Evolution générale du nuage convectif

La figure 3.26 représente le vent vertical suivant une coupe (voir Fig. 3.29) à travers le domaine simulé après 36, 38 et 40 minutes d’intégration pour les cas propre et pollué.

Dans le cas propre, on a à 36 min, une forte ascendance autour de X=25 km entre les altitudes 2 et 8 km. Une deuxième ascendance forte autour de X=22 km commence à se développer au dessus de 6 km d’altitude. A 38 min, les deux ascendances décrites ci-dessus sont toujours présentes mais la première s’est plutôt affaiblie tandis que la seconde s’est développée et atteint maintenant 9 km. A 40 min, les deux ascendances sont toujours visibles sur la figure 3.26, mais toutes les deux occupent des altitudes supérieures à 6 km.

En dessous de 5 km, les vitesses verticales sont inférieures à 15 m s^-1.

La coupe du vent vertical à 36 min dans le cas pollué montre aussi la présence de deux ascendances respectivement autour de X=25 et X=22 km environ. Cependant l’ascendance autour de X=22 km est bien plus développée que dans le cas propre : la figure 3.26b ressemble finalement à la figure 3.26c pour le cas propre mais à 38 min. De même, les figures 3.26d et 3.26e montrent des similitudes : les ascendances visibles sur ces figures occupent maintenant des altitudes supérieures à 6 km. Dans le cas pollué, seule l’ascendance en X=25 km subsiste à 38 min et son sommet a déjà atteint les 10 km d’altitude. Enfin, à 40 min, cette même ascendance n’est plus visible, par contre un nouveau noyau convectif se développe à partir de la base du nuage. Ainsi, il est intéressant de constater avec la figure 3.26 que l’utilisation de spectres différents pour initialiser les particules d’aérosol dans les basses couches conduit à une modification importante de la dynamique du nuage et ceci sur l’ensemble des couches nuageuses et

10 15 20 25

t=36 min

0 5 10 15

10 15 20 25

t=36 min

0 5 10 15

Z in km

10 15 20 25

t=38 min

0 5 10 15

10 15 20 25

t=38 min

0 5 10 15

Z in km

- clean case - polluted case

-10 15 20 25

X in km

t= 40min

0 5 10 15

Z in km

10 15 20 25

X in km

t=40 min

0 5 10 15

Figure 3.26 : Vent vertical (m s^-1) après 36, 38 et 40 minutes d’intégration pour une même coupe CC’

à travers le domaine simulé (voir Fig. 3.29) et en fonction du spectre initial des particules d’aérosol (situation propre ou polluée). Les conventions de couleur sont les mêmes que pour les figures 3.16 ou encore 3.14.

a) b)

c) d)

e) f)

non pas uniquement dans les basses couches. De plus, il semble que le nuage qui se forme pollué alors qu’il reste autour de 11 km dans le cas propre. Le nuage dans le cas propre se développe à la fois dans les directions verticales et horizontales : l’enclume du nuage dans le cas propre est toujours plus étendue que celle du nuage dans le cas pollué.

10 15 20 25

Figure 3.27 : Contenu en eau et en glace (g m^-3) après 38 minutes d’intégration selon la même coupe que la figure 3.26 pour les cas propre et pollué. Les zones en gris représentent les contenus en eau et glace nuageuses. Les iso-contours noirs sont pour les contenus en hydrométéores de taille précipitante.

La figure 3.27 montre la répartition spatiale de l’eau nuageuse, de la pluie et de la glace après 38 minutes d’intégration et pour les cas propre et pollué selon la même coupe

a) b)

c) d)

verticale que la figure 3.26 mais à 38 min uniquement. On voit que la formation de la pluie est quasiment inhibée dans le cas pollué : le contenu maximal en eau précipitante est de 0.09 g m^-3, ce qui reste inférieur à 0.1 g m^-3 qui est la plus petite valeur utilisée pour les iso-contours dans la figure 3.27. A l’inverse, des gouttes de pluie sont présentes entre 0 et quasiment 10 km dans le cas propre et il pleut sur une zone au sol assez large.

