Concentric eyewall formation and eyewall replacement cycles are intrinsic processes that determine the intensity of a tropical cyclone, as opposed to purely environmental factors such as wind shear or the ocean heat content. Although extensive research has been done in this area, there is not a single widely accepted theory on the formation of secondary eyewall structures. Many previous studies focused on dynamic processes in the inner core of a tropical cyclone that would precede and ultimately lead to the formation of a secondary eyewall. Hurricanes Katrina and Rita in 2005 were frequently sampled by research aircraft which gathered a copious amount of data. During this time, Rita developed a secondary eyewall which eventually replaced the original eyewall. This thesis will investigate the formation of a secondary eyewall with particular emphasis on the rainband region, as observations show that an outer principal rainband transformed into the secondary ring. A high resolution, full physics model (MM5) initialized with global model forecast fields correctly predicted the secondary eyewall formation in Rita. The model output will be used to investigate both Katrina and Rita in terms of their PV generation characteristics since PV and vorticity maxima correlate well with wind maxima that accompany the eyewall and rainbands. Furthermore, dynamical processes such as vortex Rossby wave (VRW) activity in the inner core region will be analyzed. Comparison of the differences in the two storms might shed some light on dynamics that can lead to structure changes. Comparison of the model data with aircraft observation is used to validate the results. Doppler radar derived wind fields will be used to calculate the vertical vorticity. The vorticity field is closely related to PV and thus a manifestation of the PV generation process in the rainband. The investigation has shown that Rita?s principal rainband features higher PV generation rates at radii beyond 80 km. Both the azimuthal component and the projection of asymmetric PV generated by convection onto the azimuthal mean connected with the principal band are hypothesized to be of importance for the formation of the secondary eyewall. VRW were found not to be important for the initial formation of the ring but might enhance convective activity once the outer eyewall contracts.

The linear Barotropic Non-Divergent simulation of a vortex on a beta plane is consistent with Willoughby’s earlier shallow-water divergent results in that it produced an unbounded accelerating westward and poleward motion without an asymptotic limit. However, Montgomery’s work which yielded finite linear drift speeds for his completely cyclonic vortex was inconsistent with ours. The nonlinearly-forced streamfunction exhibited a beta-gyre like structure, but with opposite polarity phase to the linear gyres. Utilization of the linear model with time-dependent, but otherwise beta-like, forcing revealed increasing magnitude and phase reversal in the neighborhood of a low cyclonic frequency. Here, the mean bounded vortex has an outer waveguide that supports Vortex Rossby Wave propagation that is faster than the mean flow and confined to a very narrow band of frequencies between zero and the Vortex Rossby Wave cutoff. The low frequency waves constitute the beta-gyre mode described previously by Willoughby.

Dans un contexte international, la prévision d'intensité des cyclones tropicaux connaît encore de graves déficiences tandis que la prévision de trajectoire de ces phénomènes météorologiques extrêmes s'est grandement améliorée ces dernières décennies. Une source d'erreur pour la prévision d'intensité est le manque de connaissance des processus physiques qui régissent l'évolution de la structure et de l'intensité des cyclones. Cette thèse, proposée dans le cadre des responsabilités du Centre Météorologique Régional Spécialisé (CMRS) de la Réunion et des axes de recherche du LACy et du CNRM, a pour but d'améliorer la prévision numérique et la compréhension des mécanismes de changement de structure et d'intensité des cyclones dans le sud-ouest de l'océan Indien. On observe statistiquement dans le bassin de fréquents déferlements d'ondes de Rossby qui correspondent à une intrusion des talwegs d'altitude depuis les moyennes latitudes vers les régions où évoluent les cyclones. Ces déferlements advectent dans la troposphère tropicale de l'air d'origine stratosphérique à fort tourbillon potentiel (PV). Le cœur d'un cyclone tropical étant caractérisé par un vortex cyclonique de fort PV, il est donc légitime de se demander si de tels talwegs sont capables de « nourrir » un cyclone en déferlant jusqu'à lui, et l'intensifier par superposition de PV. D'un autre côté, l'approche d'un talweg est associée à d'autres facteurs pouvant jouer en défaveur d'une intensification, comme un fort cisaillement vertical de vent. L'étude de processus est réalisée sur le cyclone Dora (2007) avec le modèle opérationnel du CMRS sur le bassin, Aladin-Réunion. Ce modèle hydrostatique à aire limitée bénéficie d'une résolution horizontale de 8 km et de son propre schéma d'assimilation 3Dvar avec bogus de vent. Un tel bogus permet d'affiner la structure du cyclone à l'instant initial en ajoutant des observations de vent déduites d'un profil analytique et des paramètres de structure du cyclone estimés par les images satellites. Des diagnostiques sur les variables thermodynamiques en sortie de modèle montrent que la phase d'intensification rapide de Dora est bien associée à l'advection de tourbillon potentiel (PV) en provenance du talweg. Bien que fortement cisaillé, le système parvient à s'intensifier grâce à la forte inclinaison du talweg qui advecte du PV au cœur du cyclone en 2 temps et à 2 niveaux (haute et moyenne troposphère). Lorsque le talweg est au plus proche du cyclone, il force un processus dynamique interne appelé « cycle de remplacement du mur de l'œil ». On observe une inclinaison et un renforcement des vitesses verticales à l'extérieur du mur de l'œil principal, associé à une accélération de la circulation cyclonique tangentielle par advection de moment angulaire sur toute l'épaisseur de la troposphère dans cette zone annulaire (mis en évidence par les flux d'Eliassen-Palm). Un second maximum de vent relatif apparaît alors et une deuxième phase d'intensification rapide s'ensuit avec la contraction du mur secondaire. Le forçage de processus internes par une influence externe (un talweg) semble donc être le moteur de l'intensification rapide de Dora dans un environnement cisaillé, et potentiellement celui d'autres cyclones dans le bassin qui sont approchés par des talwegs d'altitude. Les prévisionnistes du CMRS sont invités à surveiller les champs de PV de tels systèmes, en attendant que de plus amples diagnostiques soient réalisés avec l'outil d'inversion du tourbillon potentiel développé sur le modèle global Arpège. / Despite significant improvements in Tropical Cyclone (TC) track forecasts over the past few decades, anticipating the sudden intensity changes of TCs remains a major operational issue. The main purpose of this thesis is to analyze TC rapid intensification processes in relation with external forcing induced by upper-level troughs originating from the mid-latitudes. The impact of initial storm structure on storm evolution and prediction is also documented. An objective definition for rapid intensification in the southwest Indian Ocean is first proposed. The location and frequency of TC-trough interactions are identified, as well as TC-trough arrangements conducive to TC intensification. An interesting study case, TC Dora (2007), is chosen to run numerical simulations initialized with synthetic TC observations blended in a global analysis. The simulated TC-trough interaction is intricate with potential vorticity (PV) advection from the trough into the TC core at mid and upper levels. Vortex intensification first occurs inside the eyewall and results from PV superposition. Further intensification is associated with a subsequent secondary eyewall formation triggered by external forcing from the trough. The numerical model is able to reproduce the main features associated with outer eyewall spin-up, inner eyewall spin-down, and their effects on vortex intensity changes. Another numerical study examines typhoons in the northwest Pacific and demonstrates the critical role played by initial vortex structure in TC track and intensity prediction. Upgrading the initial specification of a TC inner-core structure in numerical models is recommended for future TC prediction improvements.