients (théorie K); les coefficients de diffusion horizontaux et verticaux dépendent de l'état de la couche limite dans les bas niveaux de l'atmosphère, et sont constants dans l'atmosphère libre. Le modèle simule le lessivage sec et le lessivage humide, et produit une estimation des dépôts secs et humides. Le concept de source virtuelle (Pudykiewicz, 1988) est utilisé pour modéliser les effets non résolus des processus d'émission et de dispersion aux échelles inférieures à la maille, près du point de rejet. La source virtuelle est exprimée selon une fonction gaussienne tridimensionnelle. Le CANERM fonctionne sur une grille stéréographique polaire et peut être exécuté pour n'importe quel volcan sur le globe. La résolution horizontale est de 150 km en configuration hémisphérique, 50 km en configuration continentale, et 25 km en configuration régionale. Le modèle opérationnel a 11 niveaux dans la verticale, en coordonnées sigma (s) (Phillips, 1957). Une version expérimentale à 25 niveaux verticaux est également disponible. Le CANERM est pleinement intégré aux opérations du CMC. Les procédures opérationnelles contrôlant l'exécution du modèle résident sur une station de travail frontale et sont accessibles via une procédure Xwindow. En tout temps, son exécution peut être déclenchée par le météorologiste de service et les résultats sont généralement disponibles de 30 à 60 minutes suivant l'avis initial. Le CANERM utilise les champs météorologiques fournis par le système global d'assimilation des données en mode diagnostique, ou par le modèle de prévisions régional ou global, en mode prévisionnel. Pour le mode diagnostique, les analyses météorologiques des sept derniers jours sont toujours disponibles. Pour le mode prévision, les données prévues sont disponibles jusqu'à 72 heures, deux fois par jour, et jusqu'à 240 heures, une fois par jour. À partir des données recueillies par satellite et en provenance d'autres sources lors des éruptions du Mont Spurr en 1992, un travail de développement a été fait avec CANERM en utilisant un mode diagnostique et des données archivées. Le modèle a été ajusté, un critère pour le nuage visible de cendre a été élaboré de même que des conditions pour le scénario par défaut. (NOTE: un échantillon des données disponibles au sujet des éruptions de Spurr peut être visionné aux pages web du Alaska Volcano Observatory (AVO) à l'adresse http://www.avo.alaska.edu/ et au Michigan technological University (MTU) à l'adresse http://www.geo.mtu.edu/volcanoes/ ). 3. Prévisions des cendres volcaniques au CMCLe danger que constituent les cendres volcaniques pour l'aviation a fait surface au début des années 1980. Plusieurs avions commerciaux ont été endommagés après avoir traversé des nuages de cendres, s'étendant à plusieurs centaines de kilomètres de leur source (FAA, Aviation Safety Journal). Ce risque pour l'aviation a encouragé l'utilisation de CANERM pour prévoir le déplacement des cendres volcaniques. Ces prévisions se sont révélées très utiles aux météorologistes à l'aviation qui émettent des SIGMET, aux répartiteurs des compagnies aériennes, etc. Des prévisions sont produites lorsqu'une éruption menace l'espace aérien canadien et les cartes sont disponibles sur METSIS et ANIKOM. De plus, ces cartes seront bientôt disponibles sur l'Internet. Le modèle est également exécuté lorsque le Service météorologique national d'un autre pays en fait la demande. 3.1 Cartes prévues des cendres volcaniques
Ces cartes décrivent les panaches de cendres volcaniques sur trois plages d'altitude : de la surface à FL200, de FL200 à FL350, et de FL350 à FL600. Les cartes comportent deux colonnes de trois panneaux, indiquant la position des cendres volcaniques dans une prévision de 6 h et 12 h sur la première carte, et de 18 h et 24 h sur la seconde. Des cartes supplémentaires sont également disponibles pour une prévision jusqu'à 72 heures. La concentration moyenne de cendres dans la couche est indiquée par "LGT" (faible, 10 à 100 microgrammes/m3),"MDT" (moyenne, 100 à 1000 microgrammes/m3) ou "HVY" (élevée, plus de 1000 microgrammes/m3). Il faut noter que, selon les meilleures informations disponibles, même les zones de concentration faible constituent un risque pour l'aviation et devraient êre évitées. Le critère utilisé pour définir le contour de concentration faible est comparable à celui qu'utilise le modèle VAFTAD (NOAA-ARL) pour sa représentation à contour unique du nuage "visuel" de cendres (Heffter et Stunder, 1993). Les informations suivantes figurent au bas de chaque carte : nom du volcan après le symbole de l'OMM pour le site d'une éruption, symbole repris sur la carte pour indiquer la position du volcan, date et heure de l'éruption, latitude et longitude du volcan. La mention "CYCLE" est pour usage interne au CMC. On y trouve en outre le message suivant : "SEE CURRENT SIGMET FOR WARNING AREA - VOIR SIGMET COURANT POUR ZONE D'AVERTISSEMENT", qui permet d'attirer l'attention sur le fait que les cartes ne sont qu'un guide et que les messages officiels d'avertissements sont les SIGMET. On retrouve ce même message sur les cartes du VAFTAD.
