Comprendre les nuages

Transcription

1 Les petits-déjeuners de Météo France Le mercredi 22 mars 2017 Comprendre les nuages «Bien qu'on se régale de leur spectacle depuis notre plus tendre enfance, les nuages demeurent en grande partie insaisissables. Difficiles à observer, ils déterminent la prévision des journées ensoleillées, mais aussi des pluies, et même de l'évolution du climat. Comprendre les nuages, ce n'est donc pas simplement démystifier un objet de rêverie, mais une nécessité pour progresser dans la modélisation de la météorologie à court terme et de la climatologie à long terme». David GOUTX Directeur Interrégionale de Météo-France pour l océan Indien Olivier BOUSQUET Denis ROY Dominique MEKIES Tarik KRIAT Contacts, presse Météo-France Philippe Garnier comrun@meteo.fr 1

2 L étude des nuages La microphysique des nuages est la branche des sciences atmosphériques qui se consacre à l étude des particules constituant les nuages. La naissance de cette discipline est associée aux premières tentatives de classification des nuages, au milieu du XVII siècle. Les nuages prêtent au fantasme et les nommer peut ressembler à une véritable gageure (voir à cet effet la discussion entre Hamlet et Lord Polonius au sujet d un nuage qui prendra successivement la forme d un chameau, d une belette puis d une baleine ). Pendant longtemps les nuages ont été différenciés par leur couleur ou leur apparence. On parlait ainsi de nuages blancs, jaunes et rouges ou encore de nuages épais, légers ou striés. La première véritable classification des nuages est l œuvre d un météorologue amateur anglais, pharmacien de son état, qui proposera au début du 19eme siècle, une étude qui allait révolutionner à tout jamais cette discipline. Les noms de «nos» nuages (cumulus, cirrus, stratus), qui nous sont familiers et semblent exister depuis la nuit des temps, ont en effet été inventées par ce pharmacien, Luke Howard, en Qu est-ce qu un nuage? Un nuage est composé d une multitude de particules (gouttes d eau liquide, cristaux de glace ou flocons de neige) appelées hydrométéores. La nature de ces particules minuscules, dont la taille s étend de quelques centaines de microns à quelques cm pour les plus grosses, ont un impact colossal sur les caractéristiques générales des systèmes précipitant. Ainsi les propriétés à petite échelle d un nuage, caractérisées par la concentration en nombre des hydrométéores, de leur phase (liquide ou solide), de leur forme et de leur dimension, influencent directement ses propriétés macroscopiques et donc sa contribution au système climatique, sa capacité à produire des précipitations sous forme de pluie, de neige ou de grêle et des éclairs, ou encore sa durée de vie. La recherche sur les nuages à La Réunion A La Réunion, les travaux de recherche sur les nuages sont principalement conduits au Laboratoire de l Atmosphère et des Cyclones (LACy - Le LACy est une unité mixte de recherche (UMR) de l Université de La Réunion, de Météo- France et du CNRS composée d agents de ces 3 tutelles. Les agents et chercheurs de la Cellule de Recherche Cyclones (CRC) de Météo-France sont ainsi associés au LACy. De façon générale la recherche sur les nuages peut se diviser en deux branches à la fois distinctes et fortement complémentaires : l observation et la modélisation. Pour comprendre et reconnaître les nuages sur Iphone ou Android Application : CUMULUS&Co 2

