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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 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 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 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
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 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 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) On constate que seulement trois des termes ne sont pas nuls, ce qui simplifie beaucoup le problème de paramétrisation. Ces termes sont la traînée au sol, le flux vertical de quantité de mouvement par les ondes, et le terme agéostrophique. On peut donc espérer qu'en paramétrisant correctement la traînée sous-maille, et le flux vertical sous-maille, le modèle s'ajustera et reproduira par lui-même le terme agéostrophique. BIBLIOGRAPHIE Bessemoulin P., D. Puech, A. Jansa Clar and A. Genoves, 1992: Pressure Drag during Pyrex. Annales Geophysicae, Supplement II to Volume 10 (abstract of the XVII General Assembly, Edinburgh), C233. Beau I., 1992: Evaluation des paramétrisations de l'effet orographique sous-maille dans les modèles de circulation générale à l'aide de Péridot-10km. Rapport de stage de l'ENM, Toulouse, juin 1992, 152 pp. Bougeault P. and P. Lacarrère, 1989: Parameterization of orography-induced turbulence in a meso-beta scale model.
appliqués (valider et améliorer les modèles numériques de méso-échelle) On constate que seulement trois des termes ne sont pas nuls, ce qui simplifie beaucoup le problème de paramétrisation. Ces termes sont la traînée au sol, le flux vertical de quantité de mouvement par les ondes, et le terme agéostrophique. On peut donc espérer qu'en paramétrisant correctement la traînée sous-maille, et le flux vertical sous-maille, le modèle s'ajustera et reproduira par lui-même le terme agéostrophique. BIBLIOGRAPHIE Bessemoulin P., D. Puech, A. Jansa Clar and A. Genoves, 1992: Pressure Drag during Pyrex. Annales Geophysicae, Supplement II to Volume 10 (abstract of the XVII General Assembly, Edinburgh), C233. Beau I., 1992: Evaluation des paramétrisations de l'effet orographique sous-maille dans les modèles de circulation générale à l'aide de Péridot-10km. Rapport de stage de l'ENM, Toulouse, juin 1992, 152 pp. Bougeault P. and P. Lacarrère, 1989: Parameterization of orography-induced turbulence in a meso-beta scale model. Mon. Wea. Rev., 117, 1872-1890. Bougeault P., A. Jansa Clar, B. Benech, B. Carissimo, J. Pelon and E. Richard, 1990: Momentum budget over the Pyrenees: The PYREX Experiment. Bull. Amer. Meteor. Soc., 71, 806-812. Bougeault P., A. Jansa, J.L. Attie, I. Beau, B. Benech, R. Benoit, P. Bessemoulin, J.L. Caccia, J. Campins, B. Carissimo, J.L. Champeaux, M. Crochet, A. Druilhet, P. Durand, A. Elkhalfi, P. Flamant, A. Genoves, M. Georgelin, K.P. Hoinka, V. Klaus, E. Koffi, V. Kotroni, C. Mazaudier, J. Pelon, M. Petitdidier, Y. Pointin, D. Puech, E. Richard, T. Satomura, J. Stein et D. Tannhauser, 1993: The atmospheric momentum budget over a major mountain range: First results of the Pyrex field experiment. Annales Geophysicae, 11, 395-418. Hoinka K.P., 1992: On the vertical momentum flux during cross-mountain flow above the Pyrenees. Annales Geophysicae, Supplement II to Volume 10, C233. CONFIGURATIONS DE PRESSION DE SURFACE DANS LA ZONE ALPINE : QUELQUES MESURES ET MECANISMES Huw Davies Institut de physique atmosphérique Ecole polytechnique fédérale de Zurich Hönggerberg HPP CH-8093 Zurich SUISSE RESUME On esquisse d'abord une classification dynamique simple pour les phénomènes alpins subsynoptiques et d'échelle méso-alpha; puis on examine la structure et les caractéristiques dynamiques du phénomène « prototype »
