Etude du lien entre cycle diurne de la convection et circulation de

Laboratoire de Météorologie Dynamique
STAGE MASTER 2 OACOS
Etude du lien entre cycle diurne de la
convection et circulation de mousson en
Afrique de l’ouest à l’aide d’un modèle
de circulation générale
Stagiaire :
Jérôme DREANO
Encadrants :
Catherine RIO
Frédéric HOURDIN
Année 2013-2014

Remerciements
Je remercie tout d’abord mes deux encadrants Catherine RIO et Frédéric HOURDIN de m’avoir
permis d’effectuer ce stage au sein du LMD et de m’apprendre énormément de choses sur la mo-
délisation du climat. Merci à Catherine pour sa présence et son implication tout au long du stage,
sa bonne humeur et sa passion pour la recherche. Merci à Frédéric pour ses conseils précieux, son
expérience et sa rigueur.
Je tiens également à remercier Jean-Yves GRANDPEIX pour ses explications sur le fonctionne-
ment des paramétrisations de LMDZ.
Je remercie Abderrahmane IDELKADI de m’avoir fourni et permis d’analyser les simulations
climatiques du programme AMIP.
Je remercie Alexandre SUPPLY pour son soutien quotidien. Merci aux autres stagiaires et à
Binta DIALLO pour la bonne ambiance durant ces 4 mois de stage. Merci aussi à Julien MEISTER
et Thomas VERNAUDON pour les moments de détente le midi et les pauses café.
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Sommaire
1 Introduction 3
2 Impact des paramétrisations physiques sur la distribution spatio-temporelle des
pluies dans les simulations climatiques 5
2.1 Les différents jeux de paramétrisations physiques de LMDZ .............. 5
2.1.1 Physique Standard ................................ 5
2.1.2 Nouvelle physique ................................. 6
2.1.3 Nouvelle physique avec déclenchement stochastique de la convection ..... 8
2.2 Influences des paramétrisations sur la distribution spatio-temporelle des pluies . . . 9
2.2.1 Cycle diurne moyen en juillet .......................... 9
2.2.2 Répercussions sur les moyennes annuelles de précipitations .......... 12
3 Lien entre cycle diurne de la convection continentale et représentation de la
mousson en Afrique de l’Ouest 14
3.1 Cycle diurne de la convection et circulation de mousson ................ 14
3.1.1 La mousson Ouest-Africaine ........................... 14
3.1.2 Liens entre le phasage du cycle diurne de la convection et le flux de mousson 16
3.1.3 La mousson Ouest-Africaine dans les différentes versions de LMDZ ..... 17
3.1.4 Mise en place d’une configuration régionale ................... 18
3.2 Evolution diurne du flux de mousson .......................... 21
3.3 Effet des biais moyens sur le flux de mousson ...................... 25
4 Effet relatif du forçage de la couche limite, la convection et les poches froides sur
la représentation de la mousson en Afrique de l’Ouest 28
4.1 Mise en place d’une configuration idéalisée de la physique ............... 28
4.2 Effet du phasage de la pluie ............................... 29
4.3 Effet du mélange dans la couche limite ......................... 31
4.4 Effet du mélange convectif ................................ 34
4.5 Effet de l’évaporation des pluies et des poches froides ................. 35
5 Conclusion 38

