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leurs travaux. Didier Renaut Rédacteur en chef LA METEOROLOGIE 7e série REVUE TRIMESTRIELLE FONDEE EN 1925 ÉDITEE PAR LA SOCIÉTÉ MÉTEOROLOGIQUE DE FRANCE ET MÉTÉO-FRANCE La revue La Météorologie est parrainée par le Centre National de la Recherche Scientifique et par le Comité National Français de Géodésie et de Géophysique Directeur de la publication : René MORIN Président du comité de rédaction Michel ROCHAS Rédacteur en chef : Didier RENAUT Conseiller de rédaction : Jean-Pierre JAVELLE Autres membres du comité de rédaction Gérard DE MOOR, Christian PERRIN DE BRICHAMBAUT Secrétaire de rédaction : Trong Chau DINH Tous projets d'articles et
de rédaction : Trong Chau DINH Tous projets d'articles et toute correspondance devront être adressés à Revue La Météorologie 1, quai Branly 75340 Paris cedex 07 Téléphone : ( 1 ) 45 56 71 24 Télécopie : ( 1 ) 45 56 71 11 LA METEOROLOGIE 7e série n° 45 décembre 1992 "La 22ème Conférence internationale de météorologie alpine Les premiers résultats de l'expérience Pyrex Philippe Bougeault Météo-France, CNRM 42, avenue Gustave Coriolis 31057 Toulouse Cedex INTRODUCTION L'expérience Pyrex (Bougeault et al., 1990) a été réalisée en octobre et novembre 1990 dans un triple but: Déterminer de manière précise la
1990 dans un triple but: Déterminer de manière précise la façon dont l'écoulement atmosphérique est affecté par une chaîne de montagne, et en particulier faire la part entre la déviation latérale et le déplacement vertical de l'air, qui engendre des ondes de relief; Rassembler une base de données intégrée documentant ces phénomènes, bien adaptée pour valider des modèles numériques de type Péridot; Déterminer quantitativement les termes du bilan de quantité de mouvement: de combien l'écoulement est-il freiné? A quel endroit? L'objectif étant d'améliorer les paramétrisations de ces effets dans les modèles de prévision numérique et de climat. Ce programme ambitieux
modèles de prévision numérique et de climat. Ce programme ambitieux n'a pu se dérouler que grâce à la participation de nombreux laboratoires, et à l'aide de plusieurs agences de ressources. C'est ainsi qu'ont participé, pour la France: le Centre national de recherches météorologiques, le Laboratoire d'aérologie, Electricité de France, le Laboratoire de météorologie physique, le Laboratoire de météorologie dynamique, le Service d'aéronomie, le Laboratoire des sondages électromagnétiques de l'environnement terrestre, le Centre de recherches atmosphériques, et le Centre de recherches en physique de l'environnement; pour l'Espagne, l'Institut national météorologique, les universités de Valladolid et des Îles Baléares; pour l'Allemagne, le
universités de Valladolid et des Îles Baléares; pour l'Allemagne, le Deutsche Forschungsanstalt für Luft und Raumfahrt. Le financement de ce projet a été assuré conjointement par Météo-France, le CNRS, l'Institut météorologique espagnol, le CNES, le DLR, EDF et la Région Midi-Pyrénées. LES OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ET LE DISPOSITIF EXPÉIMENTAL Parmi l'ensemble des phénomènes météorologiquement importants causés par les Pyrénées, on a fait choix de se concentrer sur les effets dynamiques dans les cas d'écoulement synoptique plus ou moins perpendiculaire à la chaîne (fig. 1). Ces effets comprennent les ondes de relief, l'effet de foehn, la déviation latérale, la création des vents
l'effet de foehn, la déviation latérale, la création des vents régionaux bien connus (Autan, Tramontane et Cierzo), mais aussi la création de turbulence par trois phénomènes bien distincts: la rugosité des montagnes, le déferlement des ondes de relief et les cisaillements de vent induits par la déflexion latérale. La compréhension théorique de ces effets est un domaine de recherche actif, et nous espérons que les données de l'expérience Pyrex contribueront à le faire avancer. Mais ce n'est pas seulement sur le plan théorique que l'expérience a été conçue. La base de données unique qui a pu être obtenue à cette
