Texte extrait de :
INSU, 30 ans de recherches en sciences de l'Univers,
1967 - 1997


Flux de chaleur mesurˇs
par l'avion Merlin IV

Les équations de base du mouvement de l’atmosphère sont connues depuis longtemps, ainsi que les diverses sources d’énergie qui la mettent en mouvement. Cependant, les processus d’échange d’énergie avec les milieux connexes (espace, océan, surfaces continentales, cryosphère), et les mécanismes de redistribution et de changement de forme de l’énergie au sein de l’atmosphère elle-même sont extrêmement variés, et donnent lieu à une diversité quasi infinie de phénomènes. L’eau y joue souvent un rôle fondamental. Par ailleurs, certains de ces phénomènes sont violents, et peuvent avoir des conséquences socio-économiques graves.

C’est la nécessité de représenter de manière plus réaliste l’ensemble de ces phénomènes dans les modèles numériques de climat et de prévision du temps qui a conduit une partie importante de la communauté française des sciences atmosphériques à se structurer fortement autour de grands projets de recherche où la mesure in situ et la modélisation numérique développent une synergie toujours plus forte. Ces projets sont toujours internationaux : la documentation in situ détaillée d’un phénomène atmosphérique requiert des moyens qui dépassent ceux d’un seul pays. Au plan national toutefois, I’Insu a joué un rôle clé dans cette structuration, en fournissant les structures adéquates de concertation et d’évaluation de projets, comme les programmes Patom et Pnedc.

L’Insu a trouvé au sein de la communauté nationale des partenaires prêts à apporter leurs moyens à cette politique commune, comme Météo-France, Edf, I’Ifremer, le Shom, I’Orstom, le Cnes ou l’Inra. Il a enfin consenti un gros effort de développement d’une nouvelle génération de systèmes de mesure, qui mettent la technologie la plus avancée au service des projets coopératifs de notre communauté, et placent la France au tout premier rang international pour les radars doppler, les lidars, et les profileurs de vent.

Nous donnerons ici quelques exemples de ces grandes campagnes expérimentales, sans aucunement prétendre à l’exhaustivité. Pour fixer les idées, rappelons que les programmes cités sont lourds : ils réunissent le plus souvent plusieurs dizaines de chercheurs français, immergés dans des communautés internationales de plusieurs centaines de personnes. Les calendriers, de la planification aux conclusions scientifiques, s’étalent sur une dizaine d’années. Ils culminent au moment de la phase de terrain, au cours de laquelle les mesures sont récoltées grâce à des investissements humains et techniques considérables. Ils sont enfin soumis à l’aléa climatique, car l’atmosphère est un laboratoire naturel qui ne repasse jamais deux fois par le même état : il faut accepter ses caprices, et développer des stratégies pour exploiter au maximum des mesures qui sont, par définition, non reproductibles....

Une bonne partie de l’énergie que l’atmosphère reçoit du soleil est d’abord absorbée par les surfaces continentales, puis cédée à l’atmosphère sous forme de chaleur sensible et latente. Les modalités de ce transfert et la répartition entre les deux flux dépendent des propriétés du sol et de la végétation, et varient à la fois dans l’espace et dans le temps. C’est pourquoi l’Insu a encouragé la participation de chercheurs français dans plusieurs programmes visant à documenter la variabilité de ces flux sous divers climats. Le programme pilote Hapex-Mobilhy du Pnedc et du Patom a été, en 1986, l’un des tout premiers au plan mondial, à poser le problème de l’évaluation expérimentale des flux d’énergie intégrés sur de vastes surfaces. Une stratégie alliant télédétection, modélisation numérique, mesures ponctuelles in situ sur des sites représentatifs, et mesures aéroportées de validation a été alors développée. Cette stratégie a été reprise dans la plupart des projets internationaux qui ont suivi, comme Fife, Efeda, Boreas. Dans la période récente, la France s’est particulièrement impliquée dans Hapex-Sahel, qui a permis d’étudier notamment les rétroactions rapides et fortes qui existent entre le climat et la végétation en Afrique de l’Ouest. Tous ces programmes ont eu pour résultat de réduire considérablement l’incertitude sur le forçage exercé par les surfaces continentales sur l’atmosphère. Un exemple concret est donné par l’introduction du schéma ISBA de représentation des échanges dans le modèle Argege-Climat, et bientôt dans les modèles opérationnels de prévision du temps à Météo-France. C’est grâce à de tels développements que les études de l’évolution du climat et la prévision opérationnelle peuvent bénéficier des observations par satellite des surfaces terrestres, par exemple celle du radiomètre français Polder. Ces programmes ont enfin permis de développer des liens entre les communautés atmosphériques et hydrologiques, dont nous voyons aujourd’hui les bénéfices au travers de programmes comme le PNRN et le PNRH.

Un problème voisin se posait pour les surfaces océaniques : réduire l’incertitude importante sur la valeur des transferts d’énergie entre les surfaces océaniques et l’atmosphère. Il s’agit d’un pré-requis pour améliorer la simulation de l’évolution du climat. Il revient ici au programme Patom d’avoir su développer, à la fin des années 80, une politique volontariste de grandes expériences à la mer pour mesurer ces flux avec des techniques aussi fiables que ce qui se pratiquait alors sur les continents. Une collaboration fructueuse a pu être développée avec les milieux océanographiques. Plusieurs chercheurs de la communauté atmosphérique se sont reconvertis vers cette nouvelle spécialité. Cette action a culminé avec la réalisation de plusieurs campagnes à la mer, comme Sofia, Semaphore, Catch, et bientôt Fetch. Le volet “flux” de l’expérience internationale Toga-coare a également permis de collecter des mesures de flux en zone tropicale. Dix ans après la réflexion impulsée par l’Insu et ses partenaires, nous disposons d’un savoir-faire incontestable, et de jeux de mesures de référence pour la calibration des échanges océan-atmosphère dans les modèles de climat. Cette coopération active entre les communautés atmosphérique et océanographique a permis à la France d’être parmi les premiers pays à posséder des modèles couplés océan-atmosphère dépourvus de biais climatique.