J. Campins, B. Carissimo, J.L. Champeaux, M. Crochet, A. Druilhet, P. Durand, A. Elkhalfi, P. Flamant, A. Genoves, M. Georgelin, K.P. Hoinka, V. Klaus, E. Koffi, V. Kotroni, C. Mazaudier, J. Pelon, M. Petitdidier, Y. Pointin, D. Puech, E. Richard, T. Satomura, J. Stein et D. Tannhauser, 1993: The atmospheric momentum budget over a major mountain range: First results of the Pyrex field experiment. Annales Geophysicae, 11, 395-418. Hoinka K.P., 1992: On the vertical momentum flux during cross-mountain flow above the Pyrenees. Annales Geophysicae, Supplement II to Volume 10, C233. CONFIGURATIONS DE PRESSION DE SURFACE DANS LA ZONE ALPINE : QUELQUES MESURES ET MECANISMES Huw Davies Institut de physique atmosphérique Ecole polytechnique fédérale de Zurich Hönggerberg HPP CH-8093 Zurich SUISSE RESUME On esquisse d'abord une classification dynamique simple pour les phénomènes alpins subsynoptiques et d'échelle méso-alpha; puis on examine la structure et les caractéristiques dynamiques du phénomène « prototype » de chaque classe. INTRODUCTION La région alpine est le siège d'une gamme très diversifiée de configurations de pression de surface, caractéristiques et d'une grande richesse de structures. On peut notamment citer les signaux de pression accompagnant le cycle diurne, les grands systèmes de vent comme bise, bora, foehn et mistral, le passage des fronts, le développement des dépressions sous le vent. On s'intéressera dans ce qui suit aux systèmes subsynoptiques et d'échelle méso-alpha, mais il convient de noter qu'existe une myriade d'autres signaux, d'échelles (et souvent d'amplitudes) plus petites. L'approche, du point de vue de la météorologie dynamique, d'une telle variété de phénomènes d'origine orographique, passe par les tâches, conjointes, de synthèse des données disponibles sur chaque phénomène individuel permettant d'établir une typologie et d'études diagnostiques et théoriques permettant de préciser les caractéristiques dynamiques. L'accent est mis ici sur la dynamique des phénomènes; à cette fin, on propose d'abord une classification simple pour les phénomènes alpins, puis on examine brièvement la nature du phénomène prototype de chaque classe. CLASSIFICATION ET CARACTERISATION Catégories basées sur l'échelle Les réseaux synoptique et de méso-échelle de stations au sol fournissent une base de données relativement riche pour l'étude des configurations de pression de surface.
le passage des fronts, le développement des dépressions sous le vent. On s'intéressera dans ce qui suit aux systèmes subsynoptiques et d'échelle méso-alpha, mais il convient de noter qu'existe une myriade d'autres signaux, d'échelles (et souvent d'amplitudes) plus petites. L'approche, du point de vue de la météorologie dynamique, d'une telle variété de phénomènes d'origine orographique, passe par les tâches, conjointes, de synthèse des données disponibles sur chaque phénomène individuel permettant d'établir une typologie et d'études diagnostiques et théoriques permettant de préciser les caractéristiques dynamiques. L'accent est mis ici sur la dynamique des phénomènes; à cette fin, on propose d'abord une classification simple pour les phénomènes alpins, puis on examine brièvement la nature du phénomène prototype de chaque classe. CLASSIFICATION ET CARACTERISATION Catégories basées sur l'échelle Les réseaux synoptique et de méso-échelle de stations au sol fournissent une base de données relativement riche pour l'étude des configurations de pression de surface. On peut ainsi aisément classer les écoulements alpins, de manière classique, en termes de leurs échelles caractéristiques de temps (T), et de longueur horizontale (L). Plusieurs objections peuvent être faites à une telle démarche. Par exemple : un phénomène particulier présente souvent une variabilité considérable d'un cas à l'autre, les signaux sous influence orographique sont souvent anisotropes selon l'horizontale, la distinction entre échelles de temps locale et advective n'est pas nécessairement représentée; plus crucialement, un tel schéma s'appuie sur les données disponibles (pression de surface), et non sur la dynamique propre des phénomènes. Une classification physique Une alternative consiste à répartir les phénomènes observés dans des classes déterminées par la manière dont