Le projet Concordiasi en Antarctique

Campagnes expérimentales
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La Météorologie - n° 69 - mai 2010
Le projet Concordiasi
en Antarctique
Ndlr La rédaction remercie Florence
Rabier et les auteurs ainsi que le Bulletin of the American Meteorological
Society (BAMS), pour l’autorisation
qu’ils lui ont donnée de reproduire cet
article paru sous le titre « The Concordiasi project in Antarctica », en janvier
2010, dans le BAMS, volume 91, pages
69 à 86. La traduction a été faite par
Michel Rochas. La figure A, le résumé et
l’abstract ont été ajoutés par la rédaction.
Résumé
Au cours des printemps austraux de
2008, 2009 et 2010, des observations
météorologiques in situ seront effectuées en Antarctique, incluant des
radiosondages faits à Concordia et sur
plusieurs autres sites. En 2010, jusqu’à
dix-huit ballons stratosphériques surpressurisés (SPB, Stratospheric Superpressure Balloon) seront déployés
depuis la station McMurdo (six pour
mesurer la température, la pression,
l’ozone et les particules, et douze pour
larguer des dropsondes à la demande,
afin de mesurer les paramètres
atmosphériques). L’objectif est d’améliorer la qualité des prévisions météorologiques et celle des enregistrements
climatiques en Antarctique, de mieux
caractériser la dynamique 3D du vortex polaire et d’étudier ses interactions
avec les basses latitudes. Le projet
Concordiasi comporte plusieurs volets
innovants comme les premières observations quasi lagrangiennes de l’ozone
et des particules stratosphériques, le
développement de nouvelles techniques pour assimiler ces nouvelles
observations lagrangiennes par les ballons et la calibration de l’utilisation de
données satellitaires dans les modèles,
en particulier celles du sondeur hyperspectral dans l’infrarouge Iasi.
L’accent est mis sur les nuages, les précipitations et le bilan de masse des
calottes glaciaires ainsi que sur l’analyse des processus microphysiques et
dynamiques qui contrôlent les liens
entre le vortex polaire et la diminution
d’ozone polaire.
…
F. Rabier(1), A. Bouchard(1), É. Brun(1), A. Doerenbecher(1), S. Guedj(1),
V. Guidard(1), F. Karbou(1), V.-H. Peuch(1), L. El Amraoui(1), D. Puech(1),
C. Genthon(2), G. Picard(2), M. Town(2), A. Hertzog(3), F. Vial(3),
P. Cocquerez(4), S. A. Cohn(5), T. Hock(5), J. Fox(5), H. Cole(5), D. Parsons(5),
J. Powers(5), K. Romberg(5), J. Van Andel(5), T. Deshler(6), J. Mercer(6),
J. S. Haase(7), L. Avallone(8), L. Kalnajs(8), C. R. Mechoso(9),
A. Tangborn(10), A. Pellegrini(11), Y. Frenot(12), J.-N. Thépaut(13),
A. McNally(13), G. Balsamo(13) et P. Steinle(14)
(1) CNRM-Game - Météo-France et CNRS
42, avenue Gaspard-Coriolis, 31057 Toulouse
[email protected]
(2) Laboratoire de glaciologie et géophysique de l’environnement (LGGE),
Grenoble
(3) Laboratoire de météorologie dynamique (LMD), Paris
(4) Centre national d’études spatiales (Cnes), Toulouse
(5) National Center for Atmospheric Research (NCAR), Boulder, Colorado
(6) Université du Wyoming, Laramie, Wyoming
(7) Université Purdue, West Lafayette, Indiana
(8) Université du Colorado, Boulder, Colorado
(9) Université de Californie à Los Angeles (Ucla), Los Angeles, Californie
(10) Global Modeling and Assimilation Office/Goddard Space Flight Center
(GMAO/GSFC), Greenbelt, Maryland
(11) Programma Nazionale Ricerche in Antartide (PNRA), Rome, Italie
(12) Institut polaire Paul-Émile Victor (Ipev), Brest
(13) European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF),
Reading, Royaume Uni
(14) Centre for Australian Weather and Climate Research (CAWCR),
Melbourne, Australie
’expérience de terrain Concordiasi
permet d’effectuer des observations innovantes dans l’atmosphère
au-dessus de l’Antarctique, en particulier avec un ensemble de ballons stratosphériques surpressurisés déployés
depuis la station McMurdo.
L
Motivation
Le projet Concordiasi est motivé par le
besoin urgent de réduire les incertitudes
dans différents (mais complémentaires)
domaines de la science antarctique.
Un enjeu important pour la société est
de comprendre si le changement climatique peut engendrer une modification
significative dans le bilan de masse de
la calotte glaciaire antarctique et, par
conséquent, avoir un impact sur le
niveau des océans. Des jeux de données
réanalysées sont des outils indispensables pour évaluer l’évolution de la distribution des précipitations et d’autres
variables importantes pour le bilan de
masse sur la calotte glaciaire.
L’Antarctique et l’océan austral sont des
régions à faible densité de mesures opérationnelles ou climatologiques, même
en comparaison avec l’Arctique, à
cause du très faible nombre de sites
d’observation dans les hautes latitudes
australes. Les mesures satellitaires ont
le potentiel pour remplir ces trous du
réseau de mesures, mais elles présentent
leurs propres défis et difficultés. C’est
en particulier le cas pour les mesures
fournies par les sondeurs infrarouges
hyperspectraux comme Iasi (Interféromètre atmosphérique de sondage infrarouge) ou Airs (Atmospheric Infra Red
Sounder). Ces défis doivent être relevés
et les erreurs doivent être réduites pour
produire des réanalyses précises pour
les études climatiques qui sont fondées
essentiellement sur les observations.
Des analyses précises en temps réel
sont aussi importantes pour les prévisions locales du temps (utilisées dans
les opérations sur le terrain) comme
pour une meilleure compréhension des
interactions plus globales entre
l’Antarctique et les autres régions.
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La Météorologie - n° 69 - mai 2010
Abstract
The Concordiasi project
in Antarctica
During the austral springs of 20082010, in situ observations will be
gathered in Antarctica, including
radio-sounding measurements at
Concordia and other sites. In 2010,
up to eighteen long-duration stratospheric superpressure balloons
(SPBs) will be deployed from the
McMurdo station (six to measure
temperature, pressure, ozone, and
particles and twelve will on demand
release drop-sondes to measure
atmospheric parameters only). The
aim is to increase the accuracy of
weather prediction and climate
records in Antarctica, to improve the
characterization of the 3D polar vortex dynamics and study its interactions with lower latitudes. Unique
features of the Concordiasi project
include the first quasi-Lagrangian
observations of stratospheric polar
ozone and particles, the development
of new techniques to assimilate these
new Lagrangian observations from
balloons and the calibration of the
use of satellite data in the models, in
particular from the hyperspectral
infrared sounder IASI. The focus is
on clouds, precipitation, mass budget of the ice sheets and on analyzing
the microphysical and dynamical
processes controlling the links between the polar vortex and polar
ozone depletion.
La plus forte baisse d’ozone dans l’atmosphère terrestre a lieu dans la stratosphère polaire australe. La diminution
d’ozone stratosphérique observée
depuis les années 1980 (Farman et al.,
1985) est sans doute l’aspect du climat
antarctique qui a attiré le plus d’attention de la part du public et de la communauté scientifique. Bien que le rôle des
nuages stratosphériques polaires dans la
baisse d’ozone au-dessus des régions
polaires ait été reconnu depuis plus de
deux décennies, des questions fondamentales restent sans réponse sur la chimie et la microphysique de ces nuages,
comme le mécanisme de nucléation
pour les particules de trihydrate d’acide
nitrique (par exemple, Tolbert et Toon,
2001 ; Larsen et al., 2004). Des interrogations subsistent aussi sur les interactions entre ces nuages et la dynamique
de la stratosphère australe (Hopfner et
al., 2006, par exemple).
Aperçu du projet
L’étude des précipitations pour contraindre le bilan de masse sur l’Antarctique et
de la baisse d’ozone stratosphérique
offre une forte motivation pour des
mesures in situ multiéchelles améliorées.
