3.5 Conclusions
4.1.3 Comparaisons entre observations radar et simulations
four-nies par les observations de haute résolution du radar en bande X (voir section 3.1.1), nous allons comparer les résultats des différentes simulations avec les observations radar. Pour comparer avec les observations radar, nous allons utiliser la réflectivité radar normalisée ZdBZ : ZdBZ = 10 log " Z[mm6m−3] 1 mm6m−3 # (4.4) Les réflectivités radar sont calculées, dans le schéma bulk de la microphysique, selon Straka et al. (2000) à l’aide de deux relations Z-R : Z[mm6m−3] = aRb, suivant la nature des hydrométéores précipitants (pluie ou grêle). Pour faciliter les comparaisons, les résultats des simulations sont présentés selon la même coupe PPI que celle du radar en bande X. De plus, les réflectivités radar (dBZ) simulées à l’extérieur de la zone de mesure du radar ne sont pas représentées.
La figure4.4montre les réflectivités radar simulées et observées par le radar en bande X pour les différents cas d’étude : 18 juillet et 12-13 août 2007. Nous avons étudié les cellules précipitantes des différents cas, sur leurs phases de formation et de maturation. Nous avons, toutefois, décidé de représenter ces cellules à un pas de temps caractérisant les premières minutes de formation des précipitations.
a) 18 juillet 2007 : Initiation sous le vent des Vosges.
Au cours de l’après-midi du 18 juillet, un système convectif s’est formé dans la zone de mesure du radar en bande X entre 16h50 et 18h UTC. La figure 4.4a montre les réflectivités radar simulées et observées, respectivement, à 10 min et 12 min après le début des précipitations. Le système précipitant s’est formé 15 km au Nord du radar en bande X et se déplace vers le Nord-Est, c’est-à-dire au Nord de Strasbourg (5 km à l’Est d’Entzheim, aéroport de Strasbourg). Par conséquent, la cellule simulée est proche de celle observée tant par son intensité, sa formation et son évolution (pas illustrée).
Fig. 4.4 – Comparaison entre les réflectivités radar modélisées (à gauche) et observées (à droite) à l’aide du radar en bande X pour les cas du 18 juillet (a), et des 12-13 août (b, c). Les observations choisies pour les cas du 18 juillet et des 12-13 août ont été respectivement observées à 17h04, 13h07 et 12h54 UTC. Les résultats de simulation correspondant sont choisis 10 min, 5 min et 5 min après le début des précipitations. Ces comparaisons permettent de montrer l’initiation des systèmes convectifs. Le point P représente le sommet appelé « Champ de Feu » dans les Vosges du Nord.
b) 12 août 2007 : Initiation sur les crêtes vosgiennes.
Le système nuageux du 12 août 2007 se forme dans le quart sud-ouest de la zone d’observation du radar en bande X à 12h59 UTC et se déplace vers le centre de cette zone de mesure alors que son intensité diminue. La cellule convective disparaît à 14h30 UTC au-dessus de la position du radar en bande X. La figure4.4b montre le champ de réflectivité radar mesuré à 13h07 UTC et modélisé 5 min après le début des précipita-tions. Nous pouvons voir un léger décalage d’environ 5 km entre les maxima d’intensité observés et simulés. Nous pouvons aussi remarquer que dans les observations plusieurs petites cellules se forment sur le relief alors que dans les simulations, ces cellules sont légèrement plus nombreuses. Cependant, lors de cette étape de formation, l’intensité et l’emplacement de la cellule dominante sont en accord avec les observations. L’ensemble du cycle de vie de ce système précipitant montre que la cellule principale se dirige en di-rection de la position du radar en bande X. Les simulations montrent la même évolution, puis elle disparaît à proximité du radar environ 100 min après le début des précipita-tions, soit environ 10 min de plus que dans les observations. Les cellules « secondaires » perdent rapidement de leur intensité.
Si l’on compare ces résultats avec ceux obtenus dans le chapitre 3, nous pouvons remarquer que le lieu de formation de la cellule est identique ainsi que leur évolution en direction de la position du radar en bande X. Cependant, si l’on compare les champs de réflectivité radar, on peut remarquer que celui obtenu avec le schéma microphysique « bulk » est plus morcelé que celui obtenu avec le schéma « bin » de la microphysique (comparaison, par exemple, entre les figures 4.4b et 3.7). De plus, l’intensité du champ de réflectivité radar simulé avec le schéma microphysique « bin » atteint un maximum d’environ 50 dBZ alors qu’il n’est que d’environ 45 dBZ avec le schéma « bulk » de la microphysique. Enfin, dans le cas « bulk », les pluies intenses (correspondant au maximum de la réflectivité radar) sont plus courtes (≈ 10 min) que dans la situation « bin » (≈ 35 min) présentée dans le chapitre 3.
Nous avons pu remarquer, grâce à la figure 3.11, que le système du 12 août 2007 si-mulé avec le schéma « bin » de la microphysique est composé de plusieurs cellules. Avec la représentation « bulk », nous pouvons voir sur la figure 4.5 qu’il existe également plusieurs cellules. Ces cellules sont cependant moins nombreuses (correspondant aux cellules B, D et E de la figure 3.11) et beaucoup moins intenses. La figure 3.11 montre que quatre cellules intenses se sont d’abord formées simultanément au-dessus du som-met « Champ de Feu » alors qu’une seule ne s’est formée dans la situation utilisant la microphysique « bulk ». Ensuite, la cellule D issue de la représentation « bin » continue de fournir des précipitations durant 30 min. Au contraire, la même cellule dans la repré-sentation « bulk » fournit des précipitations seulement durant 15 min. Le comportement est similaire pour la cellule correspondant à la cellule E de la figure 3.11. Ainsi, les dif-férentes cellules formées dans la représentation « bulk » ont une phase de maturation beaucoup plus courte que dans la situation du chapitre 3 utilisant une représentation « bin ».
