Dossier : Climat   
    La recherche française sur le climat
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  Prévisibilité aux échelles mensuelles, saisonnières, interannuelles  
   

Le Mesoscale Alpine Programme MAP


Extrait de la Lettre n°13
Programme International
Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat

(PIGB-PMRC)
  La campagne de terrain du Mesoscale Alpine Programme s'est déroulée du 7 Septembre au 15 Novembre 1999, avec une très forte participation française. Elle avait pour objectif d'améliorer nos connaissances de base sur la physique des principaux risques météorologiques en montagne: les fortes pluies, les forts vents de vallée, et la turbulence d'altitude. Il s'agissait aussi d'éprouver les capacités de la dernière génération de modèles numériques à maille très fine.

Grâce à la bonne coopération des très nombreux chercheurs participants, et grâce à des conditions météorologiques exceptionnellement favorables, la campagne a été un plein succès.



Objectifs scientifiques de MAP

Le programme international MAP (Mesoscale Alpine Programme) s'est fixé pour objectif d'améliorer les connaissances de base et la prévision des phénomènes météorologiques dangereux en zone de montagne. Des retombées sont particulièrement attendues dans les trois domaines suivants.

Les précipitations intenses ou prolongées en montagne

L'observation montre qu'en zone montagneuse, des précipitations extrêmement intenses (de 100 à 300 mm en quelques heures) peuvent se produire sur des zones restreintes (quelques centaines de km2). Lorsqu'un tel événement se produit au dessus d'un bassin versant ayant tendance à concentrer fortement le ruissellement, il peut entrainer des crues catastrophiques. Dans ce domaine, le programme MAP s'est fixé pour objectif, sur une période de 10 ans, de faire progresser la précision de la prévision des précipitations intenses à la fois dans l'espace et dans le temps: on cherche en effet à valider une nouvelle génération de modèles numériques de simulation de l'atmosphère, reposant sur un maillage spatial précis au kilomètre (c'est à dire dix fois plus précis que le maillage actuel), représentant donc la topographie avec beaucoup de finesse. L'amélioration de la prévision numérique de la pluie devrait ouvrir la voie au couplage entre modèles numériques de l'atmosphère et modèles hydrologiques distribués.

Les vents violents dans les vallées

Ces phénomènes, moins connus que ceux créés par les fortes précipitations, surviennent parfois soudainement et peuvent affecter profondément le climat de certaines vallées ou zones de piedmont. Ce sont le Foehn, qui se produit surtout en Allemagne et en Autriche, mais aussi dans quelques vallées des Alpes françaises et des Pyrénées, et le Mistral. Ils présentent des dangers pour les transports, la construction, et les activités de plein air, pour la navigation en Méditerranée et sur les grands lacs alpins, et influencent également la qualité de l'air, en dispersant activement les émissions de polluants divers émis au fond des vallées. Dans ce domaine, l'objectif est également de faire progresser notre capacité de prévision en précision spatiale et temporelle.

La turbulence en haute altitude pour l'aéronautique

Il est enfin fréquent de rencontrer des zones fortement turbulentes au dessus des massifs montagneux. Ces phénomènes, qui sont dus au déferlement des ondes de relief, sont source d'inconfort et parfois de danger pour l'aviation commerciale et l'aviation d'affaires. Les zones affectées varient fortement dans l'espace et dans le temps, car elles dépendent des caractéristiques générales de l'écoulement atmosphérique en amont, et il n'existe actuellement pas de loi simple pour prévoir la localisation et la durée de ces épisodes de turbulence.



Partenaires et Organisation

Le programme MAP a été proposé initialement en 1994 par MeteoSwiss et l'Ecole Polytechnique de Zurich. Tous les pays alpins sont impliqués, à la fois au niveau des services météorologiques et des agences de science fondamentale. Pour la France, Météo-France et le CNRS ont cofinancé à parts égales l'ensemble des dépenses de MAP. Le CNES et EDF ont également contribué au programme. La dynamique ainsi créée a convaincu d'autres partenaires (Etats-Unis, Canada, Angleterre, Espagne, et Grèce), d'apporter une importante participation. De plus, depuis 1998, le programme MAP a été reconnu comme la première réalisation d'une nouvelle action de l'Organisation Météorologique Mondiale, le WWRP (Programme Mondial de Recherche en Prévision du Temps), qui a pour objectif de favoriser la collaboration internationale en matière de recherche sur les phénomènes météorologiques violents. Au total, ce sont 14 pays et plusieurs centaines de chercheurs et d'ingénieurs qui sont mobilisés durant plusieurs années pour atteindre les objectifs de MAP.