L’isolement, l’environnement difficile, la
haute altitude du plateau antarctique ont
rendu difficile la réalisation de campagnes de mesures sur le terrain à partir des
bases sur le continent. Toutefois, de nouvelles possibilités sont apparues qui sont
au cœur du projet Concordiasi. Il s’agit
d’un effort pluridisciplinaire utilisant une
constellation de ballons stratosphériques
instrumentés de longue durée ainsi que
des observations in situ aux stations
Concordia (75° S, 123° E) et Dumont
d’Urville (66° S, 140° E) sur la côte de la
terre Adélie. Le programme de recherche
comporte des études allant du transport
et de la diminution d’ozone, la microphysique des nuages stratosphériques
polaires, jusqu’à l’utilisation des mesures satellitaires pour améliorer les analyses opérationnelles et les réanalyses pour
la recherche climatique. Concordiasi
s’intéressera aussi à la météorologie du
plateau, avec les nuages, l’accumulation
des précipitations, et la structure et la
dynamique de la couche limite au-dessus
de l’Antarctique. Les recherches fondées
sur les modèles seront par nature multiéchelle, et utiliseront des modèles de
mésoéchelle à haute résolution, des systèmes de prévision numérique du temps
et des modèles climatiques globaux. Les
bases de données d’observation et de
modélisation engendreront des efforts
collaboratifs en assimilation des mesures
satellitaires, pour comprendre les nuages
et les précipitations antarctiques, l’évolution de la couche limite stable, et les
effets réciproques des nuages stratosphériques polaires, des ondes de gravité, de
la dynamique du vortex et de la diminution d’ozone.
Concordiasi est une initiative commune
franco-américaine qui a débuté pendant
l’Année polaire internationale (API),
[IPY en anglais]. Le projet se déroule en
Antarctique au cours des mois de septembre à novembre 2008, décembre 2009 et
septembre à décembre 2010. Il fait partie
de l’ensemble de recherches IPY-Thorpex
(http://www.wmo.int/thorpex) appuyé
conjointement par le Conseil international pour la science (Icsu) et l’Organisation météorologique mondiale (OMM).
Il est réalisé par des scientifiques de
Région antarctique
Concordia
et Dumont d’Urville
Radiosondages
réguliers
supplémentaires
Concordia
Ballons stratosphériques
surpressurisés
Instruments embarqués
Instruments météorologiques
Capteurs d’ozone
Compteurs de particules
Récepteurs GPS
Radiosondages
fréquents
et mât instrumenté
Dropsondes
2008
2009
Études préliminaires d’assimilation
Préparation des instruments
Sondages Iasi à Concordia
Études sur la couche limite
Préparation des instruments
Figure 1 - Déroulement de la campagne
expérimentale Concordiasi, des mesures
réalisées et des recherches associées.
2010
2011
Dropsondes ciblées
Sondages Iasi localisés avec les dropsondes
Évaluation des modèles de transport des espèces chimiques
Études scientifiques fondées sur les mesures stratosphériques
Études d’assimilation fondées sur les mesures sous ballons
Validation des assimilations des mesures satellitaires avec les dropsondes
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France, des États-Unis, d’Italie,
d’Australie, et met en jeu des organisations internationales comme le Centre
européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT).
Aperçu du dispositif
expérimental
Un aperçu du dispositif expérimental de
Concordiasi et de la stratégie scientifique
associée est donné sous forme schématique sur la figure 1. Les différentes composantes du projet sont décrites ci-après.
Mesures à partir du sol
En Antarctique (figure A), les mesures
régulières sont effectuées principalement le long des côtes, à l’exception de
la station de recherche Amundsen-Scott
au pôle Sud (mise en œuvre par les
États-Unis) et de Concordia, sur le plateau, au Dôme C (gérée par l’Italie et la
France). Deux radiosondages par jour
sont réalisés à Amundsen-Scott, alors
que Concordia alimente le SMT
(Système mondial de télécommunications) avec un radiosondage à 12 h UTC.
Concordia a été établie récemment avec
La Météorologie - n° 69 - mai 2010
un premier hivernage de treize techniciens et scientifiques en février 2005. Le
transport par la surface des lourdes charges depuis Dumont d’Urville prend de
dix à quinze jours. Concordia a une
situation idéale pour valider l’assimilation des mesures satellitaires, parce que
la surface du plateau antarctique est très
homogène en comparaison de beaucoup
d’autres sites. Pour des satellites héliosynchrones comme Aqua et MetOp,
l’inclinaison de l’orbite est généralement voisine de 98°, le pôle n’est donc
pas directement sur la trace du satellite,
bien qu’il soit couvert par l’extrémité de
la fauchée, alors que la station
Concordia se trouve directement sur
cette trace plusieurs fois par jour. Au
cours des mois de septembre et octobre
2008, la fréquence des radiosondages à
Concordia a été portée à deux par jour,
la rendant similaire à celle d’AmundsenScott, avec des sondages spéciaux, synchrones avec les passages du satellite.
La fréquence des radiosondages à
Dumont d’Urville a aussi été augmentée. À Concordia, des radiosondages
supplémentaires ont aussi été réalisés au
cours de périodes d’opérations intensives autour de décembre 2009 afin de
documenter les conditions locales du
temps pour des études plus détaillées
des nuages, des précipitations et de la
couche limite sur le plateau.
En plus des sondages, des instruments
spécif iques, pour des observations
météorologiques de chute et d’accumulation de neige, ont été déployés par le
Laboratoire de glaciologie et géophysique de l’environnement (LGGE), avec
le support de l’Institut polaire français
Paul-Émile Victor (Ipev) et l’Institut
national des sciences de l’univers
(Insu). En particulier, un mât d’une hauteur de 45 mètres a été instrumenté sur
six niveaux pour des mesures de vent,
température et humidité.
Ballons stratosphériques
surpressurisés (SPB)
Durant la campagne de terrain, une
constellation comportant jusqu’à dixhuit ballons stratosphériques surpressurisés (SPB, Stratospheric Superpressure
Balloon) de longue durée sera lancée en
2010 par le Centre national d’études
spatiales (Cnes) depuis la base américaine McMurdo de la National Science
Foundation (NSF). Des systèmes de
ballons stratosphériques semblables ont
été utilisés de façon intensive en recherche atmosphérique. Durant le printemps
austral 2005, le projet Vorcore a déployé
une constellation de vingt-cinq ballons
stratosphériques du Cnes à partir de
McMurdo (78° S, 166° E). Les ballons
ont dérivé dans la basse stratosphère sur
des surfaces isopycniques et effectué
des mesures météorologiques toutes les
15 minutes (Hertzog et al., 2007). La
durée moyenne de vol de ces ballons a
été de 58,5 jours, le record étant de
109 jours.
Parmi les résultats scientifiques de
Vorcore, il y a une meilleure connaissance du champ d’ondes de gravité dans
la basse stratosphère polaire, le régime
de dispersion à l’intérieur du vortex
polaire et une évaluation de la précision
des analyses opérationnelles dans la
région polaire (Vincent et al., 2007 ;
Boccara et al., 2008 ; Hertzog et al.,
2008 ; Plougonven et al. 2008).
Figure A – Carte de l’Antarctique.
Le potentiel des ballons du type de ceux
utilisés dans Vorcore, comme platesformes de recherche, croît rapidement
grâce à des développements révolutionnaires dans les dispositifs de calcul, le
positionnement et les communications,
parallèlement au développement de
capteurs miniaturisés à basse consommation. Les ballons utilisés dans
Concordiasi comporteront plusieurs
améliorations importantes par rapport à
ceux de Vorcore. Un système de communication amélioré permettra une
fréquence de mesure accrue des
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La Météorologie - n° 69 - mai 2010
paramètres météorologiques, passant de
15 à 1 minute, ce qui améliorera la description de processus dynamiques
comme les ondes de gravité à haute fréquence. Six des vols seront dédiés à la
chimie et aux particules. Ces ballons,
qui ont été construits pour une durée de
vie de quatre mois, seront lancés durant
les mois d’août et de septembre 2010.
Le Laboratoire de météorologie dynamique (LMD) développe un petit capteur léger pour mesurer l’ozone au
cours de ces vols. Certains ballons
emporteront le photomètre UV à base
de LED (Light-Emitting Diode, diode
électroluminescente) de l’université du
Colorado pour mesurer l’ozone. Quatre
de ces ballons feront des mesures dans
les nuages stratosphériques polaires
avec un compteur de particules développé par le groupe de Terry Deshler à
l’université du Wyoming.