L’étude des nuages et des transferts d’énergie associés a naturellement mobilisé des ressources importantes. Notre communauté a notamment un savoir-faire ancien et reconnu dans le domaine de l’étude des systèmes convectifs tropicaux. Dès 1981, l’expérience Copt en Côte d’lvoire a permis de documenter la dynamique des lignes de grains africaines, et de montrer que la simulation numérique permet d’en retrouver les principales caractéristiques. Depuis 1992, nous avons participé au très grand projet international Toga-Coare, qui a permis d’aborder la dynamique des systèmes convectifs du Pacifique Ouest, une zone-clé du couplage océan-atmosphère à l’échelle globale. L’objectif est de comprendre les modes d’organisation des systèmes convectifs, dont la variété est grande, ainsi que les interactions dynamiques entre ces systèmes de petite échelle et les ondes tropicales d’échelle planétaire. Cette expérience a vu la première mise en oeuvre du radar Doppler aéroporté Astraia, développé conjointement par les équipes françaises et américaines.

Les systèmes nuageux des moyennes latitudes ont aussi fait l’objet de plusieurs programmes. De 1977 à 1987, plusieurs expériences en France ont permis d’étudier la dynamique des fronts atmosphériques et les systèmes nuageux associés. Ces programmes reposaient notamment sur nos radars Doppler qui permettent d’acquérir une vision tridimensionnelle détaillée du mouvement au sein des fronts, ce qui a permis de tester plusieurs hypothèses sur leur fonctionnement énergétique.

Mais l’expérience la plus ambitieuse jamais conduite par notre communauté est sans conteste Fastex, qui s’est déroulée en plein Atlantique au début de 1997. Fastex illustre le succès de la stratégie de l’Insu et de Météo-France à rassembler autour d’une idée fédérative une vaste communauté internationale, puisque pratiquement tous les pays riverains de l’Atlantique y ont participé : les nombreux avions de recherche et bateaux rassemblés dans cette expérience, ont permis d’acquérir un ensemble de mesures exceptionnelles, dont la portée devrait se révéler prochainement par des avancées dans la compréhension de la dynamique des tempêtes atlantiques.

Fastex a été l’occasion de mettre en œuvre pour la première fois des concepts tout nouveaux concernant le “ciblage des observations” : les mesures par bateaux et par avions sont réalisées à l’endroit et à l’instant où elles sont les plus utiles, en fonction des prévisions en temps réel de modèles de simulation de l’atmosphère dotés d’un calcul de sensibilité. Elle a été aussi l’occasion de recueillir, notamment grâce à Astraia, des données d’une finesse sans précédent sur la structure des dépressions secondaires approchant les côtes européennes, qui permettront la validation des modèles de prévision numérique.

Les propriétés microphysiques et radiatives des nuages semi-permanents non précipitants sont particulièrement importantes pour l’étude du climat. l’Insu a soutenu plusieurs programmes qui ont permis des progrès substantiels, notamment sur les nuages de type strato-cumulus et cirrus (Nephos, Ice, Eucrex, Ace, etc..). Notre communauté est notamment à l’origine d’améliorations décisives dans les méthodes de comptage des gouttelettes, de paramétrage de l’évolution des spectres, et d’observation des nuages par radar et lidar (projet Rali).

Nous terminerons ce panorama rapide par le thème de la dissipation de l’énergie cinétique des mouvements de grande échelle. Les mécanismes dissipatifs représentent la partie la moins bien connue de la dynamique atmosphérique, mais ils conditionnent aussi l’équilibre énergétique global de l’atmosphère. Ils interviennent pour une bonne part dans la couche limite planétaire, mais également sous forme de zones sporadiques de turbulence dans les nuages convectifs, les fronts et à l’interface entre la troposphère et la stratosphère, où ils gouvernent notamment les échanges chimiques entre ces deux milieux. Depuis dix ans, la contribution de la communauté nationale à ce thème a été principalement centrée sur l’étude de l’influence du relief. Lors de l’expérience Pyrex, les mécanismes de freinage de l’atmosphère par des chaînes de montagnes de moyenne échelle ont été étudiés en détail. On a pu à cette occasion remplacer les schémas empiriques de freinage des modèles climatiques par des paramétrages plus physiques, calibrés sur des mesures de grande qualité. Dans le futur, ce thème sera amplifié dans le cadre du projet international Map (Mesoscale Alpine Programme) autour des Alpes.

Les grandes campagnes d’étude de processus météorologiques sur le terrain répondent ainsi au besoin sans cesse renouvelé d’améliorer la représentation paramétrique de ces phénomènes dans les modèles numériques. Elles permettent aussi, par la moisson d’études de cas qu’elles apportent, d’évaluer le potentiel de prévisibilité des systèmes météorologiques opérationnels actuels, d’améliorer la formulation des modèles de simulation de l’atmosphère à toutes échelles et les méthodes d’assimilation de données. Elles ont enfin permis à notre communauté de trouver la motivation et les moyens de développer plusieurs systèmes de mesures originaux et performants, et de conduire une réflexion approfondie sur la gestion, la distribution et la valorisation de grandes bases de données.