Etudes des nuages et de la convection autour des dépressions intenses des moyennes latitudes

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1 Etudes des nuages et de la convection autour des dépressions intenses des moyennes latitudes Jérôme DREANO 28 Février Introduction Dans le modèle LMDZ, les paramétrisations physiques des nuages et de la convection ont surtout été travaillées sur des cas tropicaux. Elles ont été peu vériées au niveau des moyennes latitudes. Ce mini projet a alors cet objectif d'étudier le comportement des paramétrisations aux moyennes latitudes et plus particulièrement autour des tempêtes. Nous nous concentrons sur la tempête Lothar du 26 décembre 1999 qui a traversée la France. Le modèle LMDZ adopte une conguration zoomée sur l'europe de l'ouest avec des mailles d'environ 80 km dans le zoom. An de simuler la tempête Lothar, le modèle est guidé fortement à l'extérieur du zoom par les réanalyses ERA-Interim de l'ecmwf ; et faiblement à l'intérieur avec un taux de rappel de 6h. Le modèle est auparavant initialisé avec une simulation fortement guidée tant à l'intérieur et qu'à l'extérieur les jours précédents les simulations étudiées. Plusieurs simulations sont eectuées avec diérentes versions de la physique de LMDZ : Ancienne physique Nouvelle physique (iflag_thermal = 18 ;iflag_pbl = 11 ; iflag_thermals_ed = 8 ) ; Nouvelle physique avec déclenchement stochastique de la convection (iflag_thermal = 15 ; iflag_pbl = 8 ; iflag_thermals_ed = 10 ; iflag_trig_bl = 1 ). Nous analysons par la suite chaque simulation au pas de temps correspondant au 26 décembre 1999 à 6h UTC, heure de passage de la tempête sur la France. 2 Caractérisation des types de nuages dans le système dépressionnaire Il est nécessaire dans un premier temps de bien distinguer les structures caractéristiques des dépressions sur la simulation de Lothar ; telles que : Les zones frontales où les pluies sont généralement stratiformes et les nuages de type Nimbostratus ; La zone instable, souvent appelée traine, située dans l'advection froide, où la convection peut se mettre en place. Les nuages sont de types Cumulus voire Cumulonimbus en cas de convec- 1

2 tion profonde. La carte de pression atmosphérique au niveau de la mer nous permet tout d'abord de situer le centre de la dépression Lothar (F igure 1 (a)). Le 26 décembre à 6h, elle se situe sur le centre de la France. Pour situer les fronts, idéalement, une carte avec la theta-e à 850 hpa peut être utilisée mais ce champ n'est pas disponible sur LMDZ. Même s'il est possible de le calculer, on se contente de tracer la température à 850 hpa (F igure 1 (a)). Il est assez dicile de retrouver l'enroulement des secteurs chauds et froids autour de la dépression. Le creusement de la tempête Lothar est très limité sur les simulations de LMDZ comparé aux observations synoptiques (964.3hPa relevé à 6h UTC à Evreux). Toutefois, on peut distinguer le secteur chaud au Sud et au Sud-ouest du coeur de la dépression et le secteur froid à l'ouest et au Nord-Ouest. Les représentations de l'humidité relative et des vitesses verticales à 850 hpa (F igure 1 (a) et (b)) permettent de mettre en évidence la présence d'un front pluvieux actif sous le secteur chaud avec une masse d'air saturée et de fortes ascendances. La traine se situe vraisemblabement dans le secteur froid à l'arrière du front. Enn, les cartes de précipitations (F igure 2) conrment l'emplacement du front sur la France et de la traine à l'ouest avec les pluies convectives. Nous ne nous attardons pas sur les problèmes de creusement de la dépression qui sont plus liés à la dynamique. La principale raison est que le forçage dynamique imposé par le guidage soit issu des réanalyses de l'ecmwf qui lissent déjà considérablement la réalité. Ici, le but est surtout d'étudier le comportement de la physique du modèle LMDZ. Pour l'analyse des diérentes physiques, nous pourrons tracer des coupes verticales Ouest-Est à la latitude 48N où la traine et le front pourront être représentés. 2

3 (a) (b) (c) Figure 1 Simulation avec la nouvelle physique, le 26/12/1999 à 6H UTC : (a) Pression au niveau de la mer et température à 850 hpa ; (b) Humidité relative à 850 hpa ; (c) Vitesse verticale à 850 hpa (Ascendance en bleu) 3