Deux des ballons du Cnes seront aménagés pour emporter des récepteurs
GPS bifréquence à haute précision
développés à l’université de Purdue. Ils
ont la capacité de restituer des profils
de réfractivité par radio-occultation qui
permettent de calculer des profils de
température et d’humidité. La technique de radio-occultation GPS a d’abord été développée pour des satellites
en orbite basse, qui enregistrent les
signaux réfractés des satellites GPS en
orbite haute lorsqu’ils passent au limbe
terrestre (Kursinski et al., 1997). Elle a
aussi été utilisée sur des avions de
recherche à haute altitude (Garrison et
al., 2005). Les ballons isopycniques
sont bien adaptés à ce type d’observations parce que leur précision croît avec
l’altitude du récepteur. Les mesures
peuvent être poursuivies pendant toute
la durée du vol, fournissant une grande
richesse de données. On attend beaucoup des mesures de réfractivité pour la
recherche et en tant que tests de comparaison pour l’assimilation des mesures
satellitaires dans les modèles numériques sur la région antarctique. Dans le
meilleur scénario, il y aurait en
moyenne deux profils d’occultation par
heure au sud de 60° S, où il y a normalement vingt sondages par jour.
Concordiasi va étendre le concept de
plate-forme de recherche en vol en lançant en septembre et octobre 2010 jusqu’à douze ballons qui emportent des
nacelles, appelées driftsondes, contenant des systèmes de mesure descendant sous un parachute. Chaque
driftsonde emporte jusqu’à 50 dropsondes GPS miniatures qui peuvent être
larguées à la demande, produisant des
profils verticaux à haute résolution de
température, humidité, vents par GPS et
pression, entre le niveau de vol et la surface. Des dropsondes GPS semblables
sont lancées en grand nombre d’avions
pour la recherche et la prévision opérationnelle. Par exemple, la prévision de
la trajectoire et de l’intensité des cyclones est fondée sur les mesures de telles
dropsondes. La driftsonde a été emportée avec succès sur des ballons stratosphériques du Cnes au cours de la
saison cyclonique 2006 sur des vols audessus de l’Afrique et l’océan
Atlantique tropical (Drobinski et al.,
2006). Plus récemment, treize driftsondes ont été lancées au cours de l’expérience 2008 Thorpex Pacif ic Asian
Regional Campaign (T-Parc) et ont
fourni plusieurs centaines de profils
atmosphériques de la basse stratosphère
à la surface, au-dessus de l’océan
Pacifique tropical où les mesures sont
rares.
La driftsonde a été modifiée pour les
besoins de Concordiasi et pour améliorer ses performances grâce au retour
d’expérience de T-Parc. La durée des
vols pour Concordiasi sera d’au moins
six semaines, comparée à environ une
semaine dans les projets précédents, et
il y aura plus de dix driftsondes en vol
simultanément. Les modifications pour
Concordiasi concerneront l’utilisation
de plus de batteries et l’ajout de panneaux solaires afin de satisfaire les
besoins en puissance et chauffage, des
changements dans le processus de largage pour plus de fiabilité et l’amélioration du logiciel pour simplifier les
opérations et permettre le traitement de
plusieurs driftsondes simultanément.
Au cours de l’expérience, les largages
de dropsondes seront principalement
ciblés sur les passages des satellites
emportant Iasi et Airs pour valider l’assimilation de leurs mesures. Cependant,
certaines dropsondes seront dédiées à
des études de prévisibilité qui seront
décrites plus loin. Les dropsondes serviront aussi à valider les mesures déduites du GPS.
Traité de l’Antarctique
et politique des données
Avant la mise en œuvre de Concordiasi,
une évaluation environnementale préalable (EEP) a été réalisée conformément aux directives du protocole de
Madrid au traité de l’Antarctique, en
particulier à celles contenues dans l’annexe I sur l’évaluation des impacts environnementaux. L’étude a été entreprise
parce que le rejet ou le largage d’un
volume minimal de déchets sur le continent Antarctique et l’océan austral
faisait partie des programmes expérimentaux. Sur la base de cette EEP, l’autorité française compétente, l’administrateur supérieur des Terres australes
et antarctiques françaises, a délivré l’autorisation de réaliser l’expérience
(arrêté n° 2008-115, du 6 octobre
2008).
Les mesures des radiosondes sont mises
à disposition en temps réel sur le SMT,
de même que celles de dropsondes et
quelques mesures en vol (vent et température au niveau de la nacelle). Les
autres mesures seront rendues disponibles au fur et à mesure de leur traitement, avec un délai espéré de six mois
et un délai maximal de deux ans après
la mesure, conformément à la politique
des données de l’Année polaire internationale. Les mesures sont accessibles
sur le site http://www.cnrm.meteo.fr/
concordiasi-dataset/.
Composante modélisation
En complément du volet observation,
Concordiasi comporte un effort important de modélisation et d’assimilation
de données. Météo-France réalisera des
simulations globales et régionales à
haute résolution. Le modèle global français Arpège (Fourrié et al., 2006, par
exemple), développé en collaboration
avec le CEPMMT, utilise une assimilation variationnelle quadridimensionnelle et a été adapté pour avoir une
résolution spatiale plus forte sur
l’Antarctique. Le modèle français sur
domaine limité Méso-NH, ou sa version
Arome, numériquement plus efficace,
sera imbriqué dans Arpège, avec une
résolution fine de 2,5 km. Des prévisions à mésoéchelle en temps réel
seront aussi réalisées par le modèle
Weather and Research Forecasting
(WRF) avec l’Antarctic Mesoscale
Prediction System (AMPS) [Powers et
al., 2003] utilisé conjointement par le
National Center for Atmospheric
Research (NCAR) et l’Ohio State
University. AMPS fournit un support en
prévisions numériques du temps (PNT)
au « Programme Antarctique » américain et une aide pour les autres pays travaillant en Antarctique.
Les modèles régionaux à haute résolution sont des outils précieux pour aborder plusieurs des processus critiques
pour le système climatique de la région
antarctique, comme les ondes de gravité
se propageant verticalement qui peuvent avoir une influence sur les nuages
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stratosphériques, les circulations orographiques et les tourbillons de mésoéchelle conduisant à des événements
précipitants intenses. De plus, les paramétrisations sophistiquées de la couche
limite et de la microphysique contenues
dans les modèles de mésoéchelle aideront à une meilleure description des
nuages troposphériques et du brouillard.
Les modèles globaux seront utilisés
pour étudier les téléconnexions entre
l’Antarctique et les autres régions. Une
meilleure compréhension de ces liens
apportera une aide pour améliorer la
paramétrisation des processus physiques fondamentaux dans les modèles
à larges mailles. L’effort français en
modélisation comportera une composante forte en assimilation de données
visant à améliorer les produits des analyses et réanalyses sur l’Antarctique. La
validation des produits des modèles à
échelle fine sera réalisée principalement au LGGE (Genthon et al. 2005 ;
Krinner et al., 2006) à l’aide d’observations locales sur le terrain. L’impact des
améliorations dans la circulation générale de l’atmosphère sur la simulation et
la prévision des profils d’ozone sera
aussi évalué à l’aide d’un modèle de
transport-chimie.
La Météorologie - n° 69 - mai 2010
des enregistrements climatiques, est
donc d’utiliser le maximum de mesures
utiles afin d’éviter de tirer des conclusions qui dépendent du modèle. Audessus de l’Antarctique, la rareté des
mesures conventionnelles doit être
compensée par l’information satellitaire, particulièrement des satellites en
orbite polaire.
poids a un maximum haut dans l’atmosphère peuvent être utilisés dans
ces cas pour réduire les biais engendrés. La figure 2 montre un exemple
de mesures supplémentaires du canal
Iasi le plus bas utilisé au-dessus des
glaces de mer et de la terre, qui a un
maximum à 300 hPa, utilisées dans
une expérience d’assimilation dans
Arpège, par rapport à l’usage opérationnel. La couverture supplémentaire
a apporté une amélioration dans les
prévisions sur la région antarctique,
dont le bénéfice s’est propagé dans le
temps à d’autres régions australes.
Mais cela ne représente qu’un premier
pas, car nous voulons maintenant utiliser aussi les canaux qui ont un poids
maximal beaucoup plus bas. Avant
d’aborder le difficile sujet de la détection des nuages dans les régions polaires, nous allons étudier les problèmes
de surface dans les régions où les nuages ne sont pas trop fréquents, en étudiant en détail les restitutions
au-dessus de Concordia, où nous bénéficierons des radiosondages supplémentaires.
