Processus microphysiques

La figure 4.4 pr´esente la r´epartition des processus microphysiques les plus actifs (conden-sation de la vapeur d’eau en nuage liquide 5et d´epˆot de vapeur sur la glace pr´ecipitante6

exclus) pour la restitution avec le champ de vent synth´etique multicellulaire. On y retrouve comme dans Hauser et al. (1988) trois zones d’activation du processus de condensation, et des processus de givrage et d’accr´etion du nuage liquide li´ees aux trois zones d’ascen-dances.

La carte de r´epartition des processus (cf figure 4.4) est similaire `a celle obtenue avec le champ de vent synth´etique de r´ef´erence (cf section 2.3) et les champs de vent du RONSARD (cf chapitre 3). On peut par cons´equent consid´erer que la r´epartition des processus principaux est caract´eristique des lignes de grains. On peut d´efinir un sch´ema

5

Sauf mention contraire on consid`erera que la condensation est la condensation de la vapeur d’eau en nuage liquide

6

Sauf mention contraire on consid`erera que le d´epˆot de vapeur est le d´epˆot de vapeur sur la glace pr´ecipitante

4.1. Restitutions microphysiques avec les champs de vent simul´es.

Fig.4.4 – R´epartition des processus microphysique les plus actifs pour la restitution avec le champ de vent synth´etique multicellulaire

g´en´eral de r´epartition des processus, avec du sol au sommet de la ligne de grains : – l’´evaporation de la pluie ;

– l’accr´etion du nuage liquide par la pluie et la condensation ; – la fonte des pr´ecipitations glac´ees ;

– l’accr´etion de la pluie par les pr´ecipitations glac´ees ;

– le givrage des gouttelettes de nuage liquide et la condensation ;

– le d´epˆot de vapeur sur les pr´ecipitations glac´ees et l’accr´etion du nuage glace par la glace pr´ecipitante ;

– l’accr´etion du nuage glace par la glace pr´ecipitante.

La partie convective est caract´eris´ee par un plus grand d´eveloppement vertical de la condensation, de l’accr´etion du nuage liquide en dessous de l’isotherme 0◦

C, et du givrage au dessus de l’isotherme 0◦

C. On note aussi dans la convection, l’importance du d´epˆot de vapeur sur les cristaux de nuage glace.

Processus sources et puits du nuage

Le nuage, et plus particuli`erement le nuage liquide est important dans la mod´elisation de la ligne de grains. En effet, la condensation ´etant un processus important, le nuage

liquide est en ´equilibre entre condensation, givrage et accr´etion. Il ne faut pas non plus n´egliger le nuage glace, qui mˆeme s’il intervient `a des altitudes plus ´elev´ees n’en reste pas moins une source significative de pr´ecipitations glac´ees.

La figure 4.5 pr´esente les deux processus intervenants dans la formation du nuage glace, `a savoir l’initiation (PINT) et le d´epˆot de vapeur/sublimation (PDEPI). L’initiation du nuage glace (PINT) est proportionnelle au nombre de noyaux gla¸cog`enes actifs. Ce processus est actif dans la convection et lorsque l’air est largement satur´e par rapport `a la glace, avec un maximum d’activit´e vers 12 kilom`etres d’altitude. Ce n’est pas un processus tr`es important en terme de production de nuage glace, mais il est important parce qu’il initie ce dernier. En effet, une fois les petits cristaux de glace form´es, ils grossissent par d´epˆot de vapeur (valeurs n´egatives de PDEPI). Ce processus est principalement actif entre 9 et 12 km d’altitude, dans l’ascendance, l`a ou l’air est sursatur´e par rapport `a la glace. En dehors des ascendances, quand l’air n’est plus satur´e, le nuage glace se sublime (valeurs positives de PDEPI).

(a) Initiation (g.kg−¹.s−¹) (b) D´epˆot de vapeur (g.kg−¹.s−¹) Fig. 4.5 – Processus de formation du nuage glace

Pour le nuage liquide, la condensation est active dans l’ascendance, et dans les zones satur´ees par rapport `a l’eau liquide (cf figure 4.6). L’´evaporation est principalement active au bord du nuage.

Comme d´ecrit pr´ec´edemment, la condensation est un processus tr`es important parce qu’`a la base de la chaˆıne de processus et `a l’origine des pr´ecipitations. Une grande partie de la vapeur d’eau condens´ee va rapidement s’´evaporer, ou se transformer (par autoconversion

4.1. Restitutions microphysiques avec les champs de vent simul´es.

ou accr´etion) en pr´ecipitations.

Dans la partie stratiforme, l’air n’est satur´e par rapport `a l’eau liquide que sur une ´epaisseur de moins de 2 km. La condensation est donc moins active que dans les ascen-dances convectives. A l’inverse l’´evaporation du nuage liquide est plus importante dans la partie stratiforme. Les valeurs du rapport de m´elange du nuage liquide sont coh´erents avec les restitutions de Szeto et Cho (1994a). La figure 4.6 pr´esente la moyenne sur des mailles de 500x300 m des processus de condensation et d’´evaporation car la structure de la condensation/´evaporation est en fines bandes, ce qui laisse `a penser que la para-m´etrisation de la condensation/´evaporation pourrait ˆetre am´elior´ee dans la m´ethode de restitution pour permettre une plus grande stabilit´e num´erique dans les zones proches de 100 % d’humidit´e relative.

