Microphysique et modélisation

Participants : Andrea Flossmann, Marie Monier, Wolfram Wobrock


Un des objectifs de l’équipe  est de comprendre la formation et le développement de la précipitation en fonction de l’état de pollution de l’atmosphère. Pour cela, un modèle à fine échelle a été développé pour simuler toute forme de nuages et de précipitations. Il calcule tous les processus de façon explicite, avec une haute résolution spatiale tridimensionnelle, en utilisant le moins de paramétrisations possible.

La partie microphysique du modèle est gérée par le module DESCAM pour DEtailed SCAvenging Microphysics model. Dans DESCAM, les particules d’aérosol ainsi que les hydrométéores liquides et glacés sont traités d’une façon détaillée avec pour chaque espèce le suivi d’une quarantaine de classes de taille. Parmi les particules d’aérosols présentes, une sous-population est activée et forme les premières gouttelettes qui peuvent ensuite croître par condensation ou phénomène de collision et coalescence. Si la température descend en dessous de -10 à -15 °C, une deuxième sous-population d’aérosols sert de noyaux glaçogènes et forme des cristaux de glace. A des températures très froides, les cristaux se forment par congélation des gouttelettes suivant le processus de nucléation homogène. Ensuite, l’évolution des hydrométéores est suivie, soit pendant la précipitation, soit pendant l’évaporation.

Ce module microphysique est couplé à un modèle dynamique à méso-échelle qui permet la considération de plusieurs domaines imbriqués et d’une coordonnée verticale télescopique qui suit les irrégularités topographiques de la surface (DESCAM 3D).

Ce modèle a été appliqué à un certain nombre de cas dans des zones géographiques différentes et avec une dynamique différente. Ceci afin de vérifier son aptitude à prédire le cycle de vie du nuage et de sa précipitation. Dessous, quelques exemples sur les résultats de simulation sont donnés. D’autres scénarios sont étudiés également : des évènements cévenols ou des systèmes observés lors des campagnes AMMA, Circle, Astar et autres.

Modélisation des nuages convectifs avec le modèle de référence dans le cadre CRYSTAL-FACE

Le nuage convectif étudié a été observé le 18 Juillet 2002 lors de la campagne « Cirrus Regional Study of Tropical Anvil and Cirrus Layers – Florida Area Cirrus Experiment (CRYSTAL-FACE) ». Ce jour-là, un avion a traversé l’enclume du nuage, mesurant en particulier sa composition microphysique en liquide et en glace. La comparaison des résultats de DESCAM 3D avec les observations disponibles a démontré l’aptitude du modèle à capturer la physique de cette situation convective. Cette comparaison s’est effectuée le long du vol avion à travers la zone glacée du nuage.

Le comportement du modèle ayant été validé sur ce cas, les simulations ont été utilisées pour expliquer certaines des observations et mettre en évidence les processus qui ont causé ces structures. En particulier, la succession de zones mixtes et glacées le long de la trajectoire de l’avion peut s’expliquer.
Nous avons aussi utilisé cette étude de cas pour étudier l’influence de la pollution sur le développement de nuage convectif, en simulant deux situations avec des concentrations de particules bien différents. La structure tridimensionnelle de ces deux nuages est représentée sur la figure 1.

Fig.1 : enveloppes des gouttes nuageuses, des gouttes de pluie et des cristaux de glace.

On remarque que le sommet du nuage est plus élevé dans le cas pollué et que le contenu en pluie est diminué. Ces résultats ont fait l’objet d’une publication (Leroy et al, 2009).

Modélisation des nuages convectifs avec le modèle de référence autour de Clermont-Ferrand–confrontation avec les mesures du radar bande X

Fig.2 : comparaison de la réflectivité radar entre les sorties du modèle et les observations du radar bande X autour de Clermont-Ferrand. La simulation calcule une pluie de 8.4mm, tandis que 5.4mm étaient observée.

Au sein du projet PREVOIR, inscrit dans le cadre du CPER, nous étudions également la pluie en Auvergne dans un climat changeant. Dans une première étape, nous avons essayé de reproduire les pluies actuelles avec notre modèle. Les simulations ont été confrontées aux mesures du radar bande X de l’OPGC. Les premiers résultats sont encourageants (voir Fig.2 et 3).

Fig.4 : Coupe du cumulonimbus simulé sur Clermont-Ferrand.

Modélisation des nuages convectifs dans le cadre de la campagne COPS

La campagne COPS a eu lieu en été 2007 dans les Vosges et la Forêt Noire. Il s’agissait d’une expérience conjointe da la communauté française, allemande et britannique afin d’améliorer la prise en compte des nuages dans les modèles de prévision. Pour cela, une campagne intensive a été menée avec un équipement dense comprenant des radars au sol ainsi que des avions. Dans cette base de données, la journée du 12 aout 2007 nous a intéressé plus particulièrement, car durant cette journée des précipitations convectives ont été observées autour du Radar bande X du LaMP.

Fig 5. Comparaison entre la réflectivité radar modélisé avec DESCAM 3D (gauche) et observé (droite) avec le LaMP radar bande X le  12 aout 2007 à des temps différents (au début de la précipitation, après 20 min et après 40min). La représentation est “Plan Position Indicator (PPI) Radar Image”.

La simulation a été initialisée avec le sondage de Nancy à 12h, le 12 aout 2007. Lors de cette simulation nous étions plus particulièrement intéressés par le rôle des particules d’aérosol dans l’intensité des précipitations. Une publication à ce sujet est soumise (Planche et al, 2009).