Deuxième Partie. La Météorologie Physique. Présentation d un domaine de recherche. Quelles équations pour étudier le système «atmosphère»?

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1 Deuxième Partie Présentation d un domaine de recherche La Météorologie Physique Introduction Quelles équations pour étudier le système «atmosphère»? Importance de l échelle d étude La recherche au LaMP Interaction Nuage Rayonnement Observation Instrumentation Modélisation et Physico-chimie

2 Introduction : Quelles équations pour le système «atmosphère»? Climatologie : Electromagnétisme Satellite de la mission TRMM Température de surface de la mer Image MODIS

3 Introduction : Quelles équations pour le système «atmosphère»? Climatologie : Electromagnétisme Ecoulement de l air : Mécanique des fluides Allée de Von Karman Système dépressionnaire au dessus de l Europe

4 Introduction : Quelles équations pour le système «atmosphère»? Climatologie : Electromagnétisme Ecoulement de l air : Mécanique des fluides Nuages d onde (lenticulaires) Arrivée de poussières sahariennes sur l Europe

5 Introduction : Quelles équations pour le système «atmosphère»? Climatologie : Electromagnétisme Ecoulement de l air : Mécanique des fluides L eau atmosphérique : Thermodynamique Nuages orageux (Cumulonimbus) Cristal de glace Cristal de glace Grêlons

6 Echelle globale Echelle synoptique ( km) Introduction : Importance de l échelle d étude Echelle régionale ou méso-échelle ( km)

7 Importance de l échelle d étude 1) La recherche au LaMP Interaction Nuage Rayonnement Observation Instrumentation Modélisation et Physico-chimie Echelle du nuage 1. La recherche au LaMP

8 Influence des nuages sur la température ambiante Satellites? T ou? 1.1. Interaction nuage-rayonnement Soleil

9 Observation de l atmosphère et des nuages Chalet d observation? 1.2. Observation - instrumentation Avion instrumenté Radar profileur de vent

10 Physico-chimie des nuages Particules d aérosol : poussières en suspension dans l atmosphère 1.3. Modélisation et Physico-chimie? Soleil

11 Troisième Partie Présentation des travaux d une équipe de recherche Modélisation et microphysique des nuages Microphysique des nuages : L atmosphère : un mélange intime d air et d eau dans tous ses états Les processus microphysiques Modéliser : Comment? Pourquoi? Conclusion Vers des modèles plus réalistes dans un contexte plus général

12 L eau atmosphérique (ou la question du devenir d une parcelle d air qui s élève ) 3) Que se passe-t-il si la température devient négative? La congélation des gouttes n est pas automatique!!! Importance de la présence des particules d aérosol H O H 2) Que se passe-t-il si la parcelle d air s élève? Importance de la présence des particules d aérosol H H O 1) De l eau dans l air qui nous entoure? La quantité de vapeur d eau que peut contenir l air dépend de sa température T. r Définition : Humidité relative : RH (%) = 100 r ( T ) sat H H H H O O 2.1 L atmosphère : un mélange intime d air et d eau Z 0

13 Processus microphysiques Condensation / Evaporation Changements Déposition de vapeur / de phase H H Evaporation O Nucléation / Fonte H O H Processus de Collection Coalescence Givrage + + Agrégation + Grand nombre de processus à représenter!!! 2.1 L atmosphère : un mélange intime d air et d eau

14 Processus de collection : Coalescence, givrage, agrégation Rayon Vitesse limite de chute 0.1 µm 0.2 mm/s 1 µm 0.02 cm/s 10 µm 1.2 cm/s 100 µm 76.5 cm/s 1 mm 7.70 m/s 2.1 L atmosphère : un mélange intime d air et d eau

15 Processus de collection : Coalescence, givrage, agrégation 2.1 L atmosphère : un mélange intime d air et d eau

16 aiguilles Effets de l agrégation plaquette 2.1 L atmosphère : un mélange intime d air et d eau Difficulté pour représenter les cristaux de glace!!! Plaquette givrée dendrite Forme des cristaux Effets du vent colonne

17 Qu est-ce-qu un modèle? Exemple : le modèle parcelle d air Z Résultats du modèle : température T, Pression P, Nombre de particules d aérosol N ap, Quantité de vapeur r, Vitesse verticale w, Nombre de gouttes N w, Nombre de cristaux N i Changement de l altitude sous l effet du vent vertical 0 Paramètres initiaux : température T, Pression P, Nombre de particules d aérosol N ap, Quantité de vapeur r, Vitesse verticale w 2.2 Modéliser : comment et pourquoi?