1 : Position des zones cibles de l’expérience MAP
 

Le Centre de Données MAP est hébergé par l'Ecole Polytechnique Fédérale de Zurich, et cofinancé par l'ensemble des partenaires institutionnels. Il met à disposition de l'ensemble de la communauté scientifique les données spéciales recueillies pendant l'expérience de terrain. L'expérience de terrain a eu lieu dans les Alpes du 7 Septembre au 15 Novembre 1999. Les principales zones instrumentées étaient la région du Lac Majeur en Italie, la Vallée du Rhin en Suisse, et la Vallée du Wipp en Autriche (Figure 1). Les centres d'opérations correspondants étaient situés à Milan (Italie), Bad Ragaz (Suisse) et Innsbruck (Autriche). D'autres mesures étaient activées dans l'ensemble du massif. L'expérience était structurée autour de huit projets:

  • P1 : Mécanismes fondamentaux des précipitations orographiques
  • P2 : Anomalies de tourbillon potentiel au niveau de la tropopause
  • P3 : Mesures hydrologiques et prévision d'inondations
  • P4 : Dynamique de l'écoulement dans un col
  • P5 : Prévision du Foehn dans la vallée du Rhin
  • P6 : Déferlement des ondes de reliefs
  • P7 : Structure du sillage engendré par les Alpes
  • P8 : La turbulence dans les vallées alpines
   

Les objectifs détaillés et les premier résultats de ces projets sont exposés par Bougeault et al., (2001).

Les moyens

Les moyens mis en oeuvre par la France étaient très importants :

  • les avions Merlin IV de Météo-France et Fokker 27 ARAT,
  • les radars profileurs de vent du réseau recherche INSU-Météo,
  • le radar Ronsard du CNRS/CETP,
  • le Lidar Vent Transportable du LMD,
  • des mesures d’électricité atmosphériques,
  • un système de suivi de masses d’air par ballons dérivants (LA/CNES),
  • des sodars et profileurs UHF d’EDF ont été engagés.

Les équipes françaises ont par ailleurs contribué à développer et à mettre en oeuvre trois grands instruments aéroportés engagés dans l'expérience. Ce sont :

  • le Lidar LEANDRE, embarqué sur l'avion Fokker 27,
  • le lidar Doppler WIND, embarqué sur l'avion allemand FALCON, et
  • le radar Doppler ASTRAIA, embarqué sur l'avion américain ELECTRA.




2 : Dispositif instrumental pour le projet P1
  Ces moyens s'inséraient dans un dispositif international d'une grande richesse, dont nous ne citerons que quelques points saillants (voir en Figure 2) , une synthèse pour le seul projet P1). Au niveau aérien, les avions de recherche à long rayon d'action ELECTRA du NCAR (National Center for Atmospheric Research, USA), P3 de la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration, USA), C130 du UK Meteorological Office; les avions de recherche moyens-courriers FALCON et DORNIER 228 du DLR (Agence de Recherche Aerospatiale Allemande); divers avions légers engagés par l'Italie et la Suisse. Ces avions étaient répartis sur les aéroports d'Innsbruck, Milan, et Oberpfaffenhofen, d'où ils effectuaient des missions coordonnées.



    Au niveau du sol, six radars météorologiques de recherche américains, francais, suisses et allemands étaient installés dans la région du Lac Majeur en Italie, où les précipitations intenses sont climatologiquement les plus probables. Ces radars s'ajoutaient au réseau opérationel italien. L'instrument le plus avancé était le radar américain S-Pol, doté d'une capacité de mesures polarimètriques, permettant d'identifier la nature des hydrométéores. Dans les vallées du Pô, du Rhin, du Wipp, de l'Inn, de la Toce et du Tessin, un très grand nombre de moyens de mesure étaient rassemblés: stations automatiques de surface, radio-sondages, profileurs de vent, Sodars, scintillomètres, mesures du bilan d'énergie, mesures de l'humidité des sols, microbarographes, etc... Les instruments les plus "pointus" étaient les lidars Doppler à balayage français (vallée du Rhin) et américains (vallée du Wipp), permettant de reconstituer des champs volumiques de vent en l'absence de nuages.

