Présentation de l’article

L’article qui suit s’attache à étudier l’impact de la convection très profonde

sur l’humidité de la stratosphère. La sensibilité des résultats à la résolution

hori-zontale est également décrite.

Les résolutions de 100 et 200 m donnent des résultats cohérents, ce qui peut

être attribué à un meilleur échantillonnage les tourbillons intra-nuageux et donc

à une moins grande incertitude liée à la représentation de ces tourbillons par

le schéma de turbulence. On parle de quasi-convergence aux résolutions

hecto-métriques car les résultats divergent avec un écart relatif inférieur à 20 % pour

l’hydratation de la stratosphère, mais la cohérence des simulations aux mailles

de 100 et 200 m est plus marquée encore au vu des propriétés des ascendances et

de l’évolution temporelle de l’eau en stratosphère. L’analyse d’une série de

simu-lations de convection océanique profonde, réalisée avec des grilles très similaires

à celles des simulations présentées ci-dessus, suggère même une convergence des

propriétés statistiques des ascendances avec des mailles de 100 et 200 m de côté

(Khairoutdinov et al., 2009).

L’hydratation nette de la stratosphère est quantifiée en intégrant le contenu

en vapeur d’eau entre 17 et 20 km d’altitude, en basse stratosphère, à la fin de la

simulation. Des coupes horizontales à 18 km d’altitude révèlent en effet la

pré-sence de grandes poches d’humidité au sommet de Hector (fig. 2 de l’article qui

suit). Les vents stratosphériques, dépassant les 6,5 m/s vers l’ouest-sud-ouest,

advectent rapidement ces poches d’humidité et conduisent à leur dispersion. À

18 h, le vent résiduel moyen a déjà conduit à un étalement de la poche principale

d’une quarantaine de kilomètres de large et à un diminution de la concentration

maximale de vapeur d’eau de 20 % (de 10 à 8 ppmv, soit une anomalie de +6 à

+4 ppmv par rapport à l’humidité de fond de la basse stratosphère : 4 ppmv). À

l’échelle de la planète, cette rapide dilution de l’injection de vapeur d’eau en

stra-tosphère pose question quant à nos capacités à détecter ces phénomènes brefs

et locaux. L’intégration du contenu en vapeur d’eau en fin de simulation indique

une hydratation nette de la stratosphère d’environ 3000 t d’eau.

La contribution de l’ensemble des phénomènes de convection très profonde

au flux d’eau de la troposphère à la stratosphère est évaluée à partir de

l’hydra-tation calculée pour Hector. La montée en échelle, de l’hydral’hydra-tation locale au flux

planétaire, nécessite de connaître la fréquence des événements pouvant

trans-porter de l’eau en stratosphère comme Hector. Les autres cas de convection très

profonde sont dénombrés à partir de cinq ans de détection des phénomènes

pré-cipitants par le radar à bord du satellite de la mission TRMM. Plus de 5500

sys-tèmes convectifs ont dépassé la tropopause à 380 K de température potentielle

et ont été détectés par le radar pendant ces cinq ans (Liu and Zipser, 2005). Or

le satellite ne permet au radar de couvrir l’ensemble de la bande tropicale que

par période de 42 jours. Ainsi, le nombre d’événements perçant en stratosphère

est plus imporant encore et on l’évalue à plus de 230 000 sur les cinq ans, soit

environ 130 événements par jour. En faisant l’hypothèse que, en moyenne, le

transport d’eau de ces événements égale celui calculé pour Hector, le flux d’eau

de la troposphère à la stratosphère par la convection est évalué à 3,5 10

kg/jour.

Comparé au flux total de 2 10

kg/jour (Lelieveld et al., 2007), la convection très

profonde contribue au transport total d’eau de la troposphère à la stratosphère

à hauteur de 18 %. Ce calcul est sujet à de grandes incertitudes. Tout d’abord,

il n’a pas été montré que l’hydratation moyenne des système convectifs très

pro-fonds est comparable à celui calculé pour Hector le 30 novembre 2005. Une très

grande variabilité de l’impact de ces systèmes convectifs a été relevée (Hassim

and Lane, 2010). L’intensité de Hector lui-même varie d’un événement à l’autre

(Gentile and Ferretti, 2016). Enfin, le dénombrement de ces systèmes convectifs

et le flux total d’eau de la troposphère à la stratosphère sont eux-même sujets à

de larges incertitudes. Pour autant, ce résultat semble indiquer que la convection

très profonde contribue de manière non négligeable au flux d’eau de la

tropo-sphère à la stratotropo-sphère.

L’hydratation de la stratosphère par la convection est l’effet final auquel

concourent plusieurs processus intra-nuageux. Le transport d’eau vers la

stra-tosphère est dû à d’intenses ascendances chargées en hydrométéores, tandis que

l’hydratation de la stratosphère est le fruit de la compétition entre la

sédimen-tation et la sublimation des hydrométéores glacés au sommet de Hector. En

tro-posphère, les ascendances sont définies comme l’ensemble des points où la

vi-tesse verticale dépasse 1 m/s. La distribution de leurs vivi-tesses verticales et de

leur contenu en eau indiquent de fortes valeurs pour le 99

centile : plus de

20 m/s entre 6 et 12 km d’altitude et plus de 11 g/kg d’hydrométéores entre 7

et 15 km d’altitude. Les valeurs des 90

et 99

centiles des vitesses verticales

et contenu en hydrométéores varient peu avec la résolution, excepté pour la

si-mulation à maille de 1600 m qui présentent des valeurs bien plus faibles. Cette

vigueur moins importante à basse résolution peut s’expliquer par un plus faible

entraînement de l’air chaud et humide dans les basses couches et à une

dissipa-tion turbulente et une diludissipa-tion plus importante en troposphère qui se traduisent

par une fraction nuageuse plus importante en troposphère libre. En stratosphère,

l’injection d’eau par Hector est illustrée par l’évolution temporelle du contenu en

eau au sommet de Hector. Le contenu en eau total augmente de l’équivalent de

10 ppmv entre 13 et 14 h (exception faite de la simulation à 1600 m qui a une

heure d’avance sur les autres). Dans le même temps, le contenu en vapeur d’eau

reste constant, indiquant que l’injection se fait sous forme de glace (l’eau liquide

est absente à ces altitudes). Pendant les quatre heures qui suivent, le contenu

en eau total diminue et celui en vapeur d’eau augmente, traduisant à la fois la

sédimentation d’une partie des hydrométéores glacés et la sublimation du reste.

2.4 Large-Eddy Simulations of Hector the Convector