4.3 Des LES à la paramétrisation
5.1.3 La convection profonde dans LMDZ
Le schéma de convection profonde en développement dans le modèle LMDZ est une version modifiée du schéma d’Emanuel (1991). Les fondements du schéma sont conservés, avec la prise en compte d’une colonne convective composée de flux de masse saturés, ascendants ou descendants, accompagnée de descentes précipitantes (flux insaturés) (cf fig. 5.3). Certaines améliorations ont été apportées afin de réduire la dépendance du schéma à la discrétisation verticale. En particulier, alors que le déclenchement de la convection a lieu si la flottabilité dans l’ascendance est positive au niveau de grille supérieur au niveau de condensation dans la version initiale, le test de flottabilité s’effectue à 40 hPa au dessus du niveau de condensation dans la nouvelle version. C’est cette version plus robuste qui est utilisée dans la version standard LMDZ4 (Hourdin et al., 2006). Une nouvelle amélioration a été apportée dans la version que nous utilisons : alors que la colonne convective s’alimente dans la première couche du modèle dans la version initiale, une épaisseur de la couche d’alimentation indépendante de la résolution verticale peut désormais être fixée. En plus de ces aspects numériques, trois modifications majeures ont été apportées au schéma d’Emanuel (1991). Elles concernent le déclenchement de la convection, son intensité définie par la fermeture, ainsi que la définition du mélange entre l’air ascendant et l’environnement. Au-delà des remarques concernant la mise en œuvre du modèle, le schéma a effectivement été modifié dans son essence, par la prise en compte de nouvelles considérations physiques. C’est cette nouvelle approche que nous voulons maintenant décrire. Le schéma modifié est toujours dédié à la représentation de la convection profonde seule. Il peut exister indépendamment d’un schéma de convection peu profonde. Le couplage avec le modèle du thermique ne sera abordé que dans un second temps. Même si nous n’abordons pas la représentation de la microphysique des nuages dans les paramétrisations, notons tout de même que dans la version du schéma d’Emanuel (1991) utilisée ici, la phase glace n’est pas représentée. La convection contrôlée par les processus sous-jacents
Deux aspects sont importants pour le contrôle de la convection : les conditions dans lesquelles la convection profonde apparait, et la détermination de l’intensité convective. Ces deux aspects corres- pondent aux notions de déclenchement et de fermeture. Dans la nouvelle version, la condition de dé- clenchement repose toujours sur le dépassement de la CIN. C’est le calcul de l’énergie disponible pour vaincre la CIN qui est modifié. Alors que cette énergie est évaluée à partir de la flottabilité des particules 40 hPa au-dessus du niveau de condensation dans la version standard, cette énergie est désormais fournie par les processus ayant lieu en dessous du niveau de condensation. La nouvelle version se distingue aussi de la version initiale par la fermeture utilisée. La fermeture en CAPE, qui consiste à relier le flux de masse à la base des nuages à la CAPE calculée au-dessus du niveau de condensation, est remplacée par une fermeture utilisant une énergie potentielle disponible à la base des colonnes convectives, et fournie par les processus ayant lieu en-dessous du niveau de condensation ou processus sous-jacents. L’intensité convective est alors elle aussi contrôlée par les processus ayant lieu en dessous du niveau de conden- sation. Ainsi, le schéma d’Emanuel (1991) a été modifié dans LMDZ par Cheruy et al. (2000), afin de “sous-traiter” le déclenchement et la fermeture aux processus sous-jacents. Ces processus englobent les processus de couche limite (cellules convectives associées à la convection peu profonde), les effets du relief (soulèvement d’air conditionnellement instable) et le rôle des poches froides engendrées par l’évaporation des précipitations (qui soulèvent l’air qu’elles rencontrent).