Les phases d’observation

La période choisie de l'Automne 99 s'est révélée riche en événements météorologiques intéressants. En dix semaines, dix-sept périodes d'observations intensives ont pu être réalisées, totalisant trente-cinq jours d'observation. Tous les phénomènes intéressants pour MAP se sont produits avec une fréquence supérieure à la moyenne, deux fois plus que la moyenne pour certains d'entre eux. Aucune des dix années précédentes n'aurait pu fournir une combinaison plus favorable aux observations de MAP. Environ 110 missions aériennes ont été réalisées, pour un total de 500 heures de vol. Le nombre total de radio-sondages a été de 6800, dont 4000 en plus du programme normal d'observation. Il y a eu 84 vols de ballons à altitude constante, 17 séquences d'images Meteosat à haute cadence (406 heures). Les radars de recherche ont fonctionné pendant 864 heures, et les lidars pendant 187 heures.



Quelques résultats

Nous présenterons quelques résultats saillants dans l'ordre des projets. Pour une présentation plus complète, on pourra se reporter à Bougeault et al. (2001).




3 : Restitution du champ de vent
  Mécanismes fondamentaux des précipitations orographiques

Un programme de calcul développé par Météo-France et le LA a permis de reconstituer en temps réel les champs de vitesse des masses nuageuses avec une grande précision, en exploitant les mesures simultanées de vitesse Doppler réalisées par les radars Ronsard du CETP et Monte Lema de MeteoSwiss, distants de 70 kilomètres (technique Dual-Doppler, voir Figure 3). De tels calculs sont effectués en temps différé depuis plusieurs années, mais la mise en oeuvre en temps réel représente une première mondiale. Les radars de surface et les radars aéroportés permettaient ainsi de réaliser toutes les quinze minutes environ des cartes en trois dimensions de la quantité totale d'eau de pluie et de glace en suspension dans ces systèmes, ainsi que des vitesses de déplacement, avec une finesse de l'ordre du kilomètre sur l'horizontale et de la centaine de mètres sur la verticale. De telles cartes seront utiles pour comprendre les processus dynamiques qui permettent aux systèmes pluvieux de se déplacer et de se régénérer sur les reliefs. Elles permettront également de vérifier le réalisme des simulations numériques qui seront réalisées.




4 : Coupe de vapeur d’eau dans une foliation de tropopause
  Anomalies de Tourbillon Potentiel en haute altitude

L'avion Falcon du DLR a effectué plusieurs pénétrations dans ces zones, et les a documentés notamment au moyen d'un lidar à haute sensibilité pour la mesure de la vapeur d'eau (voir Figure 4). Ceci permettra d'en donner des coupes verticales, avant que la zone d'air polaire atteigne les Alpes, et au dessus des Alpes. Les modifications apportées par le forçage orographique devraient alors apparaître clairement. Une retombée de ces études sera une meilleure connaissance des échanges d'air entre la troposphère et la stratosphère au dessus des montagnes.



    Mesures hydrologiques et prévisions d'inondations

Plusieurs crues intéressantes ont été enregistrées, notamment les 20 et 25 Septembre. Des modèles numériques d'écoulement ont été activés en temps quasi-réel sur ces événements, avec des entrées pluies constituées des observations et/ou des prévisions des modèles atmosphériques. Les quantités d'eau stockées ou déstockées par les barrages hydro-électriques ont également été communiquées par les agences concernées, ce qui permettra d'étudier la sensibilité des prévisions à la connaissance de ces données en temps réel. Les premiers résultats montrent que l'intensité des crues est à peu près bien simulée par les modèles, mais pas leur déroulement temporel, le maximum pouvant être simulé avec plusieurs heures de décalage.




5 : Coupe verticale de l’écoulement le long de la vallée du Wipp
  Dynamique de l'écoulement dans un col

Ce projet se déroulait dans la vallée du Wipp au Sud d'Innsbruck, qui s'ouvre vers l'Italie par le très large col du Brenner (1300m). Il s'agit de la principale trouée dans l'arc Alpin. Il a donné lieu à six journées de mesures. D'après la théorie, en situation de vent synoptique de Sud ou Sud-Ouest, le vent est canalisé par le col et atteint des valeurs fortes susceptibles de déclencher des phénomènes de sur-criticité et de ressaut hydraulique. Ces phénomènes peuvent également déclencher des ondes de relief intenses et de fortes turbulences. La réalité de ce phénomène a pu être établie par plusieurs missions aériennes dans le col du Brenner et la vallée du Wipp. Le lidar LEANDRE embarqué à bord de l'avion français ARAT a notamment permis d'établir une belle coupe longitudinale de l'écoulement (Figure 5) montrant une forte descente des masses d'air en aval du col, suivie d'une brusque remontée, conformément à la théorie hydraulique.