Assimilation des mesures
satellitaires
Les études antérieures ont montré que
les observations satellitaires ont un
impact beaucoup plus fort sur les prévisions et les réanalyses sur l’Antarctique
que dans d’autres régions plus riches en
observations comme l’Arctique. Les
mesures des satellites ont eu un impact
et un succès significatif en assimilation
de données (Bouttier et Kelly, 2001),
particulièrement depuis que les techniques d’assimilation les plus avancées
ont été mises en œuvre, comme le 4DVar (Rabier et al., 2000). Il reste cependant des déf is et l’utilisation des
observations satellitaires doit encore
être optimisée. Cette optimisation en
assimilation de données est l’un des
problèmes abordés dans le programme
international Thorpex (Rabier et al.,
2008). Elle est particulièrement nécessaire pour la nouvelle génération de
sondeurs hyperspectraux, comme Airs
sur Aqua, Iasi sur MetOp et le futur Cris
sur NPOESS (Fourrié et Rabier, 2004,
par exemple). Ces nouveaux instruments, qui font des mesures dans l’infrarouge, fournissent des informations
sur les profils atmosphériques de température et d’humidité, les gaz traces et
les propriétés de la surface.
Les objectifs scientif iques de
Concordiasi nécessitent des observations et des analyses de l’atmosphère à
différentes échelles de temps. Les analyses peuvent être utilisées comme
conditions initiales pour des prévisions
en temps réel, qui peuvent ensuite aider
à une meilleure compréhension et prévision du temps dans les régions polaires, particulièrement pour l’assistance
aux opérations de terrain. Pour la
recherche climatique, les réanalyses
produites par les centres opérationnels
sont des outils puissants pour documenter les conditions atmosphériques passées. L’élaboration d’analyses et de
réanalyses repose sur des modèles
numériques et les champs produits par
ces modèles peuvent servir à de multiples usages, comme le calcul de paramètres dans des régions mal
échantillonnées, la définition de relations entre les variables et leurs variations dans le temps et l’espace, et la
détection d’erreurs d’observation.
L’objectif général de l’assimilation de
données, particulièrement pour l’étude
Les problèmes clés pour le succès de
l’assimilation des mesures des sondeurs
avancés au-dessus des régions polaires
sont la détection des nuages et l’évaluation de la
contribution de la surface
au signal mesuré. Par
exemple, les nuages audessus de surfaces très
froides
dans
une
atmosphère stable apparaissent plus chauds que la
surface sous-jacente dans
les mesures infrarouges.
C’est le contraire de ce qui
est attendu dans la plupart
des algorithmes de détection des nuages au-dessus
des surfaces plus chaudes.
De plus, les nuages stra- Figure 2 - Localisation des points de mesure du canal Iasi 306, dont le
tosphériques polaires peu- poids maximal est à 300 hPa, utilisés dans un système expérimental
vent altérer le signal de d’assimilation au-dessus des terres et des glaces en Antarctique. Les
température atmosphé- pixels utilisés sont matérialisés par des cercles, la couleur noire indiceux qui ont été utilisés aussi dans l’assimilation opérationnelle.
rique car ils sont difficiles quant
Les autres couleurs signifient que ces pixels ont été utilisés seulement
à détecter. Toutefois, des dans l’expérience d’assimilation (elles correspondent à la température
canaux dont la fonction de brillance de la mesure de 170 à 220 K, avec un pas de 5 K).
Objectifs scientifiques
Le problème que nous voulons étudier
est celui de la grande variabilité de la
surface des régions polaires. La température et l’émissivité de la surface neigeuse dans les régions hétérogènes
peuvent introduire un biais significatif
dans les restitutions de la température
atmosphérique puisque les canaux choisis pour fournir l’information sur la
température dans la troposphère
moyenne ont encore une sensibilité de
10 % aux conditions de surface
(English, 2008). Les erreurs dans la
modélisation de l’émission par la surface dans ces canaux peuvent donc
47
La Météorologie - n° 69 - mai 2010
Figure 3 - Cartes des corrélations entre observations et simulations du canal 4 d’Amsu-A (53,3 GHz) pour août
2007 (voir texte). Sont présentés : (a) les résultats d’une expérience de contrôle ; (b) d’une expérience où l’émissivité de surface a été estimée en supposant une réflexion lambertienne ; (c) une réflexion spéculaire et (d) une
réflexion spéculaire et lambertienne (50 % chaque). Les corrélations ont été calculées avec les mesures dans une
cellule de 2° par 2°.
détériorer le signal utile au cours de la
restitution. En parallèle, des études
sont réalisées pour améliorer l’estimation de l’émissivité micro-ondes sur
l’Antarctique, en suivant l’approche
développée par Karbou et al. (2006).
Des études de faisabilité ont aussi été
entreprises pour améliorer notre
connaissance de la variabilité de l’émissivité de la surface en Antarctique,
dans lesquelles plusieurs hypothèses
sont faites sur les conditions de surface
pour extraire l’émissivité. Par exemple,
l’émissivité de surface de la terre est
généralement tirée des observations
satellitaires en supposant que la surface du sol est plate et spéculaire
(Prigent et al., 1997-2000 ; Choudhury,
1993 ; Jones et Vonder Haar, 1997 ;
Karbou et al., 2005 ; Morland et al.,
2000-2001, entre autres). L’hypothèse
spéculaire a été validée pour les surfaces sans neige (Karbou et Prigent,
2005). Matzler (2005) a remis en question l’utilisation de cette hypothèse
pour les observations au nadir de surfaces ayant une faible émissivité
comme la neige. En réalité, la neige
diffuse significativement les microondes (Zwally, 1977) et cette hypothèse peut introduire des biais pour les
observations faites avec des instruments à balayage comme Amsu-A
et B. Pour étudier la sensibilité des
émissivités restituées aux propriétés
physiques de la surface, les émissivités
dans les bandes de fréquence de
l’Amsu ont été calculées en utilisant
des réflexions spéculaires, lambertiennes et intermédiaires. On a trouvé que
sur la figure 3. Dans l’expérience de
contrôle, l’émissivité de la surface a été
calculée en utilisant les modèles de
Grody (1988) et de Weng et al. (2001)
pour les observations de Amsu-B et A,
respectivement. Pour obtenir des émissivités qui satisfassent les besoins de la
prévision numérique du temps, la version non paramétrique de ces modèles a
besoin de paramètres d’entrée comme
la rugosité, qui ne sont pas disponibles à
l’échelle de la planète. La corrélation
entre observations et simulations est
bien meilleure lorsque l’émissivité de
surface varie dans l’espace et dans le
temps. La corrélation la plus forte est
obtenue pour la réflexion mixte lambertienne-spéculaire (f igure 3 en bas
à droite). Des études plus approfondies
sont prévues pour examiner l’impact de
descriptions encore plus réalistes
de l’émissivité de surface de l’Antarctique sur les analyses et les scores de
prévision.
Pour tirer avantage de ces nouveaux
développements dans l’infrarouge et les
les émissivités calculées à 50 GHz micro-ondes, un nouveau système d’aspour des observations proches du nadir similation, utilisant des mesures addisont assez sensibles aux hypothèses sur tionnelles de Airs, Iasi, Amsu-A et B, a
la surface. Des simulations de la tem- été testé. Les scores sur l’hémisphère
pérature de brillance dans les canaux Sud indiquent de meilleures performande sondage ont été réalisées et les ces pour le modèle (figure 4). Les prévirésultats comparés aux observations. sions à courte échéance de ce modèle
Pour les simulations, à chaque canal de ont été comparées aux radiosondages
sondage était assignée l’émissivité de supplémentaires réalisés à Concordia en
la surface à la plus proche fréquence. septembre-novembre 2008 à 0 h UTC.
