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La phase glace

Dans le document The DART-Europe E-theses Portal (Page 72-75)

Comparaison des modèles microphysiques EXMIX et DESCAM

3 Simulation du cas de CCOPE – Comparaison des résultats d’EXMIX et DESCAM1D½

3.3 La phase glace

D’après les figures 2.12 et 2.13, un nuage assimilable à un cirrus est présent après 1000 s d’intégration vers 8.5 km d’altitude dans la simulation de DESCAM mais pas dans celle d’EXMIX. Bien que ce nuage élevé ne représente pas un contenu en glace très important (0.001 g m-3) en comparaison avec les valeurs relevées à l’intérieur du nuage convectif (jusqu’à 2 g m-3), nous allons nous intéresser à la formation de ces premiers cristaux dans le modèle DESCAM.

La figure 2.17 représente le profil initial d’humidité relative. Contrairement à la phase liquide, certaines couches sont déjà sursaturées par rapport à la phase glace, entre 7100 m et 8700 m. Dans ces couches, la nucléation des cristaux peut donc avoir lieu dès le début de la simulation. Comme aucune goutte n’est présente, on aura uniquement un

« transfert » depuis le réservoir des particules d’aérosol vers celui des cristaux de glace.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 Humidité relative (x0.01%)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Altitude (m)

par rapport à la glace par rapport à l'eau

Figure 2.17 : Profil initial d’humidité relative par rapport à la glace (trait continu) et par rapport à l’eau (trait pointillé) pour le cas de CCOPE. La zone en grisé permet de détecter les couches sursaturées dès le début de la simulation.

0.01 0.1 1 10

Rayon (µm) 0.001

0.01 0.1 1

dNi/dlnr (cm-3)

h=8500 m, t=0 s EXMIX DESCAM

Figure 2.18 : Spectres des cristaux de glace à 8.5 km d’altitude pour t=0 s. Le spectre simulé par EXMIX est tracé en pointillés. Pour DESCAM, tous les cristaux de glace sont regroupés dans la première classe autour de 1 µm et leur nombre est représenté par une barre d’histogramme en gris.

La figure 2.18 montre les spectres des cristaux pour les deux modèles à t=0 s. Les deux modèles produisent environ 40 cristaux par litre, mais ils sont répartis dans des classes différentes. Dans EXMIX, la grille pour les cristaux de glace commence autour

d’une dizaine de nanomètres. Le processus de nucléation va donc faire passer des particules d’aérosol légèrement humides dans le réservoir des cristaux de glace mais quasiment sans changement dans la taille : on ne forme pas vraiment des cristaux de glace mais plutôt des noyaux « glaçogènes » à partir desquels la phase glace va pouvoir se développer. Le spectre des cristaux a donc une allure identique au spectre initial des particules d’aérosol. En revanche, pour DESCAM, la grille des cristaux débute autour de 1 µm. La nucléation des aérosols humides qui sont majoritairement inférieurs en taille à 1 µm va donc donner lieu à une grande quantité de petits cristaux tous de 1 µm, ce que l’on voit sur la figure 2.18.

D’après la figure 2.17, la sursaturation des couches autour de 8 km est importante, elle dépasse les 30% autour de 8.4 km. Les noyaux « glaçogènes » ou cristaux formés par nucléation vont pouvoir grandir. Il sera alors plus facile d’atteindre la limite 0.001 g m-3 de glace dans le modèle DESCAM que dans EXMIX, limite utilisée dans la figure 2.12 pour les cristaux nuageux. Cependant, ces petits cristaux formés avant l’arrivée du nuage convectif dans ces hautes couches représentent un nombre négligeable (environ 40 l-1) en comparaison du nombre de cristaux qui se forment lorsque l’ascendance atteint ces couches un peu après 1800 s : jusqu’à 4000 cristaux par l-1 sont produits !

0 100 200 300 400 500 600 700

Rayon (µm) 0

0.01 0.02 0.03

dNi/dlnr (cm-3)

h=6000 m t=43 minutes

EXMIX DESCAM

0 100 200 300 400 500 600 700

Rayon (µm) 0

0.004 0.008 0.012 0.016 0.02

dNi/dlnr (cm-3)

h=5000 m t=43 minutes

EXMIX DESCAM

Figure 2.19 : Spectres des cristaux de glace après 43 minutes, à 6000 m (Fig. 2.19a) et à 5000 m (Fig.

2.19b) pour les modèles DESCAM (trait continu) et EXMIX (pointillés).

La figure 2.19 montre les spectres des cristaux à 6000 et 5000 m après 43 minutes d’intégration. Lorsque l’on passe de 6000 à 5000 m, on constate que le nombre total des cristaux diminue et le spectre s’élargit. Les spectres des deux modèles sont toujours similaires. On peut toutefois remarquer que pour la phase glace, les spectres les plus larges sont maintenant simulés par DESCAM. Les gros cristaux, en nombre supérieur

a) b)

dans DESCAM, sont responsables des différences dans le contenu en glace notées au paragraphe 3.1.

Au cours de l’évolution du nuage, de plus en plus de processus microphysiques entrent en jeu. Ainsi, lorsque qu’une couche devient sursaturée par rapport à l’eau, le processus principal de croissance des gouttes est la condensation, car il faut attendre que des gouttes dépassent les 20 µm pour le processus de collision-coalescence devienne véritablement efficace. On peut donc assez facilement rendre le processus de croissance par condensation responsable des différences observées dans les spectres des gouttes au début de la formation du nuage. Pour ce qui est des cristaux, ils sont nucléés à partir de gouttes qui se sont formées il y a déjà plusieurs minutes. Ensuite, la déposition de vapeur et le givrage se mettent en place et contribuent à la croissance des cristaux. Tous ces processus interviennent maintenant simultanément. Il devient alors de plus en plus difficile de trouver la source précise des différences que l’on peut noter entre les spectres simulés par DESCAM et EXMIX. De plus, nous avons déjà noté des différences dans les spectres des gouttes au tout début de la formation du nuage (cf. Figs 2.14 et 2.15). Ces différences initiales se sont propagées et ont pu conduire à une évolution légèrement différente dans les deux modèles. Pour ces deux raisons, plus nous nous éloignons en temps et en altitude de la formation du nuage (autour de 600 s et 3000 m), plus il est difficile de donner une explication précise à chaque différence observée dans les résultats des deux modèles. Pour la phase glace, nous nous limiterons donc au constat que les spectres simulés par DESCAM sont encore une fois cohérents avec ceux d’EXMIX même s’ils sont légèrement plus larges.

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