De plus, des cartes de trajectoires sont produites pour n'importe que endroit sur la planète en modes diagnostic, prévision ou une combinaison des deux. 3.2 Scénarios utilisés pour exécuter CANERMAu moment de l'éruption, on ne dispose habituellement d'aucune information sur la quantité de cendres éjectée ou sur la durée de l'éruption. Les informations en temps réel en rapport avec l'éruption sont en général de nature qualitative. Ceci est évidemment un problème lorsqu'il faut choisir les conditions initiales décrivant l'éruption afin d’exécuter le modèle. Cependant, à la lumière des cas sur lesquels le CMC est intervenu, ces cartes, utilisées conjointement avec l'imagerie satellitaire et les prévisions de trajectoires, sont utiles au milieu de l'aéronautique et aux météorologistes. Le météorologiste désirant exécuter CANERM doit entrer les paramètres suivants: latitude et longitude du volcan, date et heure du relâchement, durée de l'éruption, la quantité de cendres relâchée dans l'atmosphère, la fonction temporelle décrivant le comportement du rejet (constante, exponentielle ou gaussienne) et la hauteur du panache. Puisque les caractéristiques de la source sont généralement inconnues, des valeurs prédéfinies peuvent être utilisées. Elles sont les suivantes:
Le modèle peut être relancé lorsque de nouvelles informations météorologiques ou caractéristiques de la source d'émission sont disponibles. 3.3 Exemples récents de la réponse opérationnelle à des éruptions volcaniquesLe CANERM a été utilisé avec succès ces dernières années pour prévoir le déplacement de nuages de cendres volcaniques. En voici quelques exemples. Spurr, Alaska (61°18'N, 152°15'E) : Après 39 ans d'inactivité, le Mont Spurr a fait éruption les 27 juin, 18 août et 17 septembre 1992. De nombreuses données ont été récoltées et analysées (USGS, 1995). Chacune de ces éruptions a produit d'importantes quantités de cendres volcaniques et a affecté le traffic aérien sur de grandes étendues des États-Unis et du Canada. L'éruption de septembre est particulièrement intéressante en ce qui concerne les impacts sur l'aviation. La circulation atmosphérique a gardé le nuage de cendres bien définie et visible pendant au moins 72 heures. Étant donné la vitesse des vents en altitude, la cendre a voyagé sur des milliers de kilomètres ce qui a considérablement perturbé le traffic aérien, plus particulièrement près des Grands-Lacs. CANERM et le modèle de trajectoires ont été exécutés en temps réel dans le but de fournir des informations aux centres de prévisions. Au Canada, des SIGMETS ont été émis de la Colombie-Britannique et du Yukon jusqu'à Terre-Neuve au cours d'une période couvrant 3 jours.
Les figure 3, figure 4, figure 5, figure 6, figure 7, figure 8 et figure 9 présentent des images satellitaires du panache de cendres et des prévisions de CANERM en rapport avec les éruptions de septembre et d'août 1992.
Rabaul, Papouasie-Nouvelle-Guinée (4°27'S, 152°20'E) : Des explosions simultanées sur des flancs opposés de la caldeira du Rabaul se sont produites aux environs de 20 UTC le 18 septembre 1994, quand les cônes Tavurvur et Vulcan, à l'intérieur de la caldeira, sont entrés en éruption. La hauteur totale de la colonne de cendres a été estimée à 70 000 pi au-dessus du niveau de la mer. La figure 10 montre l'imagerie satellitaire saisie par le NOAA-12.
La figure 11 montre la prévision du CANERM à environ la même heure. Le CANERM reproduit les caractéristiques principales du panache : déplacement vers l'ouest au nord du volcan et déplacement vers le sud à sud-est au sud de celui-ci. Klyuchevskoi, Kamchatka (56°03'N, 160°39'E) : Une importante éruption a débuté vers 18 UTC le 30 septembre 1994. La hauteur de la colonne de cendres a été estimée à 50 000 à 65 000 pi au-dessus du niveau de la mer. Étant donné l'écoulement en altitude, on craignait que l'espace aérien du Canada ne soit affecté par les cendres volcaniques 30 à 36 heures après le début de l'éruption. Le CANERM a été exécuté avec une série de scénarios et les cartes prévues transmises aux centres météorologiques d'Edmonton, Vancouver et Whitehorse. Des SIGMET ont été émis à partir du début de journée le 2 octobre (Beal, 1994).
La figure 12 montre un estimé de la masse de silicates (kg/km2) pour cette éruption. Il a été produit par le Department of Geological Engineering and Sciences de la Michigan Technological University. La prévision de 24 heures du CANEM est présentée à la figure 13. 4. Conclusion
Le Centre météorologique canadien est en mesure de fournir, en temps réel, des produits et services lors d'éruptions volcaniques et ce, à partir de son système opérationnel d'analyse et de prévision. Ce système repose sur des modèles perfectionnés de prévision numérique du temps; sur une assimilation continue de données météorologiques courantes couvrant le monde entier, et sur une capacité de télécommunications à l'échelle du globe. Une équipe d'informaticiens et de météorologistes professionnels est en poste 24 heures par jour, toute l'année, pour assurer la continuité des opérations et l'entretien du système. De plus, une équipe de spécialistes dans les domaines du transport et de la dispersion atmosphériques est toujours sur appel. Les applications opérationnelles du CANERM ont démontré qu'il est un modèle utile et qu'il offre un outil précieux aux météorologistes et aux divers organismes qui doivent réagir lors d'éruptions volcaniques. NOTES: D'autres documents peuvent être visionnés à la Direction des opérations de la page WWW du Centre météorologique canadien. Pour plus d'information, veuillez contacter René Servranckx. Références
Création :
2002-08-26
Mise à jour le :
2002-12-18
Date de révision :
2002-12-18
URL de cette page : http://www.msc.ec.gc.ca
/cmc/eer/vaac/pph/index_f.html
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