l'orographie influence leur apparition. La figure 1 présente une telle classification. Il s'agit là d'une classification très sommaire, basée simplement sur le type de situation générale et sur la nature, ou l'influence, du forçage induit par l'orographie. Caractérisation dynamique Une autre façon pertinente de caractériser les différents phénomènes réside dans l'utilisation des principaux nombres sans dimension identifiant la géométrie et l'importance relative des divers effets dynamiques et thermodynamiques. Ceux-ci sont définis ci-dessous en termes de quelques paramètres externes (figure 2). Figure 1 Une répartition des phénomènes induits par
signaux sous influence orographique sont souvent anisotropes selon l'horizontale, la distinction entre échelles de temps locale et advective n'est pas nécessairement représentée; plus crucialement, un tel schéma s'appuie sur les données disponibles (pression de surface), et non sur la dynamique propre des phénomènes. Une classification physique Une alternative consiste à répartir les phénomènes observés dans des classes déterminées par la manière dont l'orographie influence leur apparition. La figure 1 présente une telle classification. Il s'agit là d'une classification très sommaire, basée simplement sur le type de situation générale et sur la nature, ou l'influence, du forçage induit par l'orographie. Caractérisation dynamique Une autre façon pertinente de caractériser les différents phénomènes réside dans l'utilisation des principaux nombres sans dimension identifiant la géométrie et l'importance relative des divers effets dynamiques et thermodynamiques. Ceux-ci sont définis ci-dessous en termes de quelques paramètres externes (figure 2). Figure 1 Une répartition des phénomènes induits par l'orographie, basée sur leur relation causale à l'orographie Figure 2 Paramètres de la caractérisation dynamique Parmi les paramètres externes : la latitude, le rayon de la terre (R), le terme de Coriolis (f); la géométrie de la chaîne alpine principale, par exemple longueur (L), largeur (M), hauteur (H); les caractéristiques de l'écoulement incident ou de la situation générale : U = U(z), 0 = 0 (z), 0c = 0 (z), lesquelles à leur tour définissent, par exemple, les valeurs caractéristiques, sèche et humide, de la stratification N2 et N20c, et le niveau de condensation (1). Parmi les paramètres a-dimensionnés : des paramètres géométriques : ALR = L/R, ALM = L/M, M = H/M des paramètres dynamiques : Sft. = co/f, 21? = U/fL, <f=Ne T|o /U et^c = Nec -11o/U' ®=Vll0. SITUATIONS PROTOTYPES Des exemples de phénomènes tombant respectivement dans les quatre classes de la figure 1 peuvent être cités : circulations montagne piémont ; blocage amont-canalisation en basses couches, avec au-dessus ondes d'inertie-gravité à propagation verticale ; déformation et retard de front ; cyclogénèse sous le vent. On adopte ici ces phénomènes particuliers comme prototypes, et on se propose de les examiner plus en détail. La réponse au cycle
de l'écoulement incident ou de la situation générale : U = U(z), 0 = 0 (z), 0c = 0 (z), lesquelles à leur tour définissent, par exemple, les valeurs caractéristiques, sèche et humide, de la stratification N2 et N20c, et le niveau de condensation (1). Parmi les paramètres a-dimensionnés : des paramètres géométriques : ALR = L/R, ALM = L/M, M = H/M des paramètres dynamiques : Sft. = co/f, 21? = U/fL, <f=Ne T|o /U et^c = Nec -11o/U' ®=Vll0. SITUATIONS PROTOTYPES Des exemples de phénomènes tombant respectivement dans les quatre classes de la figure 1 peuvent être cités : circulations montagne piémont ; blocage amont-canalisation en basses couches, avec au-dessus ondes d'inertie-gravité à propagation verticale ; déformation et retard de front ; cyclogénèse sous le vent. On adopte ici ces phénomènes particuliers comme prototypes, et on se propose de les examiner plus en détail. La réponse au cycle de réchauffement-refroidissement diurne On s'attend à ce qu'une telle réponse soit la plus nette par situations