Nouvelle paramétrisation sous-maille et sous-nuageuse des précipitations

par Sandra Turner

Thèse de doctorat en Météorologie

Sous la direction de Jean-Louis Brenguier et de Christine Lac.

Soutenue en 2011

à Toulouse 3 .

mots clés

• Précipitation
• Pluie
• Sous-maille
• Sous-nuageuse
• Microphysique
• Variabilité
• Paramétrisation
• Schéma statistique
• Cumulus
• Stratocumulus
• Rico
• Dycoms-ii
• Meso-nh
• Arome
• Précipitations (météorologie) -- Mesure
• Nuages -- Physique

Résumé

Avec l'accroissement de la puissance de calcul, la résolution horizontale des modèles numériques de prévision (NWP) s'affine et atteint aujourd'hui des valeurs entre 1 et 5 km. Malgré ce fait, les nuages et les précipitations sont le résultat de processus sous-maille pour certaines catégories de nuages comme les cumulus et les stratocumulus. Les paramétrisations sous-maille de la condensation de la vapeur d'eau sont couramment employées depuis plusieurs années et utilisent une distribution statistique de la variabilité sous-maille de l'humidité relative pour diagnostiquer la fraction et le contenu en eau nuageuse. D'une manière similaire, une nouvelle paramétrisation est développée dans cette étude en considérant une distribution statistique du contenu en eau nuageuse et une valeur seuil permettant la formation de pluie, ce qui permet de déduire une fraction précipitante distincte de la fraction nuageuse. L'eau nuageuse ne se retrouve plus uniformément distribuée dans une maille ou dans la fraction occupée, mais se concentre plutôt en certains endroits par la division de la fraction nuageuse en deux régions de forte et de faible quantités d'eau. La pluie n'est ainsi produite que dans la région de forte quantité d'eau nuageuse, ce qui permet de qualifier cette nouvelle paramétrisation de sous-maille et sous-nuageuse. Le développement de cette paramétrisation s'appuie sur une analyse de données microphysiques provenant de deux campagnes de mesures, l'une traitant de stratocumulus précipitants (DYCOMS-II) et l'autre de petits cumulus précipitants (RICO). Pour compléter les distributions microphysiques observées, des simulations LES (Large Eddy Simulation) ont été réalisées à partir de situations idéalisées des deux campagnes de mesures. La nouvelle paramétrisation a été implantée dans le schéma microphysique ICE3 du modèle de recherche Méso-NH. Les deux situations idéalisées des campagnes RICO et DYCOMS-II ont servi à tester la nouvelle paramétrisation dans des simulations SCM (Single Column Model). Cette paramétrisation a aussi été testée avec une version 3-D du modèle de recherche Méso-NH qui utilise la même physique que le modèle opérationnel de prévision AROME (2. 5 km), montrant ainsi le gain relatif à son usage pour des situations réelles sur la France. Dans toutes les situations réelles et idéalisées de cette étude, cette nouvelle paramétrisation sous-nuageuse augmente la formation de pluie dans des situations où il y a peu d'eau nuageuse, diminue l'évaporation de la pluie lors de la chute et donne un taux de précipitation en surface qui est en meilleur accord avec les observations. Une situation réelle montre également qu'elle ne produit pas systématiquement une augmentation de la pluie. Cette nouvelle paramétrisation est aussi peu coûteuse et s'adapte facilement à tout schéma microphysique de type bulk.

Titre traduit

New subgrid and subcloud scale precipitation parameterization

Résumé

With increasing computing power, the horizontal resolution of numerical weather prediction (NWP) models has been improving and today has reached resolutions of 1 to 5 km. Yet, clouds and precipitation are still produced by subgrid scale processes for most cloud types such as cumulus and stratocumulus. Subgrid scale parameterizations for water vapor condensation have been used for many years based on a prescribed probability density function of relative humidity spatial variability within the grid, hence providing a diagnostic of the cloud fraction and the cloud water content. Therefore, a new parameterization is developed, based on a prescribed probability density function of cloud water variability and a threshold value of liquid water content for droplet collection to derive a rain fraction within the model grid, which is different than the cloud fraction. Cloud water content is no longer uniformly distributed in the whole grid volume or in the cloud fraction, but can be concentrated in spots with the splitting of cloud water into two parts of high and low cloud water content within the grid. The rain is then only produced in the high cloud water content region, so the subgrid precipitating parameterization is also called subcloud. The development of the parameterization follows an analysis of microphysical data collected during two field campaigns, one dedicated to precipitating stratocumulus (DYCOMS-II) and the other to precipitating fair weather cumulus (RICO). To supplement observed microphysics distributions, LES (Large Eddy Simulation) simulations were conducted with two idealized cases from the two campaigns. The new subcloud parameterization was implemented in the ICE3 microphysics scheme in the MESO-NH research model. The two idealized cases of RICO and DYCOMS-II were used to test the new parameterization in a SCM (Single Column Model) framework. This parameterization was also tested in a 3-D framework in the MESO-NH model using the same physics as the AROME NWP model (2. 5 km), displaying the improvement from its use for real cases of precipitating cloud systems over France. In all real and idealized cases, this new subcloud parameterization increases rain water content in low cloud water content conditions, decreases rain evaporation during sedimentation, and shows better agreement of surface precipitation against observations. A real case also shows that it is not systematically producing more rain. This new parameterization is also not computationally expensive, and can be easily implemented in any bulk microphysics scheme.