Chapitre 1
Introduction
Les modèles de circulation générale (GCM) utilisés pour l’étude du climat peinent à représenter
correctement la distribution spatio-temporelle des précipitations. En particulier aux tropiques, au
niveau de la Zone de Convergence Intertropicale (ZCIT), où la convection, généralement intense, est
responsable de la majorité des précipitations. La représentation de la variabilité intra-saisonnière
comme la MJO ou les pluies de mousson doivent encore être améliorés. La plupart des GCMs ont
encore des difficultés à simuler le cycle diurne de la convection observée. Or, une grande majorité
des pluies tropicales est produite par des systèmes convectifs locaux ou organisés à méso-échelle.
Dans les GCMs destinés au climat, ces processus sont sous-maille et doivent être résolus par les
paramétrisations.
Ce stage vise à caractériser comment les améliorations récentes des paramétrisations du modèle
de climat LMDZ se projettent sur la représentation des pluies de mousson en Afrique de l’Ouest.
Le modèle de circulation générale LMDZ est développé au Laboratoire de Météorologie dynamique.
LMDZ est aussi bien utilisé pour des études climatiques terrestres que pour l’étude de la circulation
générale atmosphérique sur d’autres planètes. LMDZ est la composante atmosphérique du «Modèle
intégré de climat» de l’Institut Pierre Simon Laplace (IPSL) contribuant aux précédents rapports
du GIEC.
Comme tous les GCM existants, il consiste tout d’abord à intégrer dans le temps et l’espace les
équations de Navier Stockes. Avec des tailles de maille de modèle de plusieurs dizaines à plusieurs
centaines de kilomètres, l’hypothèse hydrostatique peut être appliquée. Cette caractéristique a ce-
pendant un inconvénient : de nombreux processus atmosphériques de plus petite échelle dits «sous
maille» comme la diffusion turbulente dans la couche limite, la convection ou encore la distribution
des nuages ne peuvent pas être représentés directement par la résolution des équations primitives
de l’atmosphère. Pour y remédier, le modèle prend en compte tous ces processus par le moyen des
paramétrisations physiques. Ces paramétrisations sont en général fondées sur un mélange de des-
criptions de la phénoménologie des processus et de principes théoriques de la thermodynamique
et de la mécanique des fluides. Le GCM se décompose ainsi en deux noyaux : le noyau «dyna-
mique» intégrant les équations de Navier Stockes, et le noyau «physique» prenant en charge les
paramétrisations physiques. Les paramétrisations calculent l’effet moyen des processus physiques
sur chaque maille et en déduisent l’impact sur les variables de température, humidité ou de vent cal-
culées par la dynamique. Les paramétrisations influencent alors la circulation générale et jouent un
rôle déterminant dans les performances des simulations climatiques. Elles sont aujourd’hui au cœur
des recherches du LMD. Un gros travail a été mené ces dernières années au LMD pour améliorer la
représentation des processus physiques impliqués dans le cycle diurne de la convection afin de pou-
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voir la décaler en fin d’après-midi en meilleur accord avec les observations. Les développements ont
été réalisés principalement sur des cas d’étude particuliers en utilisant le modèle en mode unicolonne.
Au cours de ce stage, nous chercherons à caractériser le comportement de ces derniers dévelop-
pements dans la version 3D du modèle, dans leur interaction avec la dynamique et la circulation à
grande échelle. Dans un premier temps, nous analyserons l’impact des paramétrisations physiques
sur la distribution spatio-temporelle des pluies à différentes échelles. Nous utiliserons pour cela des
simulations climatiques de 10 ans mises en place pour le programme AMIP (Atmospheric Model
Intercomparison Project) avec les différentes versions de LMDZ.
Nous verrons que malgré l’amélioration progressive des paramétrisations physiques et notamment
du cycle diurne de la convection, un biais bien connu des utilisateurs de LMDZ persiste sur l’Afrique
de l’Ouest : les pluies de mousson se positionnent toujours trop en retrait au Sud par rapport à la
réalité. Pourtant des études ont montré que l’amélioration du cycle diurne aurait un effet positif
sur la montée du flux de mousson vers le Nord (Birch et al, 2014). Dans un deuxième temps, nous
étudierons donc le lien entre la décalage du cycle diurne et la représentation de la circulation de
mousson et de la montée du flux de mousson vers le nord à l’aide de simulations zoomées guidées.
Enfin, nous configurerons et lancerons des simulations idéalisées pour identifier le rôle respectif des
différents processus sous-maille impliqués.
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