de données unique qui a pu être obtenue à cette occasion peut être utilisée pour vérifier les prévisions des modèles numériques, comme Péridot ou sa version «recherche», qui a une maille de calcul de 10 km. On pense en effet que de tels modèles vont devenir opérationnels très prochainement. Enfin, on sait que les prévisions des modèles de plus grande échelle (tels Arpège, ou les modèles de climat) sont très sensibles à la représentation des effets du relief. La formulation Figure 1 Vue schématique de l'écoulement autour des Pyrénées Figure 2 Le dispositif expérimental Pyrex @ Radiosondage ^ Radar Strato-Troposphérique
2 Le dispositif expérimental Pyrex @ Radiosondage ^ Radar Strato-Troposphérique ® Sodar w Microbarographe/Station automatique Lâcher de ballon plafonnant Avion/Planeur Figure 3 Exemple de plans de vol coordonnés, permettant des mesures simultanées au-dessus et autour de la chaîne pyrénéenne. Figure 4 Evolution de la traînée de pression pendant les deux mois de l'expérience, comparée à la différence de pression Pau-Saragosse. optimale de l'orographie, de la rugosité des montagnes, et de l'effet des ondes de relief non résolues font encore l'objet de débats actifs, et il était nécessaire d'obtenir des observations parfaitement fiables pour trancher entre les différentes propositions théoriques. C'est
parfaitement fiables pour trancher entre les différentes propositions théoriques. C'est dans cet esprit que le dispositif expérimental a été conçu. Il comprenait les éléments suivants (fig.2): • 11 stations de radiosondage, avec des sondages toutes les six heures pendant les périodes d'observation intensive; • 15 stations automatiques (CNRM/4M) disposées le long d'un axe perpendiculaire à la chaîne (l'axe principal d'étude). Pour ces stations, les mesures de pression devaient atteindre une très bonne précision, et l'altitude avait été déterminée à 10 cm près. On pouvait donc calculer la différence de pression entre les deux côtés de la montagne (la traînée) et
entre les deux côtés de la montagne (la traînée) et en déduire la force totale exercée par la montagne sur l'écoulement. Les observations de ces stations étaient retransmises en temps réel, via Météosat, au poste de commandement de l'expérience à Toulouse; • 4 radars strato-troposphériques, donnant les profils de vent horizontal et vertical en continu le long de l'axe principal; • des ballons plafonnants, lancés de trois sites différents, dont la trajectoire est très voisine de celle des masses d'air; • des mesures de surface par plus de 100 stations automatiques des réseaux automatisés opérationnels français et espagnols; • 4
automatiques des réseaux automatisés opérationnels français et espagnols; • 4 avions de recherche atmosphérique, basés à Toulouse, effectuant des vols coordonnés selon des plans définis à l'avance, essentiellement au-dessus de l'axe principal, et dans les vents régionaux (fig. 3); • un lidar embarqué sur l'un de ces avions, donnant par télédétection la situation des principaux nuages dans le plan vertical de la trajectoire de l'avion, et la position du sommet de la couche limite atmosphérique; • 5 sodars mesurant le profil de vent dans les basses couches. PREMIERS RÉSULTATS La phase de terrain, du 1er octobre au 30 novembre 1990,
phase de terrain, du 1er octobre au 30 novembre 1990, nous a permis d'observer les phénomènes espérés. L'atmosphère a été très coopérative, et a fourni des événements proches de la climatologie, avec une quinzaine de jours de flux transverses à la chaîne sur les deux mois, ce qui a permis de réaliser 10 périodes d'observation intensive, pendant lesquelles la totalité du dispositif décrit plus haut a pu être activée. Les trois vents régionaux ont été documentés de manière satisfaisante, et plusieurs cas excellents d'ondes de relief ont apporté des observations de premier intérêt. Depuis la fin de la phase de