d'écoulement général faible ou stationnaire, telles qu'elles dominent en présence d'un vaste anticyclone centré sur la région. Pour de telles conditions, une étude climatologique (Scherag, 1966) et des analyses de cas (par exemple Hafner et al. 1987) montrent la présence d'une oscillation diurne de la pression sur la zone alpine. Celle-ci comporte un signal propre à la montagne, maximal au refroidissement nocturne et minimal au réchauffement diurne, et d'une amplitude de l'ordre de 1 hPa. Pour cette situation, les nombres clés sont ceux qui sont liés à la géométrie, ainsi que Ç}? et 01. Associés à l'époque de l'année, ces paramètres sans dimension déterminent l'amplitude du rayonnement solaire incident, ainsi que l'échelle spatiale et l'intensité du forçage diabatique. Deux mécanismes induits ont été proposés pour rendre compte du signal observé : l'effet de source (resp. puits) de chaleur élevé durant le jour (resp. la nuit), provoqué par le relief ; le renforcement de la réponse thermique dans la région alpine intérieure, dû au caractère plus rapide du réchauffement (resp. refroidissement) lié au moindre volume d'air des principales vallées alpines, comparées à la plaine environnante
et al. 1987) montrent la présence d'une oscillation diurne de la pression sur la zone alpine. Celle-ci comporte un signal propre à la montagne, maximal au refroidissement nocturne et minimal au réchauffement diurne, et d'une amplitude de l'ordre de 1 hPa. Pour cette situation, les nombres clés sont ceux qui sont liés à la géométrie, ainsi que Ç}? et 01. Associés à l'époque de l'année, ces paramètres sans dimension déterminent l'amplitude du rayonnement solaire incident, ainsi que l'échelle spatiale et l'intensité du forçage diabatique. Deux mécanismes induits ont été proposés pour rendre compte du signal observé : l'effet de source (resp. puits) de chaleur élevé durant le jour (resp. la nuit), provoqué par le relief ; le renforcement de la réponse thermique dans la région alpine intérieure, dû au caractère plus rapide du réchauffement (resp. refroidissement) lié au moindre volume d'air des principales vallées alpines, comparées à la plaine environnante (à noter que la quantification de cet effet requiert le recours à des paramètres supplémentaires). Les observations du signal thermique aux stations de montagne (Richner et Phillips, 1984) sont compatibles avec les mécanismes envisagés, dont la crédibilité s'est d'ailleurs vue renforcée par les résultats d'études théoriques (Egger, 1983) et de simulations numériques (Somieski, 1987). L'analyse des données recueillies dans le sous-programme «Tension de surface» de la campagne Alpex a clairement mis en évidence la présence, dans le champ thermique, d'un signal diurne propre à la région alpine. Non moins évidente est apparue la présence fréquente d'une oscillation diurne de la traînée de pression trans-alpine (Davies et Phillips, 1985 ; Carissimo et al., 1988), laquelle témoigne d'une asymétrie Nord-Sud dans le signal diurne de pression. Une étude récente de Frei et Davies (1992) confirme que l'amplitude de l'asymétrie est comparable à celle du signal de pression lui-même, et qu'elle n'est pas imputable uniquement à une asymétrie trans-alpine dans le chauffage diabatique ; les auteurs postulent que son origine résulte d'une modification par les Alpes de l'onde diurne planétaire de pression, et explorent cette possibilité à l'aide d'un modèle théorique simple. En fait, la réponse diurne présente un intérêt intrinsèque, et, sous