Par exemple, les émissivités calculées La figure 5 montre les profils moyens
à 50 GHz étaient assignées aux canaux de température et d’humidité du modèle
de température d’Amsu-A (50-60 et des observations (radiosondages et
GHz) et celles pour 89 GHz aux messages Synop) pour Concordia, sur
canaux d’humidité d’Amsu-B. Les la période du 15 septembre au
meilleurs résultats ont été obtenus en 30 novembre 2008 (soixante-dix prosupposant une réflexion 50 % spécu- fils). Les prévisions du modèle sont
laire et 50 % lambertienne (Guedj et indiquées par des cercles et les observaal., 2009). Les résultats sont présentés tions par des étoiles. La figure montre
aussi le profil moyen
d’ozone pour la
même période issu
des analyses du
modèle
Mocage
(Massart et al., 2007),
sur lequel on peut
observer un maximum d’ozone de
6,5 ppmv autour de
7 hPa. Ces prof ils
d’ozone seront utilisés pour des calculs
de transfert radiatif.
Figure 4 - Moyennes zonales des différences entre les écarts quadratiques On peut voir un bon
accord entre les promoyens pour le géopotentiel à 72 h dans deux expériences faites avec le
modèle Arpège sur une période de trois semaines en juillet 2007. Dans la pre- fils de température du
mière, seules les observations utilisées opérationnellement sont utilisées ; dans
modèle et les obserla seconde, plus de mesures satellitaires sont utilisées au-dessus de
vations, sauf à la surl’Antarctique. Les couleurs bleues (respectivement jaunes) indiquent que les
face
où l’on compare
mesures supplémentaires Airs, Iasi et Amsu ont amélioré (resp. dégradé) les
le modèle aux Synop ;
prévisions. En abscisse, on trouve les latitudes et en ordonnée les pressions.
48
La Météorologie - n° 69 - mai 2010
100
Radiosondage
Prévision
100
Radiosondage
Prévision
1000
10000
10000
Pression (Pa)
1000
200
220
240
260
Température (K)
280
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Humidité relative
0
1
2
3
4
5
6
7
Ozone (ppmv)
Figure 5 - Profils moyens de température (à gauche) et d’humidité (au milieu) pour les prévisions Arpège et les observations à Concordia entre le 15 septembre et le
30 novembre 2008 à 00 h 00 UTC (70 cas). Les prévisions à courte échéance du modèle sont indiquées par des cercles, les observations par des étoiles. Le graphique de
droite présente le profil moyen d’ozone (en ppmv) analysé par le modèle Mocage pour la même période.
le modèle présente un biais chaud,
224 K contre 220 K. En ce qui concerne
l’humidité relative, les observations
montrent une atmosphère plus sèche que
dans le modèle dans les basses couches
et plus humide dans la stratosphère
autour de 100 hPa. Un comportement
similaire est constaté dans la troposphère pour le modèle du CEPMMT
(comme il sera montré plus loin figure 8
page 51). À 400 hPa, le modèle du
CEPMMT est plus humide que les
mesures des radiosondes d’environ
20 %, ce qui est équivalent au biais du
modèle Arpège.
Comment cela se traduit-il en termes de
comparaison aux observations Iasi ?
Pour chaque observation de radiosonde
à Concordia à 0 h UTC durant la même
période, un pixel Iasi a été choisi sur la
base de la proximité dans le temps et
dans l’espace. Ensuite, un modèle de
transfert radiatif a été utilisé avec, soit
les profils des radiosondes, soit ceux
issus des prévisions à courte échéance
d’Arpège et comparés aux spectres
d’Iasi. Les simulations utilisent le
modèle RTTOV avec des coefficients
tirés du modèle ligne par ligne Kcarta,
une émissivité de surface de 0,99 et
supposent une absence de nuages. Les
statistiques sur la période de référence
sont données sur la figure 6, pour un
sous-ensemble de 294 canaux (du canal
numéro 16 au canal 6003, correspondant aux nombres d’onde 648,75 à
2 145,5 cm-1). Les simulations utilisent
les profils d’ozone produits par Mocage.
Le spectre Iasi présenté est relativement
plat ; les profils de température sont
plutôt froids et moins contrastés qu’à
d’autres latitudes. La première partie du
spectre montre des variations liées à la
principale bande d’émission du CO2 à
différentes altitudes. De 800 à 950 cm-1,
le spectre est essentiellement sensible aux
propriétés de la surface. Vers 1 050 cm-1,
il y a une émission correspondant à
l’ozone. Autour de 1 500 cm-1, le spectre est très variable montrant les lignes
d’émission/absorption de la vapeur
d’eau. Sur les graphiques du milieu et
du bas, on peut voir que les spectres calculés à partir des radiosondes (traits
pleins) sont en bon accord avec ceux
d’Iasi, avec des erreurs généralement
inférieures à 4 K. Il y a un léger biais de
l’ordre de 1 à 2 K dans les canaux de
surface qui pourrait provenir d’un biais
chaud dans les champs de surface ou
correspondre à une émission/absorption
par les nuages, qui ne sont pas pris en
compte dans les simulations. Il y avait
une forte probabilité d’occurrence de
nuages à Concordia durant cette
période, d’après la méthode développée
par Town et al. (2007) fondée sur les
mesures de rayonnement au sol. Le problème posé par les nuages sera étudié
ultérieurement. En revanche, les résultats obtenus avec les profils prévus par
le modèle sont trop chauds, principalement pour les canaux de surface, et
moins précis dans les bandes de la
vapeur d’eau (tirés). Une explication
pourrait être le biais chaud dans la température de surface du modèle et la surestimation de l’humidité relative.
Cette première évaluation des mesures
Iasi par rapport à celles des radiosondes
est tout à fait encourageante. Elle suggère
que l’on peut utiliser les mesures des
radiosondes et les modèles de transfert
radiatif pour simuler les spectres Iasi.
Elle sera utilisée pour progresser dans la
restitution des paramètres et l’assimilation des données à partir des mesures
Iasi, pour comprendre les problèmes des
biais des modèles, des effets des nuages
et des procédures d’assimilation basées
sur des mesures in situ et les mesures Iasi
correspondantes. La comparaison entre
les profils des radiosondages de 0 et
49
La Météorologie - n° 69 - mai 2010
12 h UTC a montré la présence d’un
cycle diurne qui sera documenté plus
avant au cours du printemps austral 2009
avec des radiosondages intensifs et des
mesures en continu sur la tour instrumentée au Dôme C.
Amélioration des modèles
Un des aspects fondamentaux de
Concordiasi consiste dans une meilleure
compréhension et prévision des nuages
et de l’accumulation des précipitations
sur l’Antarctique. Un travail important
sera consacré à la région du plateau
antarctique, mais un effort significatif
ciblera aussi les régions côtières où les
précipitations annuelles moyennes et les
effets attendus d’un changement climatique sont les plus importants (Genthon
et al., 2009). La caractérisation de la
variabilité interannuelle des précipitations a été améliorée très fortement dans
ERA 40 à la fin des années 1980 avec
l’assimilation des données des satellites
météorologiques et l’utilisation de leurs
mesures dans les processus d’assimilation de données (Genthon et al., 2005).
Ce travail utilisera des modèles à haute
résolution et des mesures in situ à
Concordia et sur la côte de la terre
Adélie. L’analyse des résultats de l’approche par les modèles multiéchelle suggèrera des voies pour améliorer la
simulation des nuages et les processus de
précipitations liés. On attend d’une
meilleure utilisation des mesures satellitaires dans le modèle à grande échelle
ainsi que des paramétrisations physiques
détaillées dans le modèle de petite
échelle qui lui est couplé, une estimation
des nuages et des précipitations du
meilleur niveau. L’optimisation de l’assimilation aura pour but d’améliorer ces
prévisions. Les mesures in situ aideront
aussi à diagnostiquer les défauts des
modèles. Un des premiers résultats de la
comparaison des mesures et des sorties
de modèles a été l’amélioration du
modèle du CEPMMT au-dessus de
l’Antarctique en 2008. De fait, la comparaison pour le Dôme C a montré un biais
chaud dans la basse troposphère audessus de l’Antarctique qui affectait les
prévisions opérationnelles et les réanalyses. Cette découverte a conduit à une
modification de l’albédo de la neige permanente avec un impact positif clair
pour la période décembre-février et à un
degré moindre pour juin-août. La figure
7 montre la température du sol dans le
modèle du CEPMMT avant et après la
modification ; on voit clairement un
impact fort sur l’Antarctique. Les résultats du modèle sont maintenant tout à fait
satisfaisants sur Concordia ; la figure 8
montre les écarts aux radiosondages
pour la première partie de la campagne
de mesure. Le biais de température au
plus bas niveau de mesure des radiosondes est maintenant inférieur à 1 K.