3 L observation des nuages Radar météorologique polarimétrique de Piton Villers (Météo-France) Malgré tous ses records mondiaux - La Réunion détient pratiquement tous les records de cumuls de précipitations sur des durées s étendant de 12 heures à 15 jours, lîle de La Réunion a mis longtemps à se doter d une structure expérimentale véritablement dédiée à l étude des nuages et des précipitations. Avec le déploiement par Météo-France du radar météorologique à diversité de polarisation de Piton Villers en 2011, puis la construction, en 2012, de l observatoire atmosphérique du Maïdo par le CNRS et l Université de La Réunion (financements FEDER, Etat et Région), notre île dispose désormais d outils extrêmement performants pour étudier les nuages. La mise en place par le LACy d un nouveau site expérimental spécifiquement dédié à l étude de la microphysique nuageuse sur le campus de l Université de La Réunion (Moufia) en 2017 va renforcer plus encore cette capacité, et contribuer à doter les chercheurs réunionnais d un dispositif expérimental quasiment sans équivalent dans le monde pour percer les mystères des nuages tropicaux. Quelques instruments dédiés à l observation de la microphysique nuageuse à La Réunion En sus d informations sur l intensité et la localisation des précipitations, un radar polarimétrique permet, après traitement spécifique des données, d identifier précisément les différentes particules composant les nuages (goutte d eau, cristaux de glace, neige Ces observations permettront d évaluer et d améliorer les performances des modèles de prévisions du temps et de mieux comprendre les processus de formation et d électrisation des nuages tropicaux. Le radar de Piton Villers est à ce jour le seul radar polarimétrique opérationnel dans tout l hémisphère sud. Le radar opérationnel de Piton Villers est un radar en bande S exploité par Météo- France depuis Equipé de la diversité de polarisation, ce radar permet d observer la distribution des d i f fé re n tes es pè ce s microphysiques composant les nuages. Illustration : image de réflectivité (droite) et de type de particules (gauche) observés lors du passage du cyclone tropical BEJISA au voisinage de Le Réunion le 2 janvier 2014 à 18 heures locales. Le radar est situé au centre des images et l altitude augmente à mesure que l on s éloigne du radar. 3

4 Radar nuage BOB (Basta Of Bourbon, LACy) Ce radar à visée verticale permet de mesurer l intensité et la vitesse de chute des précipitations. Beaucoup plus sensible qu un radar météorologique, il permet d étudier précisément la partie froide des nuages (glace) qui joue un rôle fondamental dans la dynamique climatique et atmosphérique (notamment pour les cyclones). Déployé au Moufia, ce radar permet de mesurer précisément l intensité et la vitesse de chute des précipitations solides et liquides jusqu à une altitude de 18 km à la résolution verticale de 25m. Comme son compère MARLEY, ce radar peut également être installé à bord d un pick-up afin de réaliser des mesures mobiles. Les illustrations représentent des séries temporelles de réflectivité et de vitesses de chute des précipitations collectées pendant la tempête tropicale Carlos (bandes précipitantes) et du cyclone Enawo (cirrus) au large de La Réunion. (attention : illustration pédagogique ne correspond pas exactement à la situation mesurée par le radar) 4

5 Lidar aérosol MARLEY Le lidar MARLEY (Mobile Aérosol Raman Lidar for troposph EresurveY) du LACy permet de mesurer la nature des aérosols en suspension dans l air. Les aérosols sont des particules microscopiques (grains de sable, sels marins, particules carbonées issues de l activité humaine, ) sur lesquelles va se condenser la vapeur d eau pour donner naissance aux premières gouttelettes de nuages. Utiliser conjointement avec le radar BOB, MARLEY permettra d étudier les processus de formation des nuages en région tropicale. Ces deux instruments, déployés sur le site du Moufia, peuvent également être installés sur des plateformes mobiles (pick-up, Ulm) dans le cadre de campagnes expérimentales ponctuelles. MARLEY (Mobile Aérosol Raman Lidar for troposph EresurveY) est un lidar aérosol permettant d observer précisément la distribution, la forme et le type d aérosols en suspension dans l air. Ce lidar, installé au Moufia sur le site expérimental de l Observatoire de Physique de l Atmosphère de La Réunion (OPAR), peut également être déployé à bord de plateformes telles qu un pickup (photo) ou un ULM. Photo: Les chercheurs du LACy configurant MARLEY lors de la campagne BIO- MAIDO en Maïdo Photos de l observatoire du Maido prises de nuit (pendant le fonctionnement des lidars). Disdromètres Le LACy dispose de 3 disdromètres dont 2 disdromètres vidéo qui permettent, à l aide de caméra haute définition, de mesurer précisément la taille, la forme et la vitesse des précipitations atteignant le sol. Ces informations sont cruciales dans l optique d améliorer les paramétrisations de la microphysique nuageuse utilisées dans les modèles de prévision du temps. Observatoire du Maïdo Située à une altitude de 2000m, la station atmosphérique du Maïdo est équipée de plusieurs dizaines d instruments parmi lesquels de nombreux capteurs chimiques, biochimiques et microphysiques (permettant de caractériser la nature des aérosols présents dans l atmosphère), des capteurs d éclairs (permettant d observer l activité électrique jusqu au Canal du Mozambique) et plusieurs lidars et radiomètres (pour étudier l état de l atmosphère et son évolution dans le temps). Cet observatoire atmosphérique est le plus important de tout l hémisphère sud. 5

