Spectres des hydrométéores

Les particules condensées couvrent une grande gamme de tailles différentes et ne sont donc pas toutes échantillonnées avec le même appareil. Les grosses et les petites particules ont ainsi été tracées dans des figures séparées par Heymsfield et al. (2005), la séparation en taille s’opérant entre 30 et 60 µm de diamètre. Les spectres présentés par Heymsfield et al. (2005) ainsi que ceux simulés par DESCAM 3D dans les trois zones B, C et D sont visibles sur la figure 3.9.

A première vue, il apparaît clairement que ce sont les spectres simulés pour la zone C (position 8) qui sont de loin les plus similaires aux mesures. Pour les petites tailles, le nombre de particules échantillonnées et le CWC sont bien reproduits. Le modèle a cependant légèrement plus d’eau liquide qu’observé à ce moment là. Du côté des grandes tailles, l’allure du spectre au-dessus de 100 µm correspond aux mesures des sondes 2DC et HVPS. Toutefois, les particules entre 30 et 100 µm sont visiblement plus nombreuses dans le modèle que dans les observations.

Pour la zone D (position 9), le nombre simulé est proche de celui observé. Le contenu total en eau condensé est cependant inférieur car le spectre simulé est déplacé vers les petites tailles. En comparant les valeurs du CWC et du LWC simulées par le modèle, on s’aperçoit que les particules de taille inférieure à 60 µm sont presque exclusivement des gouttelettes alors que les instruments de mesure n’ont pas détecté d’eau liquide dans la zone D.

Pour les tailles supérieures à 30 µm, on remarque un déficit dans le nombre simulé par DESCAM 3D entre 100 et 1000 µm et un excédent dans les tailles 30 à 100 µm. De manière plus générale, on retrouve une rupture de pente autour de 100 µm dans les trois spectres simulés.

Enfin, ce sont les spectres simulés par le modèle pour la zone B qui sont les plus éloignés de ceux mesurés. On ne retrouve absolument pas la grande quantité de particules observées entre 15 et 40 µm. De même, les particules les plus grandes (diamètre supérieur à 200µm) sont largement sous-représentées dans le modèle.

0 10 20 30 40 50 60 DESCAM 3D. Les positions (numéros entre crochets) 6, 8 et 9 ont été choisies car elles correspondent respectivement aux zones B, C et D préalablement définies (cf. Fig. 3.2). Dans les spectres de gauche, les trois chiffres indiquent : le nombre de particules par cm^-3, le contenu en eau condensée (CWC) en g m^-3 calculé avec l’hypothèse que toutes les particules sont des sphères d’eau liquide et enfin le contenu en eau liquide (LWC) en g m^-3 mesuré par la sonde RICE. Pour les spectres de droite, le nombre donné représente la concentration des particules de diamètre supérieur à 30 µm. Les spectres en traits pointillés correspondent aux points 4 et 5 (cf. Fig. 3.16) et sont discutés au paragraphe 2.4.

La comparaison des spectres simulés et observés dans les régions B, C et D du nuage montre que le modèle a généralement peu de cristaux de petite taille. Ce sont les gouttelettes qui occupent principalement les tailles entre 10 et 40 µm. Les processus de collection étant quasi inefficaces pour les hydrométéores de très petite taille, la présence de ces gouttes à la place de cristaux de glace est peut-être la marque d’une limitation des schémas utilisés pour la nucléation des cristaux, qui ont du mal à « congeler » les plus petites gouttelettes. Dans DESCAM 3D, la grande majorité des cristaux ont une taille supérieure à 40 µm. L’absence de cristaux de petite taille a pour conséquence des contenus simulés en glace nuageuse faibles et inférieurs à ceux observés.

Du côté des grandes tailles, les nombres de cristaux simulés sont régulièrement inférieurs à ceux observés. Une explication possible fait intervenir la masse volumique des cristaux. D’après les observations, la masse volumique des cristaux de glace est très variable. Plus la taille augmente, plus la masse volumique diminue. Par exemple, la masse volumique des cristaux de forme colonne peut aller de 0.9 g cm^-3 pour les très petites tailles à ρ ≈0.5 ^{g cm-3} pour une colonne de longueur supérieure à 1 mm. La masse volumique d’une particule glacée est également influencée par l’agrégation et le givrage.

La variation de la masse volumique en fonction de la taille et de la forme des particules de glace et des processus microphysiques de collection est délicate à traiter dans les modèles.

Ainsi, le traitement de la masse volumique des cristaux est très variable d’un modèle à l’autre (cf. chapitre 1, paragraphe 1.2).

Dans DESCAM 3D, la masse volumique de la glace est égale à 0.9 g cm^-3 quelque soit la taille du cristal. Cette hypothèse est en adéquation avec les processus de nucléation hétérogène et homogène, qui forment des cristaux de forme sphérique principalement à partir du réservoir des gouttes, et avec le processus de givrage car la densité observée pour des particules givrées varie entre 0.05 et 0.89 g cm^-3 (Prupaccher and Klett, 1997).

Notre modèle ne considérant pas le processus d’agrégation des cristaux, nous ne pouvons pas non plus former des flocons de neige de densité comprise entre 0.01 et 0.2 g cm^-3 (Pruppacher and Klett, 1997). Or dans DESCAM 3D, la masse volumique intervient en particulier pour revenir à la taille des cristaux à partir de la grille qui est en masse. Ainsi, une modification de la masse volumique des cristaux de 0.9 à 0.5/0.3 g cm^-3 conduirait à une augmentation de 20/40% du rayon calculé à partir d’une même masse de départ, et modifierait certainement l’allure des spectres du côté des grandes tailles.

Enfin, il faut également rappeler que le calcul du contenu en glace pour les grandes tailles de cristaux est réalisé à partir des images de la sonde 2D-C ou encore du HVPS (High Volume Particle Spectrometer), moyennant un certain nombre d’hypothèses sur la masse volumique des cristaux. De ce fait, la comparaison des contenus intégrés comme celle des spectres sont toutes les deux dépendantes d’hypothèses relatives à la masse

volumique des cristaux, hypothèses qui sont différentes entre DESCAM 3D et les travaux d’Heymsfield et al (2005).