Etude d’un cas de convection moyenne dans la région des Cévennes-Vivarais –
4 Simulation avec la microphysique froide
4.2 Etude de la précipitation au sol .1 Evolution générale
La figure 4.8 montre la répartition du cumul de pluie au sol après 2 (Fig. 4.8a) et 4 heures d’intégration (Fig. 4.8b). D’après la figure 4.8b, les cumuls maximums sont trouvés principalement sur les montagnes : au cours de la simulation les premières pluies se produisent sur les versants des reliefs (Fig. 4.8a) et au fur et à mesure de l’intégration, la pluie s’étend sur les zones d’altitude moins élevée et va même pratiquement jusqu’à la mer (Fig. 4.8b).
0 20 40 60 80 100 AA’ représente la coupe verticale utilisée dans ce chapitre pour les figures 4.5, 4.6 et 4.14.
4.2.2 Comparaison avec les mesures du disdromètre placé à Alès
La figure 4.9 montre l’évolution du cumul de pluie au sol pour un point de grille proche d’Alès. On observe une forte augmentation du cumul entre 23 h et 23 h 40 UTC qui est attribuable à la fin de l’épisode convectif qui a commencé avant minuit et que le modèle ne peut reproduire car il est initialisé avec le sondage de 23 h UTC. Pour cette raison, nous allons nous limiter aux observations effectuées après 23 h 40, comme nous l’avons déjà mentionné au paragraphe 3.
Dans la simulation, les premières pluies commencent à Alès un peu avant 2 h d’intégration, soit vers 1 h du matin UTC. Ainsi, on peut ainsi estimer que le temps mis par le modèle avant d’arriver à une situation stationnaire est d’environ 1 h 10 min. Dans la suite de ce chapitre, nous tiendrons donc compte d’un décalage de 1 h 10 min lorsque nous comparerons les résultats du modèle et les observations. Sur la figure 4.9 comme sur les figures suivantes, les courbes correspondant aux observations avec un décalage temporel de +1 h 10 min seront représentées en gris.
L’évolution du cumul observé peut se diviser en trois phases, notées A, B et C sur la figure 4.9, en fonction de la pente de la courbe. La première phase A dure environ 2 h 30 et pour cette partie de la courbe, la pente peut être évaluée à 2 mm h-1. L’augmentation du cumul est plus rapide pendant la phase B, avec une pente de l’ordre de 9 mm h-1, et cette situation perdure pendant environ 1 h 20 min. Après cette phase où les précipitations sont plus soutenues, on revient à une situation avec des caractéristiques identiques à celle de la phase A : la pente de la courbe dans la phase C est de l’ordre de 2 mm h-1.
a) b)
23 0 1 2 3 4 5 time (h UTC)
0 5 10 15 20 25
rain accumulation (mm)
observed simulated
-6 mm
+1 h 10 min A
B
C
t1
t2
t3
t4
Figure 4.9 : Cumul de pluie au sol recalculé à partir des données du disdromètre (courbes continues) et simulé à Alès (X=79 km, Y=85 km, ligne pointillée). La courbe en gris correspond aux observations avec un décalage temporel de +1 h 10 pour tenir compte du spin-up du modèle.
Pour ce qui est des résultats du modèle, entre 1 h et 3 h 30 min, le cumul simulé à Alès augmente de façon linéaire et la pente de la courbe simulée est cohérente avec les observations pendant la phase A (Fig. 4.9). De même autour de 3 h 30 d’intégration, la pente de la courbe change (environ 7 mm h-1) et le cumul augmente plus fortement. Enfin, vers 4h du matin, les résultats du modèle montrent également un retour à une situation proche de celle simulée entre 1 h et 3 h 30 du matin. Du point de vue des pentes des courbes dans les trois phases A, B et C, les résultats du modèle sont ainsi en bon accord avec les observations du disdromètre. La principale différence réside dans la durée de la phase B qui est de seulement 30 min dans le modèle par rapport à 1 h 20 dans les observations.
La figure 4.10 représente l’évolution du flux de pluie au sol observé et simulé par le modèle. Entre 1 h et 3 h les flux simulés et observés sont du même ordre de grandeur, toujours inférieurs à 5 mm h-1. Vers 3 h 20, on a bien une augmentation du flux simulé avec un pic à 9 mm h-1, puis on retrouve des valeurs inférieures à 4 mm h-1 en fin de simulation. Pendant les 30 min que dure la phase B dans le modèle, les flux simulés sont en accord avec ceux observés, mais encore une fois, cette phase ne dure pas assez longtemps pour atteindre des valeurs de flux et de cumul aussi importantes qu’observés.
