Simulation de référence

Ainsi, cette simulation définit l’état de référence (REF), pour lequel les CCN sont initialisés selon un profil vertical variable et les IN de manière homogène. Dans ce cas REF, le lessivage par impaction des gouttes avec les aérosols interstitiels est activé. Une brève description de la ligne de grain simulée est d’abord présentée. Puis comme les simulations suivantes sont focalisées sur l’étude de l’interaction aérosol-nuage, on ne s’attachera par la suite qu’à décrire des effets directement liés aux modifications des champs d’aérosol.

Afin d’alléger le texte, on précise ici que toutes les figures de ce chapitre présen- tant des champs instantanés (et non pas des évolutions temporelles ou des cumuls de précipitation) ont été réalisées pour des champs moyennés entre la 7ème et la 8ème heure de simulation. Le choix de cette échéance est motivé par deux points : au bout de 7 heures le système présente un bon développement vertical et il est encore entièrement contenu dans la fenêtre de simulation ; après 8 heures la partie stratiforme sort du domaine de simulation.

a - Comportement général

Le champ de vitesse zonale moyennée entre la 7ème et la 8ème heure de si- mulation, est présenté en couleurs sur la figure 9.3 a). Les régions où la vitesse verticale est supérieure à 0.4 m/s sont repérées par les isocontours noirs en traits pleins, et celles où elle est inférieure à −0.4 m/s, sont en pointillés. Le trait blanc dessine un contour du nuage que l’on prend pour repère dans l’étude des différents

9.3 Résultats

scénarii : il correspond à un masque sur la somme des rapports de mélange des espèces nuageuses (qc+ qr+ qi+ qs+ qg) égal à 10−6 kg/kg.

La ligne de grain se déplace de droite à gauche. L’organisation des courants internes à la ligne de grain est montrée par la Fig.9.3 a). Dans la zone délimitée par le contour nuageux à 10−6 kg/kg, les couleurs chaudes (jaune, rouge, rose) montrent le flux d’air incident lié à la propagation du système (”ascending front-to- rear flow”, de la gauche vers la droite et qui monte de la surface à ∼ 10 km). Sur le bord droit de la fenêtre, le ”courant de retour” (”descending rear-to-front flow” [Houze, 1993; Lafore and Moncrieff, 1989]), qui permet d’entretenir les ascendances convectives, est visible au-dessous de 4 km, dans les tons verts. Encore en-dessous, une dernière zone de courant s’étend verticalement jusqu’à la surface, qui figure le courant de densité (ou ”downdraft outflow” sur la Fig.9.1).

a) b)

FIG. 9.3 – a) Ascendances verticales (isocontours noirs pour -0.5, -0.4, 0.4, 0.5, 0.6, 0.8, 1,

1.5, 2 et 5 m/s) surperposées au champ de vitesse zonale (couleurs) et au contour nuageux à 10−6_{kg/kg. b) Evolution temporelle du profil vertical moyen de la vitesse verticale pour la}

simulation de référence (REF).

Tout au long de chacune des simulations (REF, NSC ou HOM), un profil vertical moyen de la vitesse verticale est calculé à chaque pas de temps. Il est moyenné sur l’ensemble du domaine horizontal de simulation. La figure 9.3 b) représente l’évolu- tion temporelle de ce profil vertical moyen de la vitesse verticale pour la simulation REF. On voit qu’entre la 2ème et la 10ème heure, une forte zone de vitesse verticale positive (on rappelle que la moyenne est réalisée sur l’ensemble du domaine) existe entre ∼ 4 km et ∼ 8 km.