simulations numériques (Somieski, 1987). L'analyse des données recueillies dans le sous-programme «Tension de surface» de la campagne Alpex a clairement mis en évidence la présence, dans le champ thermique, d'un signal diurne propre à la région alpine. Non moins évidente est apparue la présence fréquente d'une oscillation diurne de la traînée de pression trans-alpine (Davies et Phillips, 1985 ; Carissimo et al., 1988), laquelle témoigne d'une asymétrie Nord-Sud dans le signal diurne de pression. Une étude récente de Frei et Davies (1992) confirme que l'amplitude de l'asymétrie est comparable à celle du signal de pression lui-même, et qu'elle n'est pas imputable uniquement à une asymétrie trans-alpine dans le chauffage diabatique ; les auteurs postulent que son origine résulte d'une modification par les Alpes de l'onde diurne planétaire de pression, et explorent cette possibilité à l'aide d'un modèle théorique simple. En fait, la réponse diurne présente un intérêt intrinsèque, et, sous forme modifiée, se manifeste à part entière dans d'autres phénomènes liés aux écoulements alpins. Ecoulement incident quasi-stationnaire On considère ici les deux cas extrêmes d'incidence normale et tangentielle de l'écoulement sur la chaîne alpine principale. Ecoulement amont à incidence presque normale La situation synoptique propice à ce cas se présente souvent lorsque le passage d'un front froid se traduit par l'existence d'une épaisse couche d'air froid abordant le relief de nord ou de nord-ouest. Ou encore, il peut s'agir d'un flux de sud ou de sud-ouest associé à un thalweg d'altitude et à une configuration de surface comportant des hautes pressions à l'Est des Alpes et des basses pressions sur l'Atlantique occidental. Plusieurs traits d'observation significatifs sont associés à une telle situation. En amont de la chaîne, au-dessous du sommet de la crête, il peut y avoir un fort degré de blocage et de canalisation. Cet effet a été bien documenté pour la période Alpex (Chen et Smith, 1987 ; Binder et al., 1989), et il apparaît aussi dans la climatologie (Pichler et Reuter, 1967 ; Wanner et Furger, 1990). Des mesures par avion au-dessus de la chaîne révèlent la présence d'ondes de gravité (Hoinka, 1985, 1990). À l'arrière peut
souvent lorsque le passage d'un front froid se traduit par l'existence d'une épaisse couche d'air froid abordant le relief de nord ou de nord-ouest. Ou encore, il peut s'agir d'un flux de sud ou de sud-ouest associé à un thalweg d'altitude et à une configuration de surface comportant des hautes pressions à l'Est des Alpes et des basses pressions sur l'Atlantique occidental. Plusieurs traits d'observation significatifs sont associés à une telle situation. En amont de la chaîne, au-dessous du sommet de la crête, il peut y avoir un fort degré de blocage et de canalisation. Cet effet a été bien documenté pour la période Alpex (Chen et Smith, 1987 ; Binder et al., 1989), et il apparaît aussi dans la climatologie (Pichler et Reuter, 1967 ; Wanner et Furger, 1990). Des mesures par avion au-dessus de la chaîne révèlent la présence d'ondes de gravité (Hoinka, 1985, 1990). À l'arrière peut se produire du foehn, avec de forts vents chauds et secs. Les caractéristiques de surface de méso-échelle, et la climatologie du foehn, ont fait l'objet de nombreuses études. Dans une telle situation, tous les paramètres a-dimensionnés cités (à l'exception de gt;) sont potentiellement importants. Les Alpes sont caractérisées, pour des valeurs de vitesse et de stratification typiques des latitudes moyennes, par ~ 1 et sr -1 . Ces valeurs témoignent de la possibilité d'une réponse comportant une forte composante agéostrophique et un blocage significatif. Si l'écoulement incident est humide ou saturé, d'autres paramètres comme 9fc et &lt;3 sont nécessaires pour le caractériser. Peu d'études théoriques ou de modélisation numérique ont été conduites dans le but d'explorer la partie de l'espace (9t, pertinente pour les écoulements d'échelle alpine, et pratiquement aucune étude systématique n'a abordé les effets de l'humidité à cette même échelle. Par conséquent plusieurs questions restent ouvertes, comme le critère précis qui détermine l'apparition et l'importance de l'effet de canalisation, les traits dominants de la dynamique et de la physique des nuages relatives aux précipitations d'origine orographique au voisinage des Alpes, la fréquence d'apparition et l'amplitude probable des ondes de gravité, les processus et conditions permettant au foehn d'atteindre