de premier intérêt. Depuis la fin de la phase de terrain, un très important travail a été accompli par toutes les équipes participant au programme pour dépouiller, critiquer et mettre en forme ces observations. A la fin de l'année 1992, la «Base de données Pyrex» est prête, et est rendue accessible à tous les scientifiques intéressés. Les principaux résultats expérimentaux ont été rassemblés dans un article, co-signé par les 31 chercheurs qui travaillent actuellement sur ces données (Bougeault et al., 1993). Dans le cadre de cette courte contribution, on mettra l'accent sur quelques-uns des résultats essentiels, ayant trait au bilan
l'accent sur quelques-uns des résultats essentiels, ayant trait au bilan de quantité de mouvement atmosphérique. La figure 4 présente l'évolution de la traînée de pression (voir encadré ci LA TRAÎNÉE DE PRESSION ...... Les efforts exercés par le sol sur l'atmosphère ont une composante verticale, mais n'ayant pas d'effet sur le mouvement de l'air, et une composante horizontale faible, mais qui ralentit en général le mouvement. Par analogie avec l'aérodynamique classique, on appelle traînée cette composante horizontale. Elle se divise à son tour en deux parties : une traînée turbulente, liée au frottement par la turbulence de petite échelle, et
liée au frottement par la turbulence de petite échelle, et une traînée de pression, liée à la distribution de la pression atmosphérique à la surface du sol. En général, sur terrain plat la traînée de pression est négligeable devant la traînée turbulente, qui a pour ordre de grandeur 0,1 à 0,3 Pascal (ou Newton par m2). Si par contre un courant synoptique bien établi rencontre une barrière montagneuse, il se crée une surpression en amont et une dépression en aval. La traînée de pression devient alors du même ordre de grandeur, voire supérieure à la traînée turbulente. Sa mesure nécessite
grandeur, voire supérieure à la traînée turbulente. Sa mesure nécessite néanmoins des microbarographes extrêmement précis. Le principe consiste à disposer les instruments régulièrement le long de la montagne (schéma). Un exercice algébrique simple montre que la traînée est donnée par : .... .... ........ ........ ............... .............. ..... ............... ............................................. .............. .. Il faut que les microbarographes aient été calibrés soigneusement de telle sorte que les différences de pression amont/aval soient réellement significatives. Il faut aussi connaître leur altitude avec une précision de l'ordre de la dizaine de centimètres. Cette mesure, réalisée pendant PYREX, a été l'un des principaux succès
mesure, réalisée pendant PYREX, a été l'un des principaux succès expérimentaux de cette campagne. Figure 5 Le flux vertical de quantité de mouvement horizontale mesuré par les avions de recherche le 15 octobre 1990 (Hoinka, communication personnelle). contre) mesurée par le réseau le long de l'axe principal pendant les deux mois de la phase de terrain (Bessemoulin et al., 1992). La valeur de ce paramètre varie de -6 à 8 Pascals. Il s'agit de quantités très petites, et l'on comprend la difficulté de mesurer un tel effet. Pourtant, on sait que cette force, intégrée sur toute la surface terrestre, contribue
que cette force, intégrée sur toute la surface terrestre, contribue de manière importante à l'équilibre de la circulation atmosphérique. Nous avons pu établir une corrélation entre cette force et la différence entre les pressions ramenées au niveau de la mer à Pau et à Saragosse, avec une très grande précision. Ceci signifie que nous savons maintenant évaluer cette force avec une bonne précision uniquement à partir de ces deux mesures opérationnelles! On peut donc continuer l'étude sans le réseau spécial de mesures. Un autre terme important du bilan de quantité de mouvement est le flux vertical transporté par les ondes
