Comparaison des modèles microphysiques EXMIX et DESCAM
5 Sensibilité au paramètre de résolution et au nombre de
« bins »
Dans son modèle 3D à microphysique chaude détaillée, Leporini (2005) a choisi d’utiliser la même configuration que ce soit pour la grille des particules d’aérosol ou pour celle des gouttes, à savoir un paramètre de résolution JRS (=KRS) égal à 1 et un nombre de classe total égal à 39 (voir chapitre 1, tableau 1.1). Cette configuration présente l’avantage de pouvoir balayer un large éventail de tailles tout en restant raisonnablement coûteuse en temps de calcul. En effet, avec JRS=1 et NRP=39, si on impose que la grille des gouttes commence à 1 µm, alors la dernière classe de gouttes correspondra à un rayon
de 6.5 mm, soit une taille suffisamment grande pour représenter les gouttes de pluie. La grille des particules d’aérosol est construite de telle sorte que ses neuf dernières classes soient identiques en taille aux neuf premières classes des gouttes. La première classe de la grille des particules d’aérosol correspond ainsi à un rayon de 1 nm et la dernière à 6 µm pour NAC=39. Cette configuration a été utilisée dans DESCAM 1D½ afin de tester l’influence de ces paramètres sur les résultats du modèle. De la même façon, la résolution de la grille en masse des cristaux a été dégradée (IRS=1) et le nombre total de classes limité à 39 également. Afin de simplifier l’écriture, nous appellerons par la suite ce cas de figure « DESCAM Basse Résolution » ou en abrégé « DESCAM BR ». La suite de ce paragraphe est consacrée à l’étude de l’impact de ces changements dans les grilles microphysiques sur les résultats du modèle.
L’évolution du cumul de pluie au sol en fonction du temps pour le modèle DESCAM
« Basse Résolution » est visible sur la figure 2.20, à la fois dans le cas d’un spectre des particules d’aérosol d’origine continental et maritime. L’étude de l’évolution de ce paramètre en fonction de la configuration de DESCAM permet déjà de dégager les grandes lignes de l’impact de la résolution sur les résultats. En effet, on s’aperçoit que lorsqu’on réduit la résolution des grilles, la pluie arrive au sol toujours plus tôt et le cumul à la fin de la simulation est plus important. On note cependant que même dans la configuration « Basse Résolution », les cas continental et marin sont toujours aisément distinguables l’un de l’autre. Dans le cas marin, le cumul en fin de simulation est 1.7 fois celui du cas continental et l’averse arrive au sol environ 4 minutes plus tôt.
Pour résumer, on pourrait dire que tout semble se passer plus vite lorsque la résolution est diminuée. Ces résultats sont en accord avec les travaux de Silverman et Glass (1973) qui ont étudié l’impact de la réduction du nombre des classes de 67 à 7 dans leur modèle à microphysique détaillée. Cependant, malgré cette évolution plus rapide du nuage, il est toujours possible de distinguer aisément les résultats en fonction de la nature du spectre initial des particules d’aérosol. Nous allons maintenant passer rapidement sur l’influence de la résolution sur les distributions des gouttes (cf. Fig. 2.24) et des cristaux (cf. Fig.
2.25). Pour cela, nous utilisons le cas continental uniquement.
A cause des différences dans la résolution, il est difficile de tirer des conclusions sur les nombres totaux d’hydrométéores simulés en fonction de la résolution à partir des figures 2.24 et 2.25. A priori, il semblerait que le nombre des hydrométéores diminue avec la résolution. Ceci est confirmé par le calcul : on a 5 cm-3 gouttes et 4 l-1 cristaux en moins quand la résolution est diminuée dans DESCAM.
Du fait de la diminution de la résolution, les spectres sont plus dispersés. En conséquence, le nombre des hydrométéores de grande taille est augmenté dans le cas BR.
Ces grands hydrométéores peuvent renforcer l’efficacité des processus de collection (collision-coalescence et givrage) et donc être à l’origine du cumul de pluie au sol supérieur dans le cas « Basse Résolution ». En ce qui concerne l’évolution plus rapide du nuage, Bott (1998) a montré qu’avec son schéma pour la collision-coalescence, continu et pour DESCAM « Basse Résolution » en pointillés. Pour DESCAM « Basse résolution », les 39 valeurs sont signalées par un petit triangle.
0 100 200 300 400 500 600 700
Figure 2.25 : Spectres des cristaux après 34 minutes d’intégration à 5 km (Fig. 2.25a) et à 7 km (Fig.
2.25b) pour DESCAM Haute et Basse Résolution. Les conventions sont les mêmes que pour la figure 2.25 : les distributions simulées par DESCAM sont en traits pleins et celle de DESCAM BR en pointillés avec des petits triangles.
a) b)
a) b)
6 Conclusions
Dans ce chapitre, nous avons comparé les résultats des modèles EXMIX et DESCAM dans le cadre dynamique 1D½ pour la simulation d’un nuage convectif observé pendant la campagne CCOPE. Ce travail nous a permis de mettre en lumière une surestimation du nombre des gouttes dans le modèle DESCAM pour les hautes altitudes. La recherche des causes de ce problème nous a conduit à remettre en question la validité de l’hypothèse d’équilibre pour les particules d’aérosol pour les basses températures. Une modification de la représentation du processus d’activation dans DESCAM a été proposée et des améliorations sur la simulation du nombre des gouttes à haute altitude ont été constatées.
En ce qui concerne la simulation du cas de CCOPE, les résultats de DESCAM sont globalement cohérents avec ceux d’EXMIX, malgré une conception et des hypothèses de travail différentes. Les valeurs intégrales de contenu en eau (liquide ou glace) sont correctement reproduites par DESCAM, de même que la précipitation au sol. Les spectres des hydrométéores sont généralement cohérents. Pour les gouttes, on peut même expliquer les petites différences dans les spectres simulés par les schémas d’advection utilisés pour la croissance qui ne sont pas du même ordre dans les deux modèles.
L’utilisation d’un spectre des particules d’aérosol de type marin dans DESCAM produit une averse plus forte et qui se déclenche plus tôt. De telles caractéristiques avaient également été observées avec le modèle EXMIX. Enfin, l’utilisation d’une plus faible résolution dans les grilles des hydrométéores provoque un élargissement des spectres et une accélération de l’évolution du nuage. Une erreur de l’ordre de 20% doit être considérée à cause de la « Basse Résolution » (prévue pour DESCAM dans le cadre d’une dynamique 3D). Cependant, la configuration « Basse Résolution » est suffisante pour voir les différences dans l’évolution d’un nuage et la précipitation en fonction du spectre initial des particules d’aérosol. Si nous l’employons par la suite dans une dynamique tridimensionnelle, nous serons donc capables d’étudier l’impact des caractéristiques du spectre des particules d’aérosol dans des conditions dynamiques plus complexes et plus réalistes.