Température de brillance
270
260
Spectre Iasi
250
240
230
220
210
6
Radiosondage Iasi
Prévision Iasi
4
Biais
2
0
-2
-4
-6
Écart quadratique moyen
10
8
6
4
2
0
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
Nombre d'onde (cm-1)
Figure 6 - Moyennes des spectres Iasi, moyenne et écart quadratique moyen des différences entre les spectres calculés et les spectres mesurés à Concordia à 00 h 00 UTC,
sur la période du 15 septembre au 30 novembre 2008 (70 profils). En haut : moyenne des spectres Iasi (exprimée en température de brillance, BT) pour le pixel le plus proche de Concordia à l’instant le plus proche de 00 h 00 UTC, pour les 294 canaux transmis sur le SMT (canaux numéro 16 à 6003, correspondant aux nombres d’onde 648,75
à 2 145,5 cm-1). Au milieu et en bas, respectivement : biais et écart quadratique moyen des différences entre spectres calculés et spectres mesurés. Les spectres simulés
utilisent, soit les profils des radiosondages (trait plein), soit les prévisions à courte échéance du modèle (tirets) pour la température et l’humidité. Pour les simulations avec
les radiosondages, on a utilisé les mesures synoptiques au sol (valeurs indiquées au plus bas niveau des profils dans la figure 5). Les deux simulations utilisent les profils
d’ozone analysés par Mocage.
50
La Météorologie - n° 69 - mai 2010
Études de prévisibilité
et impact sur les latitudes
moyennes
Un des buts majeurs de Concordiasi est
l’amélioration de la prévision des phénomènes météorologiques sur les
régions polaires australes et une
meilleure compréhension de leur prévisibilité. Aux latitudes moyennes, on a
montré que l’addition de mesures in situ
ciblées, fondées sur des informations de
prévisibilité, peut améliorer les prévisions – exemple, la campagne de
mesure WSRP (Winter Storm
Reconnaissance Program) ; Szunyogh,
2002. L’idée de base consiste à augmenter le nombre de mesures dans les
régions où l’amélioration de la précision des analyses (la qualité des conditions initiales, par exemple) a une forte
rentabilité en termes d’amélioration des
prévisions. Pouvons-nous appliquer
cette méthode aux régions polaires ?
Cela semble probable puisque cette
approche a montré un impact plus fort
dans les régions à faible densité de
mesures quand les conditions initiales
sont mal définies. Les observations des
driftsondes sont idéales pour une expérimentation dans ce contexte. On prévoit de rassembler des informations sur
la prévisibilité, avec la collaboration du
CEPMMT à l’aide d’une version de son
modèle de prévision d’ensemble,
ciblées sur les hautes latitudes pour
réaliser des observations dans les
régions sensibles, et de façon uniforme,
puis de comparer ensuite les résultats
de l’assimilation des deux types de
mesures.
Les campagnes récentes d’observation
adaptative ont utilisé, soit des supports
dédiés pour les observations, soit des
opportunités. Les avions de recherche
sont un exemple type de support dédié,
avec un contrôle presque total sur les
mesures supplémentaires ; de telles
mesures ont été utilisées dans WSRP, par
exemple. Cependant, ces supports dédiés
ont un coût élevé. Des plates-formes
d’observation de routine (stations de
radiosondage, par exemple) qui sont activées à la demande en dehors de leur programme d’observation normal ont joué
le rôle de plates-formes d’opportunité
au cours de l’expérience NA-Trec
(Northern Atlantic-Thorpex Regional
Campaign), en 2003 (Leutbecher et al.,
2004 ; Mansfield et al., 2005) et au cours
de la campagne de mesure DTS (Data
Targeting System) en 2008. Les driftsondes représentent un compromis entre ces
deux approches. Bien que la dérive du
ballon ne puisse pas être contrôlée, le
vortex polaire et le nombre important de
Figure 7 - Cartes des températures sous abri dans le
modèle du CEPMMT, moyennées sur un an débutant le
1er août 2008 et sur quatre membres de simulations à
la résolution T159L91, avec les températures de surface de la mer ERA40. En haut : température moyenne
de la version opérationnelle en 2008 du modèle du
CEPMMT. Au milieu : température obtenue avec la
modification de l’albédo de la neige permanente. En
bas : différence entre les deux températures.
ballons lancés conduisent à un système
temporaire de mesures additionnelles
suffisamment dense pour jouer le rôle
d’un réseau adaptatif efficace. Au vu des
propriétés de tels réseaux, il n’est pas
nécessaire de rechercher des phénomènes spécifiques avec la procédure
ciblée utilisée dans Concordiasi. Par
conséquent, le domaine d’intérêt est
d’abord la calotte polaire et ensuite les
basses latitudes (Australie, Tasmanie).
La stratégie d’échantillonnage sera d’activer les ballons volant au-dessus de
régions à haute sensibilité, même lorsque
les régions les plus sensibles sont ailleurs
et ne peuvent pas être survolées par des
ballons. Elle prévoit de lancer environ
un tiers des dropsondes au-dessus des
régions sensibles autour de 18 h UTC et
le restant au passage des satellites quelle
que soit l’heure. Les lancers de dropsondes auront lieu pendant une période
de quelques semaines à partir de
septembre 2010.
Les zones sensibles au-dessus de
l’Antarctique ont été déduites des vecteurs singuliers (Buizza et Palmer,
1995) avec une période d’optimisation
de un jour ; elles sont situées aux marges des régions englacées, ce qui correspond au domaine d’intérêt de
Concordiasi. Cette sensibilité peut être
expliquée par le maximum du taux de
croissance d’Eady (Hoskins et al.,
2000) dans les régions situées au nord
de 60° S. Les vecteurs singuliers sont
connus pour imiter grossièrement ce
champ quand ils ne sont pas contraints
géographiquement comme dans les calculs actuels. On peut espérer qu’avec
une période d’optimisation plus longue,
ces régions sensibles se rapprocheront
du champ de taux de croissance d’Eady
et s’étireront plus vers le nord.
L’expérience de l’analyse des erreurs
importantes en prévision numérique à
moyenne échéance à l’Australian
Bureau of Meteorology a montré que
leur origine est située aux latitudes
sous-polaires (55-70° S). C’est particulièrement vrai pour beaucoup des systèmes identif iés dans le programme
scientifique Thorpex pour l’hémisphère
Sud, comme les forts événements pluvieux associés à des gouttes froides, les
cyclones tropicaux pris dans la circulation des moyennes latitudes et les événements météorologiques propices aux
incendies.
Les mesures de l’expérience serviront
de base à des expériences d’assimilation de données dans divers scénarios
d’observation pour évaluer le potentiel
des driftsondes pour améliorer les systèmes de prévision numérique du temps
sur la calotte polaire et plus généralement sur l’hémisphère Sud. L’impact
sur les latitudes plus basses sera évalué
en particulier par le Centre for
Australian Weather and Climate
Research, en Australie, pour les systèmes globaux et régionaux. Cela mettra
en œuvre des calculs adjoints d’impact
des observations (Zhu et Gelaro, 2008)
et de plus traditionnelles expériences de
systèmes d’observation dans le contexte
de l’assimilation 4D-VAR (Rawlins et
al., 2007). Les premiers donnent des
informations détaillées sur l’influence
de chacune des observations à courte
échéance (moins de 48 heures) et les
dernières fournissent des informations
plus générales sur des échéances plus
longues.