de mouvement est le flux vertical transporté par les ondes de relief. Cette quantité a pu être effectivement mesurée par les avions de recherche dans un certain nombre de cas. La figure 5, due à Hoinka (communication personnelle), montre ce profil pour l'une des meilleures périodes expérimentales, la POIS (15 octobre 1990). On y constate une diminution de ce flux avec l'altitude, ce qui montre bien l'effet de freinage réparti sur toute la profondeur de la troposphère. Cependant, ces deux résultats n'apportent une information que pour une composante de l'écoulement (la composante transverse à la chaîne) et une région bien
(la composante transverse à la chaîne) et une région bien précise (l'axe principal). Pour pouvoir généraliser et obtenir une vision cohérente de l'ensemble de l'effet, il faut avoir recours à la modélisation numérique. C'est là que se rejoignent les objectifs appliqués (valider et améliorer les modèles numériques de méso-échelle) et théoriques (comprendre l'effet de freinage pour mieux le représenter dans les modèles de climat). En effet, ce sont les modèles de méso-échelle, qui, validés par les mesures, répondront aux questions théoriques que nous nous posons sur ces écoulements. Quelques résultats préliminaires de ce type d'étude sont donnés ci-après. MODELISER LE
préliminaires de ce type d'étude sont donnés ci-après. MODELISER LE BILAN DE QUANTITE DE MOUVEMENT : PREMIER ESSAI Ce premier essai a été réalisé par Beau (1992) dans le cadre d'un stage de fin d'étude de l'Ecole nationale de la météorologie. On utilise la version recherche du modèle Péridot pour simuler numériquement, avec une grande résolution, l'écoulement observé le 15 octobre 1990. La résolution horizontale est de 10km (16 fois plus de points de calcul sur l'horizontale que la version opérationnelle de Péridot), avec 30 niveaux répartis régulièrement sur la verticale entre le sol et 15km d'altitude. Les paramétrisations physiques
verticale entre le sol et 15km d'altitude. Les paramétrisations physiques sont les mêmes que dans le modèle opérationnel, à l'exception de la friction turbulente, qui utilise le schéma d'énergie turbulente de Bougeault et Lacarrère (1989). La simulation numérique démarre à 3 heures du matin le 15, et dure 6 heures. Les dernières heures de cette simulation correspondent à la phase de vol des avions de recherche. Dans un premier temps, il faut valider les résultats du modèle à l'aide de l'ensemble des observations disponibles. Cette étude montre que la simulation est assez bonne: elle reproduit correctement les grands traits de
est assez bonne: elle reproduit correctement les grands traits de l'onde de relief principale sur le massif pyrénéen. Elle sous-estime toutefois la force de l'Autan. Nous cherchons encore à améliorer cette simulation par une meilleure prise en compte de l'orographie et de la rugosité de la montagne, mais il est d'ores et déjà possible de montrer des paramètres plus élaborés, comme les différents termes du bilan de quantité de mouvement, et de les comparer aux mesures. Sur la figure 6, on constate que le modèle prévoit un équilibre entre un grand nombre de termes: la traînée de pression au sol,
grand nombre de termes: la traînée de pression au sol, la force agéostrophique, l'évolution temporelle, les termes d'advection, et le flux de quantité de mouvement dû à l'onde de relief. Pour représenter correctement les effets dynamiques de la montagne dans les modèles de plus grande échelle, il faut reproduire cet équilibre du bilan, alors même que le modèle ne voit pas le détail du relief. Nous avons donc développé une méthodologie originale pour étudier ce point. On a réalisé une expérience numérique avec le même modèle, mais en utilisant un relief extrêmement lisse, similaire à celui que verrait un modèle
relief extrêmement lisse, similaire à celui que verrait un modèle de grande échelle. Nous avons calculé de la même manière que précédemment les différents termes du bilan, et nous nous intéressons à la différence terme à terme entre le bilan de l'expérience de référence, et celui de l'expérience avec relief lissé. Ce «bilan différentiel» est reproduit à la figure 7. CORRECTION ### En général, sur terrain plat la traînée de pression est négligeable devant la traînée turbulente, qui a pour ordre de grandeur 0,1 à 0,3 Pascal (ou Newton par m2). Si par contre un courant synoptique bien établi rencontre