La figure 4.11 compare les valeurs simulées et observées pour la concentration et le diamètre moyen des gouttes de pluie. Pendant la phase notée A sur la figure 4.9, il est intéressant de constater que bien que le modèle reproduise correctement les valeurs de
cumul et de flux observés (cf Figs. 4.9 et 4.10), le nombre de gouttes simulé est par contre bien supérieur à celui observé et le rayon moyen des gouttes est généralement inférieur.
C’est pendant les 30 minutes correspondant à la phase B dans le modèle que l’on note le meilleur accord entre simulation et observations. Entre 3 h 15 et 3 h 45, le nombre des gouttes reste compris entre 1200 et 2000 m-3 et le diamètre moyen augmente de 0.5 à 0.9 mm dans les simulations comme dans les observations.
1 2 3 4 5
time (h) 0
4 8 12 16
rain flux (mm h-1)
simulated observed (+1h10)
Figure 4.10 : Flux de pluie au sol calculé à partir des données du disdromètre (ligne grise) et simulé par DESCAM 3D à Alès (ligne pointillée).
1 2 3 4 5
Time (h) 0
500 1000 1500 2000 2500
Drop Concentration (m-3)
simulated observed (+1h10)
1 2 time (h)3 4 5
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2
mean diameter (mm)
simulated observed (+1h10)
Figure 4.11 : Nombre (Fig. 4.11a) et diamètre moyen (Fig. 4.11b) des gouttes de pluie (diamètre > 64 µm) à la surface calculés d’après les mesures du disdromètre (ligne continue) et simulés (ligne pointillée).
a) b)
La figure 4.12 compare les spectres en masse des gouttes de pluie mesurés et simulés, en prenant toujours en compte un décalage d’1 h 10 entre observations et résultats du modèle. Spectre mesurés et simulés sont représentés pour quatre moments choisis notés t1
à t4 sur la figure 4.9. Comme pour les figures 4.9 à 4.11, les résultats de la simulation ne sont pas moyennés sur une partie du domaine mais bien tracés pour le point du domaine correspondant à Alès.
Les spectres de la figure 4.12a correspondent à la phase A (cf. Fig. 4.9). Comme suggéré par la figure 4.11, les gouttes de pluie sont plus petites dans la simulation. Sur la figure 4.12b, les spectres sans symboles correspondent à la phase B pour à la fois les observations et le modèle. On a à ce moment un très bon accord entre simulation et mesures du disdromètre. Enfin, les spectres avec des losanges sur la figure 4.12b correspondent à la fin de la phase B/début de la phase C pour les observations mais clairement à la phase C pour le modèle. Le modèle produit une masse plus faible de gouttes mais on a tout de même un bon accord entre les spectres pour les grandes tailles (diamètre supérieur à 1.1 mm).
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
diameter (µm) 0.001
0.01 0.1
dM (g m-3)
observed simulated
t1
t2
t1
t2
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
diameter (µm) 0.001
0.01 0.1
dM (g m-3)
observed simulated
t3
t4
Figure 4.12 a et b: Spectres en masse des gouttes de pluie mesurés (traits continus) et simulés (traits pointillés) pour les 4 moments t1 à t4 donnés sur la figure 4.9.
En résumé, le modèle est capable de reproduire trois phases différentes A, B et C pour les précipitations sur Alès. Pendant la phase A, le cumul de pluie au sol suit une évolution quasi-identique à celle observée et les flux simulés restent inférieurs à 5 mm h-1 pendant toute la durée de cette phase ce qui est en accord avec les observations. L’analyse en détail des spectres de pluie montre cependant que le modèle produit des gouttes de pluie plus petites mais en beaucoup plus grand nombre par comparaison avec les données du disdromètre. Durant la phase B, les spectres observés montrent des gouttes de taille plus petites que pendant la phase A, et maintenant l’évolution du cumul, du flux ainsi que
a) b)
l’allure des spectres simulés sont cohérents avec les observations. Par contre, cette phase de précipitations plus soutenues ne dure pas assez longtemps dans le modèle par rapport aux observations. Le modèle passe rapidement à la phase C pour laquelle les caractéristiques de la pluie au sol (flux, accumulation) retrouvent des évolutions similaires à celle de la phase A, comme c’est également le cas dans les observations.
Entre la phase A et la phase B, les spectres observés sont différents (cf. Fig. 4.12a et b) : le rayon moyen calculé à partir de ces spectres en masse passe d’environ 1.4 mm pendant la phase A à seulement 800 µm pendant la phase B. Les processus microphysiques responsables de la formation des gouttes de pluie doivent certainement être différents entre les phases A et B. Cette explication va être approfondie grâce à l’étude du profil de réflectivité radar au paragraphe suivant.