6 La modélisation numérique Une représentation réaliste de la microphysique des nuages tropicaux dans les modèles numériques est essentielle pour améliorer la prévision quantitative des précipitations et l évolution temporelle des systèmes météorologiques. La microphysique nuageuse joue notamment un rôle fondamental sur le cycle de vie et l évolution des systèmes à fort enjeu tels que les orages fortement électrisés et les cyclones tropicaux. Une étude récente a ainsi montré qu une variation de quelques pourcents de la vitesse de chute des hydrométéores glacés (neige, grésil, glace) dans un modèle de prévision numérique pouvait augmenter ou diminuer de plus de 25% l intensité des vents cycloniques prévus par le modèle. Distribution spatiale du grésil (graupel) dans le cyclone BANSI simulée par arome Indien et observée par satellite le 14 janvier 2015 à 00. Le grésil est un excellent traceur de l'activité convective qui permet d'identifier les régions les plus intenses d'un cyclone S il est fondamental de disposer de systèmes d observations permettant d étudier l ensemble des paramètres et processus caractérisant le cycle de vie des nuages, il est également nécessaire de développer des paramétrisations pour représenter de manière réaliste ces processus dans les modèles de prévision du temps. Les travaux menés à La Réunion visent principalement à développer et tester de nouveaux schémas numériques permettant de simuler l activité électrique et les processus de croissance des nuages. Pour ce faire, les chercheurs du LACy travaillent depuis plusieurs années au développement de modèles numériques spécifiquement adaptés aux régions tropicales, avec une priorité sur la modélisation des cyclones. Au LACy la recherche en modélisation numérique s effectue principalement au moyen de deux modèles Le modèle Arome océan Indien Développé conjointement à Toulouse, par le Centre National de Recherche Météorologique de Météo-France, et à La Réunion, par les chercheurs de la Cellule Recherche Cyclones de la DIROI et du LACy, ce modèle à échelle fine a été déployé sur la majeure partie du bassin sud-ouest de l océan Indien en Les chercheurs du LACy ont également développé une version «recherche» de ce modèle leur permettant de tester et de proposer des améliorations pour le modèle opérationnel. Ces développements, qui portent pour l instant essentiellement sur la région sud-ouest de l océan Indien, ont vocation à devenir opérationnels dans l ensemble des modèles AROME ultramarins et seront, à terme, directement transposables à l ensemble des territoires français soumis au risque cyclonique (Mayotte, Antilles, Polynésie Française, Nouvelle Calédonie). 6

7 Le domaine Arome océan Indien (2500 km X 1400 km) a été agrandi pour répondre au besoin du CMRS (Centre Météorologique Régional Spécialisé) de La Réunion Coupe verticale de l'humidité prévue par le modèle à maille fine Arôme sur le relief de la Réunion. Le relief est représenté en noir avec le massif du volcan situé sur la partie droite du relief. La plage de couleur rose représente l'humidité supérieure à 90%, 7