La figure4.5montre la quantité de pluie au sol simulée pour la période de 13h-14h40. Nous pouvons remarquer que les précipitations ont essentiellement arrosé le sommet « Champ de Feu » situé au Nord des Vosges. Si nous comparons cette répartition de pluie au sol avec celle obtenue lors des simulations utilisant la microphysique détaillée,
réalisées au chapitre précédent, nous pouvons remarquer que la surface arrosée est lé-gèrement plus étendue dans le cas qui utilise la microphysique « bulk ». Néanmoins, l’intensité des pluies dans le cas « bulk » est beaucoup moins intense que dans le cas détaillé (voir figure 3.10).
Fig. 4.5 – Cumul de pluie au sol après 90 min de simulation pour le cas du 12 août 2007 avec l’utilisation du schéma « bulk » de la microphysique. Le triangle noir représente le pluviomètre situé au Hohwald et la croix noire symbolise la position du radar en bande X.
Le tableau 4.1 montre les résultats des simulations utilisant soit la microphysique détaillée (voir chapitre 3) soit la microphysique « bulk ». La pluie maximale absolue est de 7.42 mm pour le cas détaillé et de seulement 2.65 mm pour le cas « bulk ». L’accumulation moyenne de pluie suit la même tendance. À l’aide du tableau 4.1, nous pouvons aussi détecter une augmentation d’un facteur 1.5 de la surface arrosée dans le cas « bulk ». La pluie est en moyenne 4 fois moins importante dans ce cas, cependant, la quantité totale d’eau tombée au sol dans le cas « bulk » est, tout de même, de 0.21 Mt (soit ≈ 2.8 fois moins que dans le cas détaillé).
Nous avons vu dans le chapitre précédent que le système convectif du 12 août 2007 a arrosé le pluviomètre situé au Hohwald apportant un cumul de pluie de 5.2 mm, d’après les observations. Avec la simulation détaillée, l’estimation de ce cumul est du même ordre de grandeur mais avec la simulation « bulk », cette sous-estimation atteint 70%.
Cumul Pluie Surface Pluie Cumul à Le max (mm) moyenne (mm) arrosée (km2) totale (Mt) Hohwald (mm)
Schéma « bin » 7.42 1.74 337 0.59 5.1
« bulk » 2.65 0.40 518 0.21 1.5
Tab. 4.1 – Valeurs totales, maximales et moyennes des pluies, ainsi que l’aire arrosée après 1.5 h de précipitations pour le cas du 12 août 2007 simulé avec une représentation « bin » (voir tableau3.4 du chapitre 3) et « bulk » de la microphysique. La quantité totale de pluie (en Mégatonnes) et la surface arrosée ont été calculées en prenant en compte tous les points de surface ayant un cumul de pluie > 0.1 mm.
Ainsi, en comparant les observations radar avec les résultats de simulation « bulk », nous pouvons remarquer que le modèle reproduit convenablement la formation et l’évo-lution de la cellule convective mais sous-estime largement la quantité de pluie. On peut donc constater que la microphysique « bin » donne des résultats supérieurs, même avec un cadre dynamique légèrement plus simplifié. Il serait alors préférable d’utiliser une mi-crophysique détaillée (qui est difficile pour des modèles de prévision) ou éventuellement utiliser d’autres schémas que celui de Berry et Reinhardt (1974a,b) plus appropriés.
c) 13 août 2007 : Initiation dans la vallée du Rhin.
Selon les observations radar du 13 août 2007, un système convectif se forme dans la vallée du Rhin au-dessus d’Entzheim à 12h40 UTC. Ce système reste stationnaire pendant 20 minutes alors qu’une seconde cellule convective de plus faible intensité se forme à proximité de la position du radar en bande X à 12h50. La figure 4.4c montre les observations radar à 12h54 UTC, soit 5 min après la formation des précipitations. Les deux cellules y sont représentées, la première au-dessus d’Entzheim et la seconde proche du radar en bande X. Ensuite, la cellule proche du radar se déplace vers l’Est et se rassemble à la première cellule pour n’en former plus qu’une. Cette dernière formée se déplace en direction de Strasbourg et poursuit son trajet dans la vallée du Rhin.
Dans les simulations, comme pour les observations, une première cellule se forme près d’Entzheim et reste stationnaire. Après 10 min, une seconde cellule se forme 5 km à l’Est du radar en bande X. La figure 4.4c montre la situation 5 min après la formation de la seconde cellule. Avec les champs de réflectivité radar observé et simulé, nous pouvons remarquer que l’intensité de la première cellule, qui est plus étendue, est sous-estimée et que le point d’initiation de la seconde cellule est décalé d’environ 5 km à l’Est du radar en bande X. De plus, les extensions horizontales des deux cellules sont légèrement différentes des observations. La cellule simulée la plus au Nord-Est est légèrement plus étendue que celle observée, et la seconde cellule simulée est significativement moins étendue. Par la suite, les simulations montrent un comportement similaire aux observations, à savoir un déplacement vers l’Est de la seconde cellule, puis une réunification avec la première cellule et enfin, un déplacement de l’ensemble vers Strasbourg et la vallée du Rhin pendant environ 1.5 h. Ainsi, la comparaison entre les simulations et les observations pour le 13 août sont raisonnables.