18 Qu est-ce-qu un modèle? Exemple : le modèle parcelle d air Equations de prévision Z Résultats du modèle : température T, Pression P, Nombre de particules d aérosol N ap, Quantité de vapeur r, Vitesse verticale w, Nombre de gouttes N w, Nombre de cristaux N i Changement de l altitude sous l effet du vent vertical 0 Paramètres initiaux : température T, Pression P, Nombre de particules d aérosol N ap, Quantité de vapeur r, Vitesse verticale w 2.2 Modéliser : comment et pourquoi?

19 Comment modélise-t-on l atmosphère (et les nuages!)? Paramètres T P v r Représentation des mouvements de l air = modèle dynamique Z Modèle 1D : Colonne d air N ap N w N i Modéliser : comment et pourquoi?

20 Comment modélise-t-on l atmosphère (et les nuages!)? Paramètres T P v r Représentation des mouvements de l air = modèle dynamique modèle 2D N ap N w N i 2.2 Modéliser : comment et pourquoi? Humidité au dessus du Massif Central dans le cas d un épisode de crue Cévenole

21 Comment modélise-t-on l atmosphère (et les nuages!)? Paramètres T P v r Représentation des mouvements de l air = modèle dynamique modèle 3D N ap N w N i 2.2 Modéliser : comment et pourquoi? Humidité au dessus du Massif Central dans le cas d un épisode de crue Cévenole

22 Comment modélise-t-on l atmosphère (et les nuages!)? Paramètres T Représentation des mouvements de l air = modèle dynamique P v r 1D 2D 3D N ap N w N i Représentation de l eau atmosphérique = modèle microphysique De façon paramétrée De façon détaillée 2.2 Modéliser : comment et pourquoi?

23 Comment modéliser les différents processus microphysique? Microphysique paramétrée Microphysique détaillée Donnée de départ = forme de la distribution Exemple : Lognormale 2 (log( r n )) f ( r ) = exp R 2 2 π log σ ln10 2(log σ ) n=250 R=0.018µm log(sigma)=0.146 n=157 R=0.072 log(sigma)=0.328 n=1.1 R=0.4µm log(sigma)=0.146 n=0.7 R=1.15 log(sigma)=0.5 Donnée de départ = une grille Exemple : grille de rayon logarithmique r j-1 3 JRS ( j ) = r (1) 2 j = 2, N dn (cm -3 ) dn (cm -3 ) E-005 N points 1E Rayon (µm) 3 paramètres (n,r,et σ) à connaître et donc à faire évoluer 2.2 Modéliser : comment et pourquoi? Rayon (µm) N paramètres à connaître et donc à faire évoluer!

24 Challenge actuel Ce qui existe Modèle 3D + Microphysique paramétrée Modèle 1D½ + Microphysique détaillée dn (cm -3 ) dn (cm -3 ) D 1E-005 1E Rayon (µm) 1D Rayon (µm) Ce que l on voudrait Adaptation Modèle 3D + Microphysique détaillée Simplification D Rayon (µm) 2.2 Modéliser : comment et pourquoi? 1 dn (cm -3 ) Validation

25 Conclusion (1) : Vers des modèles plus réalistes Pourquoi des modèles? - pour faire des prévisions (météorologiques) - pour s assurer d une bonne compréhension des phénomènes physiques Pourquoi une représentation détaillée de la microphysique? De manière générale, les modèles existants ne reproduisent (ne prévoient) pas correctement les précipitations (cumul au sol, intensité ) Nécessité d améliorer les modèles à microphysique paramétrée. Comment? - par comparaison avec des observations (simulations de cas réels) - par comparaison avec un modèle de référence (= à microphysique détaillée!!!) Nécessité d améliorer la prise en compte de la phase glace. Approximation

26 Conclusion (2) : Comment les recherches au LaMP s inscrivent-elles dans un contexte plus général? Chimie atmosphérique OBSERVATIONS IN-SITU MODELES! Transfert radiatif Microphysique Episodes de pollution Prévention des catastrophes naturelles (ex : inondations) Impact des nuages sur le réchauffement climatique Echelle régionale ou méso-échelle (~100km) Echelle synoptique (~1000km) Echelle globale

27 Pour aller plus loin : LaMP : ESPERE : Meteo France : CNRS : LASMEA : LPC : UBP : Dep. Phys. : :