Structure lagrangienne
de l’écoulement et
assimilation de données
Les trajectoires des ballons stratosphériques surpressurisés (SPB) seront utilisées pour mieux comprendre le contrôle
exercé par le vortex polaire sur le mouvement des particules d’air au cours de
son processus d’affaiblissement et de
rupture. Jusqu’à présent, la dispersion
de ballons surpressurisés dans la basse
stratosphère a été étudiée avec la base
de données Eole (Morel et Bandeen,
51
La Météorologie - n° 69 - mai 2010
Concordia
15 septembre - 30 novembre 2008
0
3
6
9
12
15
-60
-45
-30
-15
0
15
0
20
40
60
80
100
0
0/ 0
0
5
63/ 9
5
56/ 56
10
252/ 6
10
212/ 212
20
283/ 1
20
195/ 195
30
259/ 0
30
115/ 115
50
246/ 1
50
33/ 33
70
186/ 0
70
0/ 0
100
154/ 0
100
0/ 0
150
154/ 0
150
0/ 0
200
187/ 0
200
0/ 0
250
201/ 0
250
0/ 0
300
235/ 0
300
0/ 0
400
288/ 0
400
11/ 0
500
427/ 0
500
185/ 0
700
528/ 189
700
189/ 1
850
0/ 0
850
0/ 0
925
0/ 0
925
0/ 0
1000
0/ 0
100 0
0
1
2
3
4
5
-2 -1,5 -1 -0,5
Écart quadratique moyen (T)
0
0,5
Biais (T)
1
1,5
2
0/ 0
0
20
40
60
80
100
0/ 0
0
10
20
30
40
Écart quadratique moyen (H)
-40 -30 -20 -10
0
10
20
30
40
Biais (H)
Figure 8 - Différences entre les profils verticaux mesurés, analysés et prévus à courte échéance par le modèle du CEPMMT, de température (à gauche) et d’humidité (à
droite) à Concordia, sur la période du 15 septembre au 30 novembre 2008. Les différences entre observations et prévisions à courte échéance sont représentées par des
traits pleins et les différences entre observations et analyses par des tirets. Les biais sont en rouge et les écarts quadratiques moyens en bleu. Les pointillés représentent la
moyenne et la variabilité des observations ; leurs unités sont en haut des figures. Ces profils ont été calculés à l’aide des données brutes aux niveaux standard et significatifs.
Le nombre des données utilisées dans les calculs est indiqué dans les colonnes centrales des graphiques.
1973) et révélé plusieurs régimes, de la
dispersion exponentielle aux plus petites
échelles, à la superdiffusion aux échelles
de 100 à 500 km et la diffusion aux plus
grandes échelles (Lacorata et al., 2004).
D’un autre côté, Joseph et Legras (2002)
ont calculé des exposants de Lyapounov
sur un temps f ini (FTLE) sur des
champs analysés pour étudier la dynamique du vortex stratosphérique. Cette
méthode permet de quantifier le taux de
dispersion de particules fluides en
mesurant l’écartement de leurs trajectoires après un temps déterminé. Les FTLE
ont été utilisés pour localiser les régions
de maximum de contraction ou expansion des particules d’air, et par conséquent identif ier les variétés hyperboliques des écoulements dans la basse
stratosphère. Les variétés hyperboliques
invariantes gouvernent le transport et le
mélange dans les systèmes dynamiques :
les variétés stables et instables agissent
comme des lignes matérielles répulsives
ou attractives, respectivement. Lorsque
des écoulements turbulents dépendent du
temps, des variétés stables et instables
peuvent se rencontrer dans ce que l’on
appelle une trajectoire hyperbolique.
Deux particules fluides initialement proches de chaque côté de la variété stable
s’approcheront de la trajectoire hyperbolique et divergeront de chaque côté de la
variété instable après un temps suffisamment long. Par conséquent, les variétés
invariantes constituent une barrière que
les particules fluides ne peuvent pas franchir. Des résultats préliminaires (de la
Camara et al., 2009) montrent que deux
ballons SPB de la campagne Vorcore près
du bord du vortex polaire – défini par de
forts gradients de tourbillon potentiel –
ont quitté le vortex en rejoignant une
langue du vortex éjectée par celui-ci. La
langue d’air est la signature du déferlement d’une onde. De plus, une intersection de maxima de FLTE en avant et en
arrière – approximativement variétés
stable et instable – est localisée sur la langue, indiquant la présence d’une trajectoire hyperbolique. Les ballons de
Concordiasi donneront de nouvelles possibilités pour étudier ces problèmes
dans un contexte 3D.
Il y a aussi un fort intérêt à utiliser les
observations au niveau de vol des ballons directement dans un système d’assimilation. Il n’y a pas d’observations
de vent par les satellites au niveau de la
basse stratosphère (les vents Modis
atteignent seulement 250 hPa environ).
La campagne Vorcore a produit des
vents déduits de la position des ballons
à 50 et 70 hPa au printemps austral
2005. Ces vents sont suffisamment denses pour avoir un impact significatif sur
la qualité des analyses de vent audessus de l’Antarctique, qui à leur tour
améliorent les calculs de transport
d’ozone et la qualité de sa prévision au
cours de la rupture du vortex polaire. La
figure 9 illustre le résultat de l’assimilation des vents dérivés par le système
3D-VAR Geos 5 (Rienecker et al.,
2007), du 5 septembre au 19 décembre
2005. La différence entre les prévisions
à six heures avec et sans assimilation
des vents Vorcore montre seulement
une faible amélioration pour les 60 premiers jours, suivie par une beaucoup
plus forte à partir du 61e jour (6 novembre 2005), le moment où le vortex
polaire commence sa rupture. Cela
indique que la prévision du processus
de rupture, de nature instable (et difficile à prévoir), profite de l’information
sur les vents contenue dans la trajectoire
des ballons.
L’assimilation des vents dérivés des trajectoires des ballons n’utilise pas toute
l’information contenue dans celles-ci,
52
La Météorologie - n° 69 - mai 2010
qui est lagrangienne par nature. Pour
tirer complètement parti de cette nature,
c’est la position des ballons elle-même
qu’il faut assimiler (Ide et al., 2002).
Cette approche, appelée méthode d’assimilation de données lagrangiennes
(Lada) a été appliquée à l’océan
(Salman et al., 2006), et les trajectoires
des ballons Vorcore et Concordiasi sont
la première opportunité pour appliquer
cette technique à l’atmosphère. Dans
Lada, des prévisions de la position des
ballons sont faites à l’aide d’un modèle
de circulation générale. Aux heures d’analyse (c’est-à-dire toutes les six heures), la différence entre la position réelle
du ballon et sa position calculée est utilisée pour corriger le champ de vent à
l’aide, soit de la covariance d’erreur de
modèle (pour un filtre de Kalman d’ensemble, EnKF), soit du modèle adjoint
(pour un système 4D-VAR). On a montré que Lada est plus efficace que les
systèmes qui utilisent les vents dérivés
pour contraindre les vortex instables. Le
développement de capacités d’assimilation lagrangiennes à la fois dans 4DVAR et EnKF est en cours au Global
Modeling and Assimilation Office et à
l’université du Maryland.
Réduction d’ozone, nuages
stratosphériques polaires et
dynamique stratosphérique
La couche d’ozone est un élément
important du système environnemental
terrestre car il protège la biosphère des
rayonnements ultraviolets (UV) et
réchauffe la stratosphère. À chaque
printemps austral, la stratosphère
polaire de l’hémisphère Sud subit la
plus forte baisse d’ozone de l’atmosphère terrestre. La variabilité interannuelle du trou d’ozone est
principalement due à des facteurs dynamiques, comme l’activité des ondes
stratosphériques qui module de façon
significative la température de la stratosphère et donc la possibilité de formation de nuages stratosphériques polaires
(PSC, Polar Stratospheric Cloud). Des
ballons de longue durée déployés durant
Concordiasi emporteront des instruments qui fourniront des informations
sur les processus de formation des PSC
contenant des trihydrates d’acide
nitrique (NAT), les particules formant
les PSC ayant la plus longue durée, et
sur les variations d’ozone le long de
surfaces quasi lagrangiennes. Ces informations sont très importantes pour les
processus stratosphériques qui affectent
l’ozone, en particulier les liens entre la
chimie, la dynamique et la microphysique des nuages.
Vorcore et les vols de ballons surpressurisés précédents ont montré que les
ondes de gravité de mésoéchelle de
période supérieure à une heure peuvent
être complètement caractérisées à l’aide
de mesures sur ces ballons (Hertzog et
al., 2002). Les observations en vol
durant Concordiasi seront effectuées
plus fréquemment que durant Vorcore
(une par minute au lieu d’une toutes les
7
Observations - Prévisions sans ballons
Observations - Prévisions avec ballons assimilés
Observations - Analyses sans ballons
Écart quadratique moyen
6
Observations - Analyses avec ballons assimilés
5
4
3
2
1
0
20
40
60
80
100
120
Jours d'assimilation
Figure 9 - Écarts quadratiques moyens entre les analyses (traits pleins) ou les prévisions (traits tiretés) Geos 5 et
les vents dérivés de Vorcore. Les courbes concernent les assimilations avec les mesures satellitaires sans (lignes
bleues) et avec (lignes rouges) vents dérivés des ballons. La période d’assimilation va du 5 septembre (jour 1)
au 19 décembre 2005 (jour 105).
quinze minutes), ce qui permettra d’obtenir des informations plus détaillées
sur les ondes de gravité de haute fréquence. Plusieurs autres améliorations
seront apportées par rapport aux mesures de Vorcore ; la précision des mesures de pression et de température sera
meilleure, et le système bifréquence
GPS donnera des altitudes plus précises
permettant la séparation des champs
d’altitude et de pression. Cela permettra
d’améliorer l’estimation du flux de
quantité de mouvement associé à ces
ondes et de caractériser plus précisément leur rôle dans la circulation de
Brewer-Dobson dans l’atmosphère
moyenne.