4 Figure 2 Simulation avec la nouvelle physique, le 26/12/1999 à 6H UTC : à gauche, précipitation de grande échelle en mm/6h ; à droite, précipitations convectives en mm/6h. 3 Comportement des physiques de LMDZ Les coupes de la couverture nuageuse (F igure 3) montrent sur chaque simulation la présence d'une grosse masse nuageuse aux longitudes de la France. Elle correspond au front pluvieux sous le secteur chaud de la dépression. A noter qu'avec l'ancienne physique, la converture nuageuse n'est pas tout à fait à 100% sous le front. A l'ouest, la couverture nuageuse est faible sur les trois physiques, ce qu'il laisse à penser que la convection est faible. Nous regarderons par la suite la part de nuage convective pour s'en assurer. Figure 3 Coupe verticale W-E à 48N de la fraction nuageuse le 26/12/1999 à 6H UTC : à gauche, ancienne physique ; au milieu, nouvelle physique ; à droite, nouvelle physique avec déclenchement stochastique de la convection. Les tendances d'humidité à grande échelle (F igure 4) con rment que globalement les processus à grande échelle dominent. A noter que ces coupes mettent en avant un bruit numérique assez important avec des valeurs uctuant grossièrement à chaque point de grille. Il est probable qu'un pas de temps trop grand a 4

5 été con guré pour ces simulations. Figure 4 Coupe verticale W-E à 48N des tendances d'humidité à grande échelle plus d'évaporation le 26/12/1999 à 6H UTC : à gauche, ancienne physique ; au milieu, nouvelle physique ; à droite, nouvelle physique avec déclenchement stochastique de la convection. LMDZ modélise tout de même des nuages convectifs dans la traine, ce qui est rassurant ; du moins avec l'ancienne physique et la nouvelle physique sans déclenchement stochastique de la convection. La convection est plus homogène spatialement avec l'ancienne physique. Les nuages convectifs sont modélisés juste à l'arrière du front sur la nouvelle physique mais pas plus à l'ouest. Avec le déclenchement stochastique de la convection, la convection est beaucoup plus faible et plus isolée, elle semble quasi inexistante. Figure 5 Coupe verticale W-E à 48N de la fraction nuageuse convective le 26/12/1999 à 6H UTC : à gauche, ancienne physique ; au milieu, nouvelle physique ; à droite, nouvelle physique avec déclenchement stochastique de la convection. Les coupes des tendances d'humidité dues à la convection profonde con rment cette convection inexistance avec la nouvelle physique avec déclenclement stochastique de la convection. Avec l'ancienne physique, la convection profonde est activée vraiment à l'ouest, en bordure du domaine. La couverture nuageuse convective plus à l'est est en conséquence assez di cile à expliquer. D'autant plus que l'ancienne physique n'intègre pas la convection dans la couche limite. En e et, le calcul des thermiques a été intégré dans la nouvelle physique, elles ne sont pas représentés dans l'ancienne physique. Les tendances de l'humidité dues aux thermiques tracées sur la F igure 7 montre que LMDZ modélisent de la convection dans la couche limite au niveau de la traine. Les valeurs sont semblables entre les deux nouvelles physiques. La dernière carte à gauche montre la tendance due aux poches froides à titre indicatif. Les valeurs sont proches de zéro. La 5

6 Figure 6 Coupe verticale W-E à 48N des tendances d'humidité dues à la convection profonde le 26/12/1999 à 6H UTC : à gauche, ancienne physique ; au milieu, nouvelle physique ; à droite, nouvelle physique avec déclenchement stochastique de la convection. convection n'est probablement pas assez forte pour engendrer des tendances signi catives dues aux poches froides. Figure 7 Coupe verticale W-E à 48N des tendances d'humidité dues aux thermiques le 26/12/1999 à 6H UTC : à gauche, nouvelle physique ; au milieu, nouvelle physique avec déclenchement stochastique de la convection. A droite, tendances d'humidité dues aux poches froides, nouvelle physique. 6

7 4 Conclusion Ces diérents résulats ont montré que les processus de grandes échelles dominent au sein de la tempête, en particulier sous la zone frontale. La physique du modele active la convection profonde dans la traine avec l'ancienne et la nouvelle physique. Toutefois la simulation avec la nouvelle physique avec déclenchement stochastique de la convection n'active pas la convection profonde ou bien de manière sporadique. Les diérences entre l'ancienne et la nouvelle physique ne sont pas agrantes, il est dicile de dire quelle physique est plus représentative de la réalité. La mise en place du calcul des thermiques et des poches froides n'apporte peut-être pas de changements signicatifs aux moyennes latitude. Les systèmes convectifs ne sont peut être pas assez puissants dans les traines des dépressions de moyenne latitude pour que ces nouvelles paramétrisations inuencent susamment. 7