5.4.5 Les précipitations de grande échelle

On s'intéresse ici aux précipitations liées aux phénomènes de condensation/évaporation à l'échelle de la maille du modèle ( ascendances frontales, ascendances sur un relief, phénomènes de rosée dans l'atmosphère ).

La principale amélioration d'ARPEGE par rapport à EMERAUDE dans cette paramétrisation réside dans l'introduction de la phase solide, on s'est en effet rendu compte que l'évaporation de la neige jouait un rôle fondamental dans la dynamique des fronts et dans celle d'autres systèmes de méso-échelle comportant des nuages stratiformes. L'évaporation est le point essentiel de cette paramétrisation car elle constitue le principal puits de chaleur de ce processus physique.

Quelques généralités :

Le principe est de tester si une couche est saturée :
- si oui, on condense l'excès de vapeur d'eau en eau liquide ou en neige suivant la température de la couche, cet excès précipite par la suite dans la couche sous-jacente. On suppose en effet qu'en cas de saturation on observe peu de sursaturation et les gouttelettes nuageuses en suspension proviennent de quelques pourcents seulement de la vapeur d'eau disponible. Parallèlement la couche où se produit la condensation se réchauffe sous l'effet de la libération de chaleur latente.
- sinon, les précipitations qui pénètrent dans une couche non saturée s'évaporent totalement ou en partie ( cette proportion correspond au taux d'évaporation moyen d'un ensemble de gouttes dont le diamètre suit une courbe de fréquence fixée a priori ). La proportion qui ne s'évapore pas, peut alors fondre ou geler suivant la température de la couche et être transmise à la couche sous-jacente.

Le modèle considère ainsi toutes les couches de la plus haute à celle proche du sol et en déduit le flux de précipitations arrivant au sol sous forme liquide ou de neige.

L'élimination des sursaturations revient à ramener le point M sur la courbe qw( T, p ). Les processus d'évaporation/ condensation devant se faire à énergie constante, la grandeur Lq + CpT est conservée si bien que le point d'état dans le diagramme en ( T, q ) se déplace sur les courbes Ldq + c p dT = 0
( en première approximation, ces courbes sont des droites de pente -cp /L quand cp et L sont constantes comme dans EMERAUDE ). Le point d'état devient ( qw,Tw ) avec Tw supérieure à T, il y a bien réchauffement dans la couche où se produit la condensation.

5.4.5.1 distinction entre les phases liquide et solide

Pour les propriétes mécaniques des précipitations, entre autres les taux d'évaporation et/ou de fonte/gel, la distinction est faite au moment de la génération et dépend seulement de la température. On utilise la fonction f définie comme suit :

Cette partition au moment de la génération des précipitations entre les phases liquide et solide est fictive et n'est ultérieurement utilisée que pour les calculs d'évaporation et de fonte/gel et non pour ceux des flux de précipitations. Elle introduit une fonte graduelle de la neige dans les nuages au-dessous de l'isozéro; au voisinage du point triple la transition entre les deux phases liquide et solide est continue.

5.4.5.2 calcul d'évaporation et de fonte/gel des précipitations

5.4.5.2.1 Evaporation


E est une constante basée sur la physique, E = 4.8 106 SI;
rf la proportion fictive de neige dans les précipitations, calculée à l'aide de la fonction f définie précédemment,
R le rapport des vitesses d'évaporation entre la neige et l'eau liquide, R = 80.

Le calcul des précipitations se fait de la façon suivante : à chaque pas de temps, le modèle fait précipiter le surplus d'humidité d'une couche dans la couche sous-jacente. Et là, selon le taux de saturation de cette dernière, il y a, soit ajout de précipitations, soit évaporation de tout ou partie des précipitations entrantes.

Remarque :

Dans EMERAUDE, Evap était constant et valait E, ce qui correspond à rf = 0. Dans le cas où on a un flux de précipitations exclusivement neigeuses soit rf = 1, Evap = RE; la phase purement solide a un taux d'évaporation R ( = 80 ) fois supérieur à celui de la phase liquide, l'évaporation des précipitations solides se produit en des temps beaucoup plus courts que celle de la pluie ( surface exposée à l'air des cristaux plus grande, vitesse de chute plus faible ).

5.4.5.2.2 Fonte/gel

Une formulation similaire est utilisée pour la fonte ( T supérieure à T* ) et le gel ( T inférieure à
T* ) des précipitations

Remarque :

La même remarque que celle concernant les valeurs des taux d'évaporation des phases liquide et solide est valable pour ceux de fonte/gel : en gros, la neige fond beaucoup plus vite que l'eau ne gèle.

5.4.5.3 Algorithme de calcul

Remarque :

On minore les flux par 0 : aucun flux ne peut être négatif car les précipitations ne peuvent que tomber.

Deux cas sont possibles :

Remarque :

Au premier niveau où il y a génération de précipitations
si T < T* on ne forme que de la neige rf = f( T ) et ri = 1,
si T > ou = T* on ne forme que de l'eau rf = ri = 0.

Remarque :

- rf est calculée au niveau I et affectée à la couche [pb , ph].

* Pour obtenir les proportions finales de neige on procède comme précédemment en calculant la fonte / gel des précipitations restantes.


Finalement on obtient pour la couche considérée les flux de précipitations:
- sous forme liquide Fi = ( 1 - ri ) Fb
- sous forme de neige Fi = ri Fb.
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