8 Le modèle de recherche communautaire français Meso-NH. Ce modèle, développé conjointement par Météo-France et le CNRS est considéré comme le laboratoire du modèle de prévision opérationnel AROME. L utilisation de ce modèle communautaire permet de faire avancer nos connaissances sur la physique des processus, mais aussi de faciliter le transfert d expertise entre les acteurs de la recherche et de l opérationnel. Le LACy développe notamment une version tropicalisée du modèle Meso-NH, couplée à des modèles d océan et de vagues, et incluant de nouveaux modules visant à représenter de manière exhaustive l ensemble des processus mis en jeu dans la formation des nuages tropicaux (schéma d électricité atmosphérique, schéma d aérosols, paramétrisation des sels marins, schéma isotopique, ). MNH_Bejisa : Composite de réflectivités (intensité des précipitations et structure du système) issu de la composition des observations radar de Piton Villers et Colorado (haut) et d une simulation avec le modèle Meso-NH (bas), lors du passage de BEJISA au plus près de La Réunion le 2 janvier

9 De l observation à la prévision des nuages au jour le jour L observation des nuages Jusqu à l avènement des premiers satellites météorologiques dans les années 70, l observation des nuages était réalisée par des observateurs météos qui décrivaient le plus minutieusement possible la couverture nuageuse. Aujourd hui, l observation des nuages peut s appuyer sur l imagerie satellitale qui fournit des images complètes du globe quasi en temps réel. La couverture du globe à une fréquence temporelle élevée, toutes les 15 min, est devenue un outil indispensable pour l observation du temps et notamment pour le suivi des phénomènes cycloniques. Il est un domaine où l observation du ciel reste un enjeu primordial : l aéronautique. La couverture nuageuse, la hauteur du plafond nuageux, le type de nuages sont des informations indispensables pour assurer la sécurité des vols particulièrement pendant les phases de décollage et d atterrissage. Ainsi, la présence de nuages comme le cumulonimbus susceptible de générer de dangereuses turbulences doit être annoncée. L observation des nuages est réalisée sur chaque plate-forme aéronautique soit par une observation humaine, soit par une observation automatique réalisée par une série de capteurs performants comme à Pierrefonds et bientôt à Gillot. Passage de la tempête tropicale modérée Carlos au plus près de l'île vue par le satellite géostationnaire Météosat 8 après traitement au Centre Météorologique Spatial de Lannion. Le traitement de l image met en évidence les différents types de nuages. Les nuages avec une tente jaune représentent les nuages de basses couches peu épais. L image met aussi en évidence les nuages fins de haute altitude de couleur claire avec un aspect filandreux mais surtout les cumulonimbus au Nord-Ouest immédiat de La Réunion, nuages à fort développement vertical accompagnés de fortes pluies et d orages. 9

10 La prévision des nuages La prévision des nuages peut s appuyer sur l imagerie satellitale pour les très courtes échéances mais au-delà de quelques heures, les prévisionnistes s appuient sur les données des modèles numériques de prévision du temps. A partir de ces données calculées, comme l humidité dans les différentes couches de l atmosphère, le caractère stable ou instable des différentes masses d air, la présence de mouvements verticaux qui indiquent les zones d ascendances,..., le prévisionniste en déduit la présence, ou pas, de couches nuageuses pour les prochains jours. Avec les progrès de la modélisation numérique, le prévisionniste a accès à des diagnostiques de plus en plus sophistiqués comme la proportion d eau liquide et de glace dans les nuages. L impact de la présence nuageuse peut être ainsi mieux anticipé notamment en termes de précipitations. Les modèles les plus performants sont capables de produire des images satellites prévues qui sont une aide précieuse pour le prévisionniste. Ainsi, le modèle à maille fine Arôme de Météo-France, déployé sur l océan Indien depuis le début de la saison cyclonique a la capacité de simuler les cumulonimbus, le nuage d orage dont le cycle de vie, formation puis dissipation peut être visualisée directement par l intermédiaire d une animation d images satellites simulées. Image satellite prévue par le modèle à maille fine Arôme. Les cumulonimbus sont représentés par les teintes les plus brillantes que l'on aperçoit à proxim ité des Como- Coupe verticale de l'humidité prévue par le modèle à maille fine Arôme sur le relief de la Réunion. Le relief est représenté en noir avec le massif du volcan situé sur la partie droite du relief. La plage de couleur rose représente l'h umidi té supérieure à 90%, synonyme de présence de nuages. Grâce à ces nouveaux outils, le prévisionniste peut fournir une information plus précise à la fois au grand public mais aussi aux utilisateurs pour qui la prévision des nuages est un enjeu important comme l aéronautique ou le secteur de la production électrique photovoltaïque par exemple. 10