REF : a) (qc+ qr)(z, t) b) (qi+ qs+ qg)(z, t)

FIG. 9.4 – a) Evolution temporelle du profil vertical moyen du contenu en eau liquide (qc+qr)

du nuage au cours de la simulation de référence (REF) en [kg/kg]. b) Evolution temporelle du profil vertical moyen du contenu en glace (qi+ qs+ qg) du nuage dans le cas de référence

en [kg/kg].

contenu en eau liquide, et sur la Fig.9.4 b), pour celui en glace. Le contenu en eau liquide est approché par la somme des rapports de mélange de l’eau nuageuse et de la pluie, et, celui en glace, par la somme des rapports de mélange de la glace pri- maire, de la neige et du grésil. Ces figures montrent que les masses d’eau (liquide et glaçée) les plus importantes sont formées entre la première et la troisième heure de simulation.

b - Aérosols

CCN interstitiels et gouttelettes d’eau nuageuse Le champ de CCN interstitiels présenté en couleurs2 sur la figure 9.5 a) montre que les 3 modes de CCN initia- lisés selon le profil vertical de la Fig. 9.2, ont été transportés par les courants au cours du développement du nuage. On observe une forte concentration en nombre (en rouge) dans les plus basses couches de l’atmosphère, entre 0 et 3 km, là où le profil initial était le plus concentré en particules, mais en dehors du contour nua- geux à 10−6 kg/kg. Dans cette même couche, à l’intérieur du contour nuageux, la valeur du champ de concentration est moindre (en orange), car à cet endroit les CCN interstitiels ont à la fois été transportés par les courants verticaux (Fig.9.3 b)), activés en gouttelettes d’eau nuageuse, et lessivés par la pluie formée. Une forte concentration (en rouge) est aussi visible en altitude, entre 7 et 12 km, là où le

2_{Ici on fait la même remarque que dans le précédent chapitre quant à l’unité des champs de}

concentrations en nombre tracés sur les figures : pour les gouttelettes et les particules d’aérosol, ils

sont en [10−6 kg−1], ce qui correspond à des champs de concentrations en nombre par cm3 _divisés

9.3 Résultats

profil initial comptait moins de particules ; celles-là ont donc été transportées par les ascendances convectives et mettent en évidence la sélectivité de l’activation des CCN et le lessivage par la pluie.

La concentration en gouttelettes d’eau nuageuse formées à partir de la distribu- tion en CCN interstitiels de fond est représentée par des isocontours noirs sur la figure 9.5 a) ; on voit que cette concentration se superpose bien avec celle du champ de CCN activés, tracé en couleurs sur la figure 9.6 a). On remarque que cette der- nière est colocalisée avec les régions de plus forte vitesse verticale (Fig.9.3 a)), qui repèrent les zones convectives. Ici, l’isotherme à 0◦C est située aux environs de 4 km. Bien que la majeure partie des gouttelettes formées soit localisée dans la partie chaude, une partie d’entre elles se situe au-dessus de l’isotherme (sous forme d’eau surfondue) : soit qu’elles sont activées dans la partie froide, soit qu’elles y ont été transportées après leur formation.

a) b)

FIG. 9.5 – Pour la simulation de référence (REF) : a) La somme de 3 modes de la distri-

bution de CCN interstitiels de fond ([cm−3_/ρ

air]) est en couleurs, et les isocontours noirs

correspondent à la concentration en gouttelettes nucléées ([cm−3_/ρ

air]) ; les isocontours

noirs sont sur la même base que l’échelle de couleurs (l’isocontour le plus à l’extérieur vaut 10[cm−3_/ρ

air]). b) En couleurs le mode d’IN de fond ([cm−3/ρair]), et en isocontours noirs la

concentration en cristaux de glace nucléés. Les isocontours tracés sont [0.1, 1, 2, 5, 10, 20, 50] [L−1/ρair].

IN interstitiels et cristaux de glace primaire En raison du manque d’observa- tions relatives à la stratification verticale des IN, la concentration en IN interstitiels est ici initialisée selon un profil vertical homogène. Toutefois des variations de ce champ sont visibles le long de la verticale (plage jaune en altitude) : elles sont dues au fait que les champs de concentration tracés ici sont divisés par la densité de l’air, i.e. qu’ils sont donnés en nombre par kg. La figure 9.5 b) montre une forte concen-

a) b)

FIG. 9.6 – Concentrations en nombre de : a) CCN de fond activés (couleurs) en [cm−3/ρair]

et b) cristaux formés (couleurs) en [L−1_/ρ

air], dans le cadre de la simulation de référence.

tration de cristaux formés dans la partie basse de la phase froide, au-dessus de l’isotherme à 0◦C et un îlot isolé au sommet du nuage.