Extrait de la Lettre n°3 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

1 - Schéma des moyens expérimentaux mis en œuvre pendant PYREX.

2 - Traînée de pression et différence de pression durant PYREX.

3 - Bilan de quantité de mouvement pour une boîte de 400 par 300 kilomètres, en fonction de l'altitude du sommet de la boîte.

4 - Même légende qu'à la figure 3, mais il s'agit ici du bilan différentiel de quantité de mouvement, entre l'expérence de référence et une expérience avec relief lissé. Ceci met en évidence les composantes de l'erreur faite dans le deuxième cas, qui doivent être compensées par la paramétrisation.

On sait depuis le début des années 1980 que les résultats des modèles de circulation générale de l'atmosphère sont très sensibles aux paramètres introduits pour représenter les chaînes de montagnes. Mais les observations pour quantifier la rugosité des montagnes ou l'effet des ondes de relief étaient peu nombreuses. Le Programme ATOM de l'INSU a initié il y a quelques années l'expérience PYREX pour palier cette carence.

L'expérience PYREX s'est déroulée en octobre et novembre 1990. Elle poursuivait un triple but :
- déterminer précisément la manière 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;
- réaliser une base de données intégrée documentant ces phénomènes, bien adaptée pour valider des modèles numériques de méso-échelle (extension : quelques centaines de kilomètres, maille de calcul: environ 10 kilomètres);
- déterminer quantitativement les termes du bilan de quantité de mouvement: de combien l'écoulement est il freiné? à quel endroit? L'objectif était d'améliorer les paramétrisations de ces effets dans les modèles de prévision numérique et de climat.

La chaîne des Pyrénées a été retenue pour cette expérience car elle offre deux avantages :
- la facilité d'accès d'une part;
- sa forme relativement simple d'autre part (une ellipse de 400 kilomètres de long sur 80 kilomètres de large, relativement bien dégagée des autres chaînes de la région).

Moyens
La phase de terrain, réalisée en octobre et novembre 1990, a mis en jeu des moyens très importants. A côté des radio-sondages français et espagnols et du réseau opérationnel de mesures de surface, des stations automatiques d'altitude ont été installées, ainsi que des radars ST (profileurs de vent) et des sodars. Enfin, l'écoulement d'altitude a été mesuré par quatre avions de recherche et des ballons plafonnants (figure 1).
Depuis la fin de la phase 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" était prête, et a été rendue accessible à tous les scientifiques intéressés. Les principaux résultats expérimentaux ont été rassemblés dans un article, cosigné par les 31 chercheurs qui ont travaillé sur ces données.

Résultats: traînée de pression et flux vertical
Sur le plan scientifique, les résultats essentiels portent sur le bilan de quantité de mouvement atmosphérique.

La traînée de pression exprime la force globale exercée par les Pyrénées sur l'atmosphère. On a pu établir une très bonne corrélation entre la traînée de pression, déterminée par les stations automatiques d'altitude, et la différence de pression (ramenée au niveau de la mer) entre Pau et Saragosse (figure 2). La traînée représente environ le centième de la différence de pression. Ceci signifie qu'il est maintenant possible d'évaluer la force globale exercée par les Pyrénées sur l'atmosphère avec une bonne précision uniquement à partir des deux mesures opérationnelles à Pau et à Saragosse. On peut donc continuer l'étude sans le réseau spécial de mesures. Cette traînée de pression exercée par les Pyrénées varie en fonction de la situation météorologique et peut atteindre la valeur de 8 Pascals pour un vent de l'ordre de 15 m/s perpendiculaire à la chaîne. Elle dépend beaucoup de la stabilité de l'atmosphère. Ce résultat est supérieur à celui qui était attendu.
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.
Cependant, ces deux résultats n'apportent une information que pour une composante de l'écoulement (la composante transverse à la chaîne) et pour une région bien précise (la région centrale). 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. Modélisation
On a utilisé notamment les modèles PERIDOT de Météo-France et SALSA du Laboratoire d'Aérologie pour simuler numériquement, avec une grande résolution, l'écoulement observé pendant PYREX. La résolution horizontale de ces calculs est de 10 km, avec 30 niveaux répartis régulièrement sur la verticale entre le sol et 15 km d'altitude.

Validation
Dans un premier temps, il faut valider les résultats des modèles à l'aide de l'ensemble des observations disponibles. Cette étude montre que les simulation sont assez bonnes: elles reproduisent correctement les grands traits de l'onde de relief principale sur le massif Pyrénéen, et la distribution des vents tout autour.

Rugosité
Dans un deuxième temps, il faut optimiser les résultats. On a alors pu montrer de manière indiscutable, et sur plusieurs cas différents, que les résultats sont améliorés par l'utilisation d'une rugosité élevée sur les Pyrénées (de l'ordre de 16 m). A titre de comparaison, on considère que la rugosité d'une forêt est d'environ 1 m; auparavant, on utilisait une valeur de l'ordre de 5 m pour les Pyrénées. Les résultats sont également améliorés par une orographie représentant les sommets principaux plutôt que la moyenne de l'altitude pour chaque point de grille. On a donc obtenu une première réponse aux interrogations des modélisateurs du climat.

Quantité de mouvement
Enfin, la qualité des simulations optimisées a permis de déduire les différents termes du bilan de quantité de mouvement (figure 3). Pour représenter correctement les effets dynamiques des montagnes dans des modèles de circulation générale, il faut alors reproduire un bilan comparable, alors même que le modèle ne voit pas le détail du relief. On a donc développé une méthodologie originale pour étudier ce point.

Paramétrisation
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. On a calculé de la même manière que précédemment les différents termes du bilan de quantité de mouvement, et on a calculé la différence terme à terme entre le bilan de l'expérience de référence, et celui de l'expérience avec relief lissé. Ce "bilan différentiel" (figure 4) montre que seulement trois des termes ne sont pas nuls, ce qui simplifie beaucoup le problème de paramétrisation, puisque l'erreur dûe à la représentation "lissée" de la montagne dans les modèles climatiques est entièrement contenue dans ces termes. Ces trois termes non nuls sont :
- la traînée au sol,
- le flux vertical de quantité de mouvement par les ondes,
- le terme agéostrophique.

Les paramétrisations "classiques" de l'effet des ondes de gravité permettent de calculer ces différents termes en fonction de l'écoulement de plus grande échelle, et d'imposer les corrections adéquates à cet écoulement pour qu'il tienne compte de la présence de la montagne. Mais le résultat dépend d'un certain nombre de coefficients empiriques. Grâce à la figure 4, on a donc pu calibrer au mieux ces coefficients, ce qui a conduit à les augmenter significativement. Des expériences incluant ces paramétrisations optimisées ont confirmé l'amélioration dans la représentation du bilan. Il reste maintenant à persuader les modélisateurs du climat d'essayer cela dans leurs modèles!

PYREX regroupe plusieurs laboratoires français : - le Centre national de recherches météorologiques, - le laboratoire d'Aérologie, - le Service d'Aéronomie, - le Laboratoire de météorologie dynamique, - le Laboratoire de météorologie physique, - le Laboratoire des sondages électromagnétiques de l'environnement terrestre, - le Centre d'étude des environnements terrestre et planétaire, ainsi que des laboratoires allemands et espagnols. PYREX a été soutenue financièrement par Météo-France, l'Institut National de Météorologie espagnol, le CNRS (INSU), le CNES, et EDF.

Contact :
Philippe Bougeault
Centre National de Recherche Météo
URA 1357 - CNRS - Météo-France
42 av. G. Coriolis
31057 Toulouse Cedex