Comparaison des modèles microphysiques EXMIX et DESCAM
2 Le problème de l’activation des particules d’aérosol
2.4 Impact sur les résultats
1 ) (T =
f si T est supérieur à Tlim (44)
) ( ) ( 1 )
(T P T P Tlim
f = + − sinon.
Dans le cas de CCOPE, un bon accord entre les modèles DESCAM et EXMIX a été obtenu avec Tlim=-20 °C. La courbe f(T) correspondante est visible sur la figure 2.7.
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Temperature (°C) 0
5 10 15 20 25 30 35
V(0 °C) / V(T)
20 nm, 102%
20 nm, 101.2%
200 nm, 102%
200 nm, 100.1%
fonction f(T) pour Tlim=-20°C
Figure 2.7 : Rapport entre la vitesse de croissance d’une particule à la température T=0 °C sur cette même vitesse à la température T, en fonction de la température T et pour plusieurs valeurs de la sursaturation et deux tailles de particules d’aérosol (20 et 200 nm).
2.4 Impact sur les résultats
L’évolution du nombre des gouttes en fonction du temps à 7.5 km lorsque le facteur de correction en température f(T) est appliqué dans DESCAM a été ajoutée sur la figure 2.4a. On a maintenant un bien meilleur accord entre les résultats de DESCAM et d’EXMIX aussi bien du point de vue de l’allure des courbes que du point de vue du nombre total de gouttes simulé. Sur la figure 2.5, on remarque à la fois l’absence du pic des gouttes autour de 1 µ m et la présence de particules d’aérosol humides jusqu’à 400 nm quand on utilise la fonction f(T) dans DESCAM. L’activation à 7.5 km a bien été limitée.
A partir de la taille 4 µm, les spectres des gouttes simulés par DESCAM sont superposés que l’on utilise ou non le facteur f(T). Il s’agit donc de gouttes qui ont été transportées depuis des couches inférieures où la température est plus élevée et l’activation fonctionne correctement.
La figure 2.8 montre les spectres des gouttes à 7.5 km et après 37 minutes d’intégration dans DESCAM avec et sans la correction de l’activation en fonction de la température. Sans le facteur f(T), le spectre des gouttes montre un maximum autour de 3 µm, maximum qui est absent quand on utilise le facteur f(T). Cette différence dans l’allure des spectres se reflète dans le calcul du rayon moyen : 17 µm pour DESCAM avec f(T) mais seulement 13 µm pour DESCAM sans f(T). Néanmoins, les valeurs du contenu en eau et du rayon effectif déduites de ces deux spectres sont peu différentes, car ces paramètres sont principalement déterminés par les grandes gouttes.
1 2 3 4 5 6 7 8 910 20 30 40
Rayon (µm) 1
10 100
dN/dlnr (cm-3)
h=7.5 km, t=2220 s DESCAM
DESCAM avec f(T)
Figure 2.8 : Spectres des gouttes à 7.5 km après 37 minutes d’integration pour le modèle DESCAM avec et sans correction de la nucléation des gouttes pour les basses températures.
Le cas de CCOPE est un nuage en phase mixte. Il convient donc de s’intéresser également à la phase glace : est-t-il possible que la surestimation du nombre des gouttes dans les hautes altitudes entraîne une surestimation du nombre des cristaux ? La figure 2.9 montre l’évolution du nombre des cristaux de glace à 7.5 km. Contrairement à ce qui se passe pour les gouttes, le nombre des cristaux est presque inchangé avec ou sans correction du processus d’activation avec le facteur f(T). A 7.5 km, la température est d’environ -30 °C. De ce fait, la nucléation homogène n’est pas encore active et seule la nucléation hétérogène est à considérer. La sursaturation par rapport à la glace atteint la valeur maximale de 35% à cette altitude. D’après la formule de Meyers et al. (1992) (cf.
chapitre 1, équation 9), 0.05 cristaux par cm-3 vont être produits, à comparer aux 130 gouttes par cm-3 qui sont présentes (pour EXMIX, cf. Fig. 2.4a). Dans le cas de la
nucléation hétérogène, la sursaturation est le facteur limitant le nombre de cristaux produits. Le nombre de cristaux est donc indépendant du nombre de gouttes présentes dans la couche et de ce fait, on n’a pas de surestimation du nombre des cristaux dans DESCAM même quand le processus d’activation pour les gouttes n’est pas corrigé en fonction de la température.
1600 1650 1700 1750 1800
Time (s) 0
0.5 1 1.5 2 2.5
Ni (cm-3)
h=7500 m EXMIX DESCAM
DESCAM avec f(T)
Figure 2.9 : Nombre des cristaux (cm-3) à 7.5 km en fonction du temps.
Pour les altitudes supérieures à 8 km, la nucléation homogène est maintenant à considérer. A 8.5 km, 70 gouttes par cm-3 sont présentes mais seulement 6 cristaux par cm-3 sont nucléés. Ainsi, même la nucléation homogène ne produit qu’un petit nombre de cristaux comparé au nombre de gouttes qui sont présentes. De plus, Monier et al. (2006) ont étudié différentes façons de représenter la nucléation homogène dans le modèle EXMIX et ont montré que, quelque soit le schéma utilisé, la congélation des gouttes les plus grosses est favorisée au détriment des petites tailles. La production incorrecte de petites gouttes par le schéma d’activation dans les hautes altitudes ne semble donc pas avoir de conséquences sur la formation des cristaux.
La surestimation du nombre des gouttes ne se propage donc pas à la phase glace par les processus de nucléation. Les gouttes en trop restant petites, elles influencent également peu les processus de collision-coalescence et de givrage. Les cumuls de pluie au sol sont donnés dans le tableau 2.1. On note une légère diminution du cumul quand l’activation est corrigée en fonction de la température. C’est dans le cas marin que la
différence est la plus marquée mais elle ne porte toutefois que sur les dizièmes de mm.
L’impact final sur la précipitation au sol est donc limité.
Tableau 2.1 : Cumul de pluie au sol (mm) dans DESCAM selon que l’on utilise ou pas le facteur f(T).
Cas continental Cas maritime
3200s 3600s 3200s 3600s
Avec f(T) 0.62 1.24 2.17 2.55
Sans f(T) 0.64 1.28 2.26 2.68
Cependant cette dernière conclusion est difficilement généralisable. Elle dépend étroitement de la formule utilisée pour décrire la nucléation hétérogène ainsi que du type de nuage simulé. Enfin, dans une dynamique 1D½, une bonne partie des gouttes nucléées en trop dans les hautes altitudes est perdue par échange avec le cylindre extérieur. Il est donc possible que la correction de l’activation puisse avoir des impacts plus importants dans un modèle 2D ou 3D.
Finalement, la nouvelle version du modèle DESCAM 1D½ se différencie donc essentiellement de la version originale de part le traitement des processus d’activation.
Les modifications apportées permettent une représentation plus réaliste du processus d’activation dans les régions où règnent des basses températures et évitent ainsi de surestimer le nombre des gouttes dans les hautes altitudes. Ces travaux sur la dépendance de l’activation des particules d’aérosol en fonction de la température ont d’ailleurs fait l’objet d’une publication (Leroy et al., 2007a). Cette nouvelle version de DESCAM sera utilisée dans toute la suite de cette étude. Nous allons maintenant présenter les résultats obtenus pour la simulation du cas de CCOPE avec les modèles EXMIX et DESCAM.