Les brouillards formés par affaissement de stratus : étude expérimentale et simulation numérique de leur cycle de vie

Auteur moral

Université Toulouse 3 Paul Sabatier : UT3

Auteur moral

Lac, Christine ; Burnet, Frédéric

Année de publication

2022

Le brouillard est un phénomène météorologique difficile à prévoir du fait de sa forte variabilité spatio-temporelle et des interactions complexes entre les processus qui le pilotent. Améliorer sa prévision présente un enjeu sociétal important pour limiter son impact sur les transports. Parmi les différents types de brouillard, le brouillard formé par affaissement de stratus, assez fréquent à nos latitudes, demeure plus difficile à prévoir. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les processus clés pilotant l'affaissement de stratus jusqu'au brouillard, en s'appuyant à la fois sur les données d'une campagne de mesures et des simulations numériques, afin de dégager des pistes d'amélioration pour la prévision. Les mesures collectées lors de la campagne Bure sur les hivers 2015 et 2016 dans le nord-est de la France, ont permis d'analyser statistiquement 47 cas de brouillards, dont 29 cas de brouillard radiatifs (RAD) et 18 cas de brouillards par affaissement de stratus (FSTL), ainsi que 19 cas d'affaissement de stratus ne formant pas de brouillard. Les FSTL diffèrent des RAD par une visibilité observée à 10 m ainsi qu'un contenu intégré en eau nuageuse sur la verticale plus élevés. La hauteur initiale de la base du stratus et la vitesse de la descente ne semblent pas être des paramètres déterminants pour la formation du brouillard. Un cas de FSTL, échantillonné le 1-2 décembre 2016, a été étudié en détail en s'appuyant sur des observations au sol et en altitude, ainsi que sur des simulations à haute résolution. Les mesures sous ballon captif ont montré une évolution complexe de la structure verticales des propriétés thermodynamiques et microphysiques du stratus et du brouillard. L'analyse des distributions dimensionnelles des gouttelettes met en évidence que la sédimentation joue un rôle important sur la répartition de l'eau liquide. Des gouttelettes de diamètre>20 µm se forment de façon cyclique sous le sommet, grossissent par coalescence à mesure qu'elles sédimentent dans la couche nuageuse, puis s'évaporent sous la base. Ce processus reste actif dans le brouillard. La simulation Méso-NH à une résolution de 100 m, utilisant un schéma microphysique à 2 moments où la concentration des gouttelettes est pronostique, a reproduit les principales caractéristiques observées du cycle de vie du stratus menant au brouillard, malgré un décalage temporel de 4h à la formation du stratus lié aux conditions de grande échelle. Des analyses par bilans de variables thermodynamiques et microphysiques sur ce cas ont montré que l'advection d'eau nuageuse dans le stratus et à son sommet est un processus majeur pilotant l'affaissement du stratus, ainsi que l'advection d'air froid vers la base et sous le stratus, générée par les circulations orographiques de fine échelle. Grâce à ces conditions non locales favorables, le processus microphysique favorisant la formation de brouillard est la sédimentation des gouttelettes, qui génère un refroidissement et une humidification de la couche sous nuageuse par évaporation. La sédimentation des gouttelettes est d'autant plus efficace que leur concentration est faible à contenu équivalent, et l'approche microphysique à 2 moments apparaît plus appropriée que celle à 1 moment pour reproduire la variabilité observée de cette concentration. Enfin, une évaluation statistique de la qualité de prévision du stratus, de son affaissement ainsi que de la formation du brouillard a été menée sur les 37 cas échantillonnés d'affaissement de stratus à partir de la prévision opérationnelle d'AROME et de simulations Méso-NH présentant différents tests de sensibilité. Si les stratus et leur affaissement sont mieux prévus par la prévision opérationnelle, des résolutions horizontale et verticale plus fines ainsi qu'une microphysique à deux moments améliorent les scores de prévision de brouillard par affaissement de stratus, ouvrant ainsi la voie à une future version opérationnelle d'AROME à 500 m pour le brouillard.</div>

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