m2). Si par contre un courant synoptique bien établi rencontre une barrière montagneuse, il se crée une surpression en amont et une dépression en aval. La traînée de pression devient alors du même ordre de grandeur, voire supérieure à la traînée turbulente. Sa mesure nécessite néanmoins des microbarographes extrêmement précis. Le principe consiste à disposer les instruments régulièrement le long de la montagne (schéma). Un exercice algébrique simple montre que la traînée est donnée par : .... .... ........ ........ ............... .............. ..... ............... ............................................. .............. .. Il faut que les microbarographes aient été calibrés soigneusement de telle sorte que
les microbarographes aient été calibrés soigneusement de telle sorte que les différences de pression amont/aval soient réellement significatives. Il faut aussi connaître leur altitude avec une précision de l'ordre de la dizaine de centimètres. Cette mesure, réalisée pendant PYREX, a été l'un des principaux succès expérimentaux de cette campagne. Figure 5 Le flux vertical de quantité de mouvement horizontale mesuré par les avions de recherche le 15 octobre 1990 (Hoinka, communication personnelle). contre) mesurée par le réseau le long de l'axe principal pendant les deux mois de la phase de terrain (Bessemoulin et al., 1992). La valeur de ce paramètre
terrain (Bessemoulin et al., 1992). La valeur de ce paramètre varie de -6 à 8 Pascals. Il s'agit de quantités très petites, et l'on comprend la difficulté de mesurer un tel effet. Pourtant, on sait que cette force, intégrée sur toute la surface terrestre, contribue de manière importante à l'équilibre de la circulation atmosphérique. Nous avons pu établir une corrélation entre cette force et la différence entre les pressions ramenées au niveau de la mer à Pau et à Saragosse, avec une très grande précision. Ceci signifie que nous savons maintenant évaluer cette force avec une bonne précision uniquement à
maintenant évaluer cette force avec une bonne précision uniquement à partir de ces deux mesures opérationnelles! On peut donc continuer l'étude sans le réseau spécial de mesures. Un autre terme important du bilan de quantité de mouvement est le flux vertical transporté par les ondes de relief. Cette quantité a pu être effectivement mesurée par les avions de recherche dans un certain nombre de cas. La figure 5, due à Hoinka (communication personnelle), montre ce profil pour l'une des meilleures périodes expérimentales, la POIS (15 octobre 1990). On y constate une diminution de ce flux avec l'altitude, ce qui montre
une diminution de ce flux avec l'altitude, ce qui montre bien l'effet de freinage réparti sur toute la profondeur de la troposphère. Cependant, ces deux résultats n'apportent une information que pour une composante de l'écoulement (la composante transverse à la chaîne) et une région bien précise (l'axe principal). Pour pouvoir généraliser et obtenir une vision cohérente de l'ensemble de l'effet, il faut avoir recours à la modélisation numérique. C'est là que se rejoignent les objectifs appliqués (valider et améliorer les modèles numériques de méso-échelle) et théoriques (comprendre l'effet de freinage pour mieux le représenter dans les modèles de climat). En
pour mieux le représenter dans les modèles de climat). En effet, ce sont les modèles de méso-échelle, qui, validés par les mesures, répondront aux questions théoriques que nous nous posons sur ces écoulements. Quelques résultats préliminaires de ce type d'étude sont donnés ci-après. MODELISER LE BILAN DE QUANTITE DE MOUVEMENT : PREMIER ESSAI Ce premier essai a été réalisé par Beau (1992) dans le cadre d'un stage de fin d'étude de l'Ecole nationale de la météorologie. On utilise la version recherche du modèle Péridot pour simuler numériquement, avec une grande résolution, l'écoulement observé le 15 octobre 1990. La résolution horizontale