Déclenchement de la convection profonde
Les approches développées au LMD sont basées sur l’image de colonnes convectives prenant nais- sance dans la couche limite, et dont certaines atteignent leur niveau de convection libre et pénètrent dans la troposphère libre. Si l’énergie cinétique des panaches à leur niveau de condensation est suffisante pour dépasser localement la CIN, alors la convection profonde se déclenche. On introduit l’énergie de soulè- vement ALE (pour Available Lifting Energy) en J kg−1
164 CHAPITRE 5. LA TRANSITION VERS LA CONVECTION PROFONDE
FIG. 5.3 – Représentation schématique d’une colonne convective telle qu’elle est paramétrisée par le schéma d’Emanuel (1991) : ascendance adiabatique subissant différents mélanges avec l’environnement, détrainement des particules à flottabilité neutre ; descentes précipitantes et descentes insaturées (par J.- Y. Grandpeix).
les différents processus sous-jacents. Ainsi, la condition de déclenchement de la convection profonde se définit par :
ALE > |CIN| (5.7)
Il suffit que ALE dépasse localement la CIN pour que la convection se déclenche. Ce dépassement peut être causé par la couche limite (ALEbl), le relief (ALEoro) ou les poches froides (ALEwake). L’énergie
comparée à la CIN se définit donc par ALE=max(ALEbl,ALEoro,ALEwake).
Dans les développements effectués jusque là au LMD, ALEbl était définie comme une constante de
l’ordre de 4 J kg−1
. Mais le modèle du thermique nuageux devrait fournir les caractéristiques nécessaires à une évaluation plus physique de cette énergie, permettant de plus de déterminer son évolution au cours du temps. Le relief a un effet à la fois thermique et dynamique sur la circulation dans la couche limite et une cartographie de ALEoroprenant en compte ces différents effets est actuellement en développement
(ALEoro est de l’ordre de 10 J kg−1). L’énergie de soulèvement fournie par les poches froides peut
atteindre plusieurs dizaines de J kg−1
.
Fermeture du schéma de convection
L’intensité de la convection se définit par la valeur du flux de masse traversant le niveau de condensa- tion. On définit cette intensité à partir de la puissance disponible pour la convection (ALP pour Available Lifting Power en W m−2
), fournie par l’ensemble des processus sous-jacents : ALP= ALPbl+ALPoro+ALPwake.
On cherche donc à déterminer le flux de masse à la base des nuagesMb. Une des hypothèses fortes du
schéma d’Emanuel (1991) est de considérer que seules les ascendances qui atteignent leur niveau de convection libre de façon adiabatique participent à la convection profonde. Ainsi, le flux de masse est conservé entre le niveau de condensation et le niveau de convection libre. Pour déterminerMb, on établit
l’ascendance, entre le niveau de condensation A et un niveau juste au-dessus du niveau de convection libre B. La puissance transportée est modifiée par les forces de flottabilité et la dissipation. Par simplicité, on prend en compte la dissipation en considérant qu’une fraction seulement de la puissance fournie par les processus sous-jacents est disponible au niveau A. On a donc :
1
2ρAσAw
3
A= kALP (5.8)
oùσ est la fraction couverte par les ascendances.
De plus, le bilan d’énergie entre les niveaux A et B s’écrit :
1 2ρBσBw 3 B = 1 2ρAσAw 3 A+ CIN × Mb (5.9)
la CIN étant le travail des forces de flottabilité entre A et B (CIN<0).
Si on séparewBentre une échelle organisée et une échelle plus petite supposée isotrope (w′B3 = 0), on
peut écrire :
w3
B= wB3+ 3wBw′B2 (5.10)
Pour finir, on suppose quew′2
B = k4wB2. Ainsi, le flux de masse à la base des nuages s’exprime par :
Mb = k
ALP
(1 + k4)w2B+ |CIN|
(5.11) Les variables wB etk4 sont des paramètres ajustables du modèle (wB=1 m s−1 etk4=1). Mb est de
l’ordre de quelques centièmes de kg m−2
s−1
.
Comme pour ALEbl, ALPbl est pour l’instant fixée à une constante, de l’ordre de 0.1 W m2. Le modèle
du thermique nuageux devrait permettre d’estimer la variation de cette puissance au cours de la journée. ALPwakeest de l’ordre de quelques W m−2, soit d’un ordre de grandeur similaire à celui de ALPbl.
Dans un premier temps, nous allons uniquement prendre en compte l’influence des processus de couche limite sur la convection profonde. L’effet du relief ne sera pas pris en compte. Nous reviendrons sur la paramétrisation des poches froides dans la dernière partie de ce chapitre.