11 Le projet Weather 3D Imaginez les outils météo des prochaines générations Bien qu à l échelle du globe terrestre, l épaisseur de l atmosphère soit infime, les phénomènes météorologiques qui s y déroulent sont bien des phénomènes en trois dimensions. Ascendances, convections, profils de températures et de pression occupent bien la verticale de cette mince pellicule qu on considère pourtant trop souvent en deux dimensions. Ainsi les outils qu utilise le prévisionniste sont pour la plupart des outils de représentation de coupes horizontales ou verticales. Bien sûr, les applicatifs de représentation de l atmosphère en trois dimensions existent, mais ils sont trop complexes pour être utilisés en opérationnel. Réflectivités MESONH en mode iso-surfaces Imaginons que le prévisionniste dispose d un outil simple et intuitif lui permettant de visualiser en trois dimensions les phénomènes météorologiques qu il étudie. Quel serait l apport d un tel outil? Quelle serait son influence sur les méthodes de travail du prévisionniste? Finira-t-on par constater une démarche intellectuelle différente, plus rapide, plus concrète? Comment peut-elle être liée aux méthodes classiques actuelles d analyse en deux dimensions? Imaginons maintenant que cet outil soit purement web et de type push collaboratif. Est-ce que cela permettra de démocratiser la prévision météorologique? Pourra-t-on établir plus facilement des contacts et des réflexions communes sur des situations météorologiques entre services météo éloignés? Pourra-t-on développer des coopérations météorologiques en ayant aboli le coût prohibitif des outils classiques? 11

12 Réflectivités MESONH à l approche de DUMILE L outil fonctionnera sur n importe quel navigateur webgl et n importe quelle plate-forme/os. Imaginons enfin que cet outil accepte des périphériques virtuels de manipulation des phénomènes représentés. En associant la visualisation à des interactions naturelles, la compréhension des phénomènes pourrait bien relever de l appréhension, de l intégration de la réalité par les sens. Pendant les dernières éruptions du Piton de la Fournaise, ainsi qu en juin 2016, à l'occasion de la campagne STRAP-Etna, le développement d un tel outil a été entrepris par le Météo-France et le Lacy (Laboratoire de l Atmosphère et des Cyclones). L objectif du laboratoire est de répondre aux caractéristiques énoncées et d étudier l impact d un tel outil sur l organisation du travail et la compréhension des phénomènes météorologiques, tout en favorisant les collaborations entre pays de la zone. 12

13 Une image composite radar (Piton Villers + Colorado) de réflectivité calculée par interpolation de Cressman, seuillée à 20dbz. En d'autres termes : une image rad ar des p luies significatives à l'approche de Carlos. La première image est en teintes de gris (couleurs "naturelles") La seconde utilise une palette de couleurs où les pluies les plus intenses sont représentées par les teintes tirant vers le rouges. On y voit clairement l'effet du relief de la Réunion Le nuage : caillou dans la chaussure du modélisateur des climats futurs Les nuages sont bien sûr pris en compte dans les modèles climatiques, de même que leurs effets réchauffant et refroidissant. Ils sont néanmoins responsables de la principale incertitude pour la prévision du climat futur. Les simulations climatiques divergent en effet sur la réponse de la couverture nuageuse au changement climatique. Si ce sont les nuages bas qui sont avantagés, l'effet d'albédo peut augmenter, le forçage radiatif des nuages deviendrait alors davantage négatif ce qui tendrait à refroidir la planète et la rétroaction serait négative. Au contraire, si ce sont les nuages hauts qui le sont, c'est l'effet de serre des nuages qui augmentera et la rétroaction sera positive, tendant à augmenter encore le réchauffement. Mieux connaitre les nuages est donc également un enjeu majeur pour mieux prévoir le climat futur. 13