Il existe encore des incertitudes dans les
constantes des réactions catalytiques
qui détruisent l’ozone : en particulier,
les estimations en laboratoire du taux de
photolyse du dimère de ClO sont en fort
désaccord, et les plus récentes (Pope et
al., 2007) sont trop faibles pour expliquer la diminution d’ozone observée,
dans le cadre de notre connaissance de la
chimie de l’ozone (Frieler et al., 2006 ;
Santee et al., 2008, par exemple). En
complément aux mesures météorologiques déjà mentionnées, le Laboratoire
de météorologie dynamique (LMD) et
l’université du Colorado développent
des capteurs, petits et légers, capables
de faire des observations d’ozone au
cours de vols de longue durée. Les SPB
se comportant approximativement
comme des traceurs lagrangiens, au
moins pendant quelques jours, les informations recueillies le long de leurs trajectoires permettront d’estimer les taux
de destruction de l’ozone. Les observations de température, de la position (et
donc de l’angle solaire zénithal),
chaque minute, et de la concentration
d’ozone typiquement toutes les 10 à
30 minutes apporteront de fortes
contraintes sur les taux catalytiques. Ils
aideront aussi à déterminer les régions
du vortex polaire antarctique où la destruction d’ozone se ferait préférentiellement, comme le côté sous le vent de la
péninsule Antarctique.
Les observations météorologiques et
chimiques seront complétées par des
mesures microphysiques. Des compteurs de particules réalisés pour des
mesures dans les PSC accompagneront
quatre des capteurs d’ozone. Il sera
donc possible d’obtenir une information
directe sur les liens entre la nucléation
des particules (spécialement celle des
NAT) et l’histoire de la température de
la particule d’air. En particulier, il sera
possible de déterminer l’importance
relative des refroidissements d’échelle
53
La Météorologie - n° 69 - mai 2010
synoptique et mésoéchelle (ondes de
gravité) sur la formation des PSC, qui
reste encore incertaine.
Dans le cadre du projet, des expériences d’assimilation d’ozone stratosphérique seront aussi réalisées. Le
caractère opérationnel de la mission
MetOp est une incitation forte à la fois
à des initiatives pour des prévisions
en temps quasi réel et opérationnel
de la composition chimique (voir
Hollingsworth et al., 2008, par exemple), et pour réaliser des recherches sur
le bilan global d’ozone et sa tendance
pour les quinze prochaines années.
Dans ce domaine, l’impact des améliorations dues aux observations supplémentaires de Concordiasi sur les
simulations et les prévisions des profils d’ozone sera évalué avec le modèle
français de chimie et transport et le
système d’assimilation Mocage-Palm,
développé en collaboration entre le
Centre national de recherches météorologiques/Groupe d’étude de l’atmosphère météorologique (CNRM/
Game), le Laboratoire d’aérologie et le
Centre européen de recherche et de
formation avancée en calcul scientifique (Cerfacs). Ce modèle peut assimiler des données satellitaires
chimiques de niveau 2, généralement
en utilisant une technique variationnelle 3D. Mocage/Palm offre plusieurs
options pour la représentation de la
chimie atmosphérique allant de paramétrisations linéaires, très efficaces en
temps de calcul, à un système détaillé
pour la troposphère et la stratosphère
(118 espèces, incluant aussi les processus de chimie hétérogène dans les
PSC). De bons résultats ont déjà été
obtenus avec ce système (Geer et al.,
2006, par exemple). L’assimilation des
mesures d’ozone dans le cadre de
Concordiasi sera réalisée à très haute
résolution horizontale et verticale
(0,5°, 60 ou 90 niveaux), actuellement
disponible dans Mocage-Palm. Il fournira un cadre signif icativement
meilleur dans lequel représenter et
quantifier les processus dynamiques et
chimiques dans cette région à forts
gradients horizontaux et verticaux. Les
progrès attendus en assimilation de
données météorologiques et le jeu de
données indépendantes de vérification
qui sera obtenu constituent une valeur
ajoutée majeure à cette étude. Le système d’assimilation Mocage-Palm a
déjà été utilisé pour évaluer la qualité
des mesures satellitaires d’ozone
(Massart et al., 2007) ; il a aussi été
utile pour surmonter les défauts possibles du modèle. Les analyses d’ozone
obtenues avec ce système ont été utilisées
Figure 10 - Analyses d’ozone (en ppmv) Mocage-Palm 3D sur la surface isentrope 500 K dans l’hémisphère Sud
pour le 12 septembre 2008 avec les mesures Iasi (à gauche) et Aura/MLS (à droite).
dans de nombreuses études en relation
avec la perte d’ozone dans le vortex
arctique (El Amraoui et al., 2008b), les
échanges entre les tropiques et les latitudes moyennes (Bencherif et al.,
2007), entre la troposphère et la stratosphère (Semane et al., 2007) et entre
le vortex polaire et les latitudes
moyennes (El Amraoui et al., 2008a).
Des expériences préliminaires d’assimilation de la colonne totale d’ozone
d’Iasi ont été réalisées pour la période
septembre-octobre 2008 et les résultats
comparés aux analyses obtenues avec
le même système et les profils d’ozone
Aura/MLS. Une illustration des résultats de la comparaison sur la surface
isentrope 500 K est donnée pour le
12 septembre 2008 (figure 10). Sans
surprise, on trouve un accord qualitatif
entre les deux champs, spécialement
en ce qui concerne la structure du vortex polaire qui est largement pilotée
par la dynamique. Toutefois, dans les
produits MLS, le vortex est sensiblement plus intense et les concentrations
d’ozone plus élevées aux latitudes
moyennes. Une validation des deux
jeux de données d’assimilation par
rapport à des mesures indépendantes
est en cours.
Conclusion
Le projet Concordiasi est construit
autour d’une coopération internationale, la combinaison de mesures
innovantes et d’une composante
modélisation, et une expertise scientifique étendue. Il se concentre sur une
meilleure analyse et prévision du
temps sur l’Antarctique, notamment
les nuages et l’accumulation de neige,
et sur une meilleure compréhension de
la diminution d’ozone dans les régions
polaires. Notre intention est de contribuer aux objectifs de l’Année polaire
internationale, qui durera longtemps
après sa fin officielle. En particulier,
on espère que les connaissances acquises au cours de l’expérience aidera à
une meilleure utilisation des mesures
satellitaires au-dessus des pôles, au
bénéfice de la prévision numérique du
temps et de la surveillance de l’ozone
et du climat.
Remerciements
Concordiasi a été développé par une
équipe scientifique internationale et est
soutenu par les organismes suivants :
Météo-France, le Centre national d’études spatiales (Cnes), l’Institut polaire
Paul-Émile Victor (Ipev), le Programma
Nazionale Ricerche in Antartide
(PNRA), le Centre national de la
recherche scientifique/Institut national
des sciences de l’univers (CNRS/Insu),
la National Science Foundation (NSF),
l’University Corporation for Atmospheric Research (Ucar), l’université du
Wyoming, l’université Purdue, celle du
Colorado et le Centre européen pour les
prévisions météorologiques à moyen
terme (CEPMMT). Les deux organismes polaires opérationnels PNRA et
Ipev sont remerciés pour leur soutien à
la station Concordia et sur la côte de la
Terre Adélie. La NSF est remerciée
pour son soutien à la base de McMurdo.
Concordiasi fait partie de l’ensemble
Thorpex-IPY au sein de l’Année
polaire internationale. Plus d’informations sur Concordiasi sont disponibles
sur le site http://www.cnrm.meteo.fr/
concordiasi/.
54
La Météorologie - n° 69 - mai 2010
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