résolution, l'écoulement observé le 15 octobre 1990. La résolution horizontale est de 10km (16 fois plus de points de calcul sur l'horizontale que la version opérationnelle de Péridot), avec 30 niveaux répartis régulièrement sur la verticale entre le sol et 15km d'altitude. Les paramétrisations physiques sont les mêmes que dans le modèle opérationnel, à l'exception de la friction turbulente, qui utilise le schéma d'énergie turbulente de Bougeault et Lacarrère (1989). La simulation numérique démarre à 3 heures du matin le 15, et dure 6 heures. Les dernières heures de cette simulation correspondent à la phase de vol des avions de
simulation correspondent à la phase de vol des avions de recherche. Dans un premier temps, il faut valider les résultats du modèle à l'aide de l'ensemble des observations disponibles. Cette étude montre que la simulation est assez bonne: elle reproduit correctement les grands traits de l'onde de relief principale sur le massif pyrénéen. Elle sous-estime toutefois la force de l'Autan. Nous cherchons encore à améliorer cette simulation par une meilleure prise en compte de l'orographie et de la rugosité de la montagne, mais il est d'ores et déjà possible de montrer des paramètres plus élaborés, comme les différents termes du
montrer des paramètres plus élaborés, comme les différents termes du bilan de quantité de mouvement, et de les comparer aux mesures. Sur la figure 6, on constate que le modèle prévoit un équilibre entre un grand nombre de termes: la traînée de pression au sol, la force agéostrophique, l'évolution temporelle, les termes d'advection, et le flux de quantité de mouvement dû à l'onde de relief. Pour représenter correctement les effets dynamiques de la montagne dans les modèles de plus grande échelle, il faut reproduire cet équilibre du bilan, alors même que le modèle ne voit pas le détail du relief.
que le modèle ne voit pas le détail du relief. Nous avons donc développé une méthodologie originale pour étudier ce point. On a réalisé une expérience numérique avec le même modèle, mais en utilisant un relief extrêmement lisse, similaire à celui que verrait un modèle de grande échelle. Nous avons calculé de la même manière que précédemment les différents termes du bilan, et nous nous intéressons à la différence terme à terme entre le bilan de l'expérience de référence, et celui de l'expérience avec relief lissé. Ce «bilan différentiel» est reproduit à la figure 7. CORRECTION ### En général, sur
reproduit à la figure 7. CORRECTION ### En général, sur terrain plat la traînée de pression est négligeable devant la traînée turbulente, qui a pour ordre de grandeur 0,1 à 0,3 Pascal (ou Newton par m2). Si par contre un courant synoptique bien établi rencontre une barrière montagneuse, il se crée une surpression en amont et une dépression en aval. La traînée de pression devient alors du même ordre de grandeur, voire supérieure à la traînée turbulente. Sa mesure nécessite néanmoins des microbarographes extrêmement précis. Le principe consiste à disposer les instruments régulièrement le long de la montagne (schéma). Un
les instruments régulièrement le long de la montagne (schéma). Un exercice algébrique simple montre que la traînée est donnée par : .... .... ........ ........ ............... .............. ..... ............... ............................................. .............. .. Il faut que les microbarographes aient été calibrés soigneusement de telle sorte que les différences de pression amont/aval soient réellement significatives. Il faut aussi connaître leur altitude avec une précision de l'ordre de la dizaine de centimètres. Cette mesure, réalisée pendant PYREX, a été l'un des principaux succès expérimentaux de cette campagne. Figure 5 Le flux vertical de quantité de mouvement horizontale mesuré par les avions de recherche