6 : Vue tri-dimensionnelle des vitesses radiales


  Prévision du Foehn

Ce projet, qui a donné lieu a huit journées de mesures, se déroulait dans la vallée du Rhin, à cheval sur la Suisse, le Liechstenstein et l'Autriche. Le Foehn y est un vent de Sud violent qui se déclenche dans cette vallée quand le vent synoptique est de Sud ou de Sud-ouest. On parle de Foehn mince quand le vent tourne rapidement à l'ouest au dessus des crêtes, et de Foehn profond quand le vent reste orienté au Sud sur une large profondeur de l'atmosphère Les deux types de conditions ont été observés pendant l'expérience. On a pu noter que le Foehn s'établissait sur une période de plusieurs heures, mais disparaissait très rapidement. L'intensité du Foehn a été cartographiée en trois dimensions grâce aux mesures de l'avion Merlin, de l'avion léger suisse Dimona, de très nombreux radio-sondages de l'armée suisse, et des mesures de surfaces réaliséee par plusieurs universités. Des coupes par scintillomètres ont également été réalisées d'un versant à l'autre, à 500 mètres au dessus du sol de la vallée. Ces mesures continues dans le temps ont révélés des vents atteignant parfois une intensité de 30m/s à cette altitude. Une attention particulière a été accordée à la zone de confluence entre deux vallées située près de Vilters. Le lidar vent transportable du LMD (Drobinsky et al., 2000) a été installé sur ce site, et a permis d'examiner le comportement de l'écoulement, très variable d'un jour à l'autre (Figure 6).



    Déferlement des ondes de relief

Plusieurs ondes de relief fortes ont été observées pendant l'expérience grâce aux avions de recherches (neuf journées de mesures). Ces systèmes étaient localisés dans des zones variées des Alpes. Des ondes provoquées par le Mont Blanc ont ainsi fait l'objet d'une mission conjointe de 5 avions, la plus importante en nombre de toute l'expérience. D'autres missions coordonnées se sont déroulées sur le Monte Rosa et sur les Hohe Tauern en Autriche. Lors de ces missions, des vitesses verticales locales de l'air atteignant 8 m/s à 5000 m d'altitude ont été observées, ce qui représente une première dans les Alpes, et un danger certain pour l'aviation légère.

Structure du sillage engendré par les Alpes

Le principal résultat réside dans la vérification directe de l'existence sur la Plaine du Pô des bandes secondaires de tourbillons créées par les grand cols alpins, comme le Saint-Gotthard et le Brenner. Par vent synoptique de Nord, les accélérations locales du vent en aval de ces cols sont toujours présentes à plusieurs centaines de kilomètres de la crête, et cette structure particulière de l'écoulement doit avoir des conséquences fortes sur l'ensemble de la dynamique de l'atmosphère dans cette région. Cette structure très complexe a pu être observée par des missions coordonnées des avions français et américains. Jusqu'à quatre avions ont volé simultanément à des altitudes différentes pour découvrir ainsi la structure du sillage alpin.





7 : Simulation numérique du modèle MesoNH

 

Conclusions et Perspectives

La participation française à MAP a été substantielle et très appréciée. Les mesures françaises étaient bien souvent les premières versées au catalogue de terrain. L’exploitation de ces mesures va prendre environ plusieurs années aux très nombreuses équipes françaises, européennes et américaines engagées dans MAP. L’exploitation de ces mesures en modélisation numérique est en cours grâce notamment au modèle communautaire de recherche MésoNH (figure 7). Ces travaux commencent par la qualification des conditions initiales pour chaque journée d'observation. Les données les plus classiques, comme les radio-sondages et les observations au sol, sont assimilées dans les modèles pour créer des états initiaux plus réalistes. Les simulations numériques sont comparées aux mesures, notamment de la microphysique des nuages, et l'on tente d'améliorer les paramètres des modèles numériques pour converger vers les observations. A ce stade, une convergence entre les découvertes des huit projets devrait s'établir, et l'on devrait arriver à une vision claire de l'écoulement à l'échelle de l'ensemble des Alpes.

Les progrès de l'exploitation scientifique du programme MAP sont exposés régulièrement dans les conférences scientifiques. Le site Internet de MAP donne accès à l'ensemble des observations, et à de nombreux documents de synthèse permettant de suivre ces progrès. Notez son adresse: http://www.map.ethz.ch.


Contact : Philippe Bougeault - philippe.bougeault@meteo.fr
Météo-France,
Centre National de Recherches Météorologiques, Toulouse

Evelyne Richard et Franck Roux
rice@aero.obs-mip.fr - franc.roux@aero.obs-mip.fr
Laboratoire d'Aérologie,
CNRS et Université Paul Sabatier, Toulouse



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