(a) Condensation (g.kg−¹.s−¹) (b) Evaporation (g.kg−¹.s−¹)

Fig. 4.6 – Processus de condensation (a) et d’´evaporation (b) du nuage liquide. (On a fait la moyenne des processus pour des mailles de 500x300m)

Processus sources et puits de la glace pr´ecipitante

Les pr´ecipitations glac´ees ont plusieurs sources qui ont des domaines diff´erents d’ac-tivit´e (cf figure 4.7). En altitude, autour de 11 km, c’est l’accr´etion du nuage liquide par la neige qui est la plus active. En dessous, il y a comp´etition entre le givrage et le d´epˆot de vapeur, la comp´etition entre les deux processus ´etant modul´ee par les conditions de saturation et l’efficacit´e de la condensation au dessus de l’isotherme 0◦

C. Dans la partie stratiforme o`u la condensation est peu active, le d´epˆot de vapeur est nettement plus actif

que le givrage. A l’inverse, dans les ascendances o`u la condensation est tr`es active, le givrage est nettement plus actif que le d´epˆot de vapeur (cf tableau 4.1 et les diff´erentes cartes de r´epartition des processus). Enfin au niveau de l’isotherme 0◦

C, c’est l’accr´etion de la pluie par la neige qui est active. La forte activit´e de ce processus explique que l’on retrouve tr`es peu de pluie au dessus de l’isotherme 0◦

C.

(a) Givrage (g.kg−¹.s−¹) (b) D´epˆot de vapeur (g.kg−¹.s−¹)

(c) Accr´etion du nuage glace par la neige (g.kg−¹.s−¹)

(d) Accr´etion de la pluie par la neige (g.kg−¹.s−¹)

Fig. 4.7 – Processus de formation des hydrom´et´eores glac´es

En accord avec les restitutions de Yang et Houze (1995), le d´epˆot de vapeur sur la glace pr´ecipitante est actif dans les ascendances et en altitude dans la partie stratiforme. Entre l’isotherme 0◦

C et 7 km d’altitude c’est la sublimation de la neige qui est active. La givrage est principalement actif dans l’ascendance.

La figure 4.7(b) montre que le d´epˆot de vapeur est moins efficace sur les graupels que sur la neige. Ce r´esultat s’explique notamment par le fait que l’intensit´e du d´epˆot de

4.1. Restitutions microphysiques avec les champs de vent simul´es.

vapeur d´epend notamment du facteur de forme de la glace pr´ecipitante. Or les graupels sont souvent consid´er´es comme sph´eriques ou plus sph´eriques que la neige.

Diff´erentes ´etudes ont montr´e (Leary et Houze, 1979b; Tao et al., 1990; Liu et al., 1997) que les pr´ecipitations glac´ees constituaient une contribution importante pour les pr´ecipitations dans la partie stratiforme. Mais nous avons aussi montr´e que les pr´ecipita-tions glac´ees sont en partie responsable des fortes pr´ecipitapr´ecipita-tions dans la partie convective (notamment par la fonte des graupels).

Processus sources et puits de la pluie

Pour la pluie, la formation des pr´ecipitations est diff´erente dans la partie convective et dans la partie stratiforme. Dans la partie convective, la pluie est due `a la fois `a la fonte des hydrom´et´eores glac´es, surtout les graupels (cf section 4.3.4 ) et `a l’accr´etion du nuage liquide par la pluie (cf tableau 4.1). L’autoconversion de nuage liquide, processus initiateur des pr´ecipitations contribue peu aux pr´ecipitations, en terme de contenu en eau. Lorsque l’on regarde la carte de r´epartition des processus, on remarque que l’accr´etion du nuage liquide est le processus le plus cr´eateur de contenu en eau liquide pr´ecipitante. Dans la partie stratiforme, les pr´ecipitations sont essentiellement dues `a la fonte des hydrom´et´eores glac´es (cf figure 4.11(b) ). Comme d´ecrit dans Leary et Houze (1979b), Tao

et al. (1990) et Liu et al. (1997), les diff´erentes simulations indiquent que les pr´ecipitations

de la partie stratiforme sont principalement dues `a la fonte de la neige, neige transport´ee depuis la partie convective. La figure 4.11(b) et le tableau 4.1 illustrent le rˆole du transport, la quantit´e de neige qui fond ´etant sup´erieure `a la quantit´e de neige cr´e´ee `a la verticale du point de chute dans la partie stratiforme.

Les restitutions microphysiques r´ealis´ees `a partir du champ de vent synth´etique mul-ticellulaire sont comparables aux restitutions microphysiques de Hauser et al. (1988) r´ea-lis´ees avec le champ de vent de la ligne de grain du 22 juin 1981 qui pr´esente une cellule de convection principale suivie de zones d’ascendance.

Dans Hauser et al. (1988), on retrouve 3 zones actives pour l’accr´etion du nuage par la pluie et pour la condensation , avec sur les 3, une zone principale dans la convection principale. Dans une moindre mesure, on retrouve aussi 3 zones d’activit´e pour

l’auto-(a) Autoconversion du nuage liquide en pluie (g.kg−¹.s−¹)

(b) Accr´etion du nuage liquide par la pluie (g.kg−¹.s−¹)

(c) Fonte de la neige (g.kg−¹)

Fig. 4.8 – Processus principaux de formation des pr´ecipitations.

conversion du nuage liquide. Les processus d’accr´etion et d’autoconversion sont li´es au nuage liquide. Or le nuage liquide se forme par condensation de la vapeur d’eau dans les zones d’ascendance principalement. Il est donc normal de retrouver 3 zones d’activit´e de ces processus.

Cette r´epartition des processus en phase liquide se retrouve dans les restitutions avec le champ de vent synth´etique avec 3 cellules de convection. En plus de ces 3 processus, on retrouve un maximum d’activit´e de l’´evaporation de la pluie, juste `a l’arri`ere et en dessus de la condensation.

4.1. Restitutions microphysiques avec les champs de vent simul´es.