Dans le cas propre, les contenus en eau totale (nuageuse + précipitante) les plus importants sont concentrés dans la partie basse du nuage : entre 3 et 7 km d’altitude, le contenu en eau de pluie est supérieur à 5 g m^-3 et celui en eau nuageuse à 1 g m^-3. Dans le cas pollué, il faut monter au-dessus de 6 km pour avoir un contenu en eau total supérieur à 6 g m^-3. Pour la phase glace, le contour 1 g m^-3 pour les cristaux précipitants descend autour de 6 km d’altitude dans le cas propre et reste au dessus de 7 km d’altitude dans le cas pollué. Le poids des hydrométéores dans le nuage est donc réparti de façon complètement différente entre les cas propre et pollué. Dans le cas propre, la grande masse des hydrométéores se situe dans les couches entre 3 et 7 km et constitue un frein pour les mouvements verticaux. L’ascendance principale (en X=25 km sur la Fig. 3.26a) a alors du mal à se développer et les vitesses verticales de 20 m s^-1 sont confinées aux altitudes inférieures à 8 km. A l’inverse, dans le cas pollué, l’essentiel de la masse des hydrométéores est reléguée au dessus de 6km. Le noyau convectif (en X=24 km sur la Fig. 3.26b) n’a pas été gêné par le poids des gros hydrométéores dans les basses couches et a donc pu se développer pour atteindre et même dépasser les 10 km. Khain et al. (2005) trouvent des changements semblables sur la dynamique d’un nuage convectif lors du passage d’un spectre marin à un spectre continental. Un spectre d’aérosol de type marin provoque la formation rapide de grosses gouttes de pluie qui tombent dans l’ascendance et les vitesses verticales simulées sont faibles. A l’inverse, un spectre d’aérosol continental limite la formation de grosses gouttes et les vitesses verticales simulées sont plus fortes.

Khain et al. (2005) notent également que pour une masse d’air continentale, les vitesses verticales plus fortes permettent au nuage d’avoir un sommet plus élevé en altitude. Dans nos simulations, le nuage du cas pollué atteint effectivement presque les 12 km d’altitude tandis que dans le cas propre, le sommet du nuage est autour de 11 km.

L’extension horizontale de l’enclume apparaît également comme plus importante dans le cas propre que dans le cas pollué.

Dans le cas propre, la catégorie « précipitante » est dominante en terme de contenu pour l’eau comme pour la glace. Dans le cas pollué, on a déjà noté qu’il n’y a pas d’eau précipitante en quantité significative. En revanche, en ce qui concerne la phase glace, le contenu maximal se situe autour de 2 g m^-3 quelque soit la catégorie considérée (« nuageuse » ou « précipitante »). Ceci s’explique par la définition choisie pour ces deux

catégories dans le modèle : les hydrométéores de diamètre inférieur à 80 µm sont considérés comme nuageux, ceux de diamètre supérieur à 80 µm comme précipitants. Sur la figure 3.28, on voit que dans le cas pollué, la masse des cristaux de glace est concentrée autour de 80 µm de diamètre à 10 km d’altitude et autour de 100 µm à 8 km. La masse de glace se répartit donc plus ou moins équitablement entre les deux catégories

« nuageuses » et « précipitantes ».

Dans le cas propre, les spectres des cristaux en masse à 10 et 8 km sont très différents.

A 10 km d’altitude, la masse totale de glace est beaucoup plus faible que dans le cas pollué et le maximum dans le spectre se situe autour de 90 – 100 µm. Par contre, à 8 km, la masse des cristaux est maximale autour de 6 mm de diamètre, et la glace nuageuse est quasi inexistante à cette altitude. Ainsi, même si la masse en glace précipitante à 8 km est du même ordre de grandeur dans les cas propres et pollués (>1 g m^-3), la taille des cristaux précipitants est complètement différente.

10 100 1000 10000

Diameter (µm) 0.01

0.1 1

dM/dlnr (g m-3)

8 km clean polluted 10 km

clean polluted

Figure 3.28 : Spectres moyens en masse des cristaux de glace à 8 et 10 km d’altitude et après 38 minutes d’intégration.