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Modélisation des contrails par Meso-NH Sarrat C., R. Paugam, D. Cariolle, R. Paoli CERFACS, Aviation & Environnement Meeting Meso-NH Utilisateurs 12 Octobre.

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1 Modélisation des contrails par Meso-NH Sarrat C., R. Paugam, D. Cariolle, R. Paoli CERFACS, Aviation & Environnement Meeting Meso-NH Utilisateurs 12 Octobre 2009

2 Quest-ce-quun contrail? Traînées de condensation à larrière des avions dans certaines conditions : Conditions dynamiques : –Dans le sillage de lavion, le jet issu des moteurs interagi avec les vortex contra-rotatifs générés par les ailes de lavion – Humidité relative de latmosphère importante : sursaturation par rapport à la glace : humidité relative supérieure à 130% Conditions microphysiques : – Condensation sur les noyaux de condensation (présents dans latmosphère ou issus des moteurs) de la vapeur deau émise par les moteurs de lavion

3 1. REGIME DE JET et VORTEX 1. Régime de Jet 2. Régime de Vortex 4. Régime de Diffusion t =0 s t = 2 s t = 100 s t = 1000 s 47 m ~ qq heures ~ 1 km 3. Régime de Dissipation 3. REGIME DE DISSIPATION 2. REGIME DE VORTEX ou TOURBILLON 4. REGIME DE DIFFUSION Contexte des études Contrails extension horizontale : ~ 1 km

4 Objectifs Simuler l'évolution d'un contrail persistant sur des échéances de plusieurs heures : –Estimer le temps de dissipation dans la troposphère libre, ainsi que létalement horizontal et vertical du nuage –Estimer l'impact radiatif du nuage formé durant la phase de dissipation (impact contrail vs impact CO 2 ) –Mettre en place la chimie de l'ozone et de ses précurseurs pour estimer l'impact de l'aviation sur la chimie de la troposphère et des différents types de carburants (pouvoir oxydant, gaz à effet de serre plus efficaces en altitude… -> vers la paramétrisations des impacts radiatifs et de GHG dans les modèles globaux

5 Contexte : Résultats de R. Paugam avec Meso-NH Intégration : t = s Phase Vortex + Dissipation: Paugam et al., 2009, ACDP Résolutions x, y, z 8 × 1 × 1 m Dimensions du domaine x, y, z400 x 600 x 1500 Pas de temps25 ms Isosurface : densité de glace (ρi = m-3) Isocontours : rayon des particules de glace 2 = t = 100 st = 120 st = 140 st = 0 s isosurface : 2 = formation du second sillage effondrement de la structure initiale de vortex transition vers la turbulence isosurface : 2 = -0.05

6 Résultats : Evolution du contrail sur 3H Evolution entre 40 min et 4H environ du développement d'un contrail pour : Résolutions x, y, z 10 × 10 × 10 m Dimensions du domaine x, y, z50 x 400 x 150 Pas de temps0.1 s Conditions aux limitesCYCLIQUES 2 domaines en nesting one way Modèle père forcé par un shear turbulent Pas dadvection, pas de rayonnement Densité de particules Rayon moyen des particules

7 Résultats : Densité de glace 40 min 4 heures

8 Résultats : Conservation de la longueur optique Conservation de longueur optique du à la croissance du rayon moyen des particules tandis que la densité diminue

9 Tcontrail = 40min SANS SEDIMENTATIONAVEC SEDIMENTATION Effets de la sédimentation sur le rayon moyen des particules Tcontrail 3 H Paramétrisation de la vitesse de chute selon Heymfield et al., 2000, à partir d'un rayon de particule critique

10 Impact radiatif du contrail Calculs radiatifs off-line avec SHDOM (L. Saunier) Taux de chauffage dans le thermique (LW) Flux net dans le solaire (SW)

11 Conclusions Le code développé par R. Paugam semble encore robuste sur des échéances longues, de plusieurs heures Ce code est phasé en Masdev4_8 afin qu'il bénéficie des dernières améliorations du modèle (nouveau schéma d'advection, portage sur machine massivement parallèle…) La turbulence atmosphérique contraint le cirrus à s'étaler : la densité de glace et la densité de particule diminue au cours du temps, tandis que leur rayon moyen augmente, ce qui conserve l'épaisseur optique modélisée est en accord avec les observations (Jensen et al., 1998) La sédimentation a un effet sur le rayon des particules, la forme du contrail persistant mais a peu d'impact sur l'épaisseur optique du nuage Manque des données expérimentales pour confronter le modèle aux observations et évaluer son degré de réalisme. Le projet ITAAC prévoit une campagne expérimentale qui permettra de mesurer les caractéristiques des contrails et ainsi valider ces résultats

12 Perspectives Introduire un schéma chimique adapté en limitant le nombre d'espèces et d'équations Forcer le modèle par un cisaillement de vent vertical pour estimer leffet de ladvection sur la diffusion du nuage Introduire un couplage avec le rayonnement en ligne : soit coupler le modèle de rayonnement SHDOM à laide d'un coupleur comme PALM, soit voir avec les équipes du CNRM GMEI…

13 Perspectives Initialiser Meso-NH avec les sorties dun modèle de dynamique des fluides à petite échelle (NTMIX, collab. L. Nybelen) des champs chimiques et dynamiques pour démarrer après la phase vortex Envisager de nouvelles initialisation de la turbulence de la troposphère libre et de nouvelles conditions aux limites pour prendre en compte les effets dadvection sur le nuage

14 Contexte : Résultats de R. Paugam avec Meso-NH : Phase de Dissipation Evolution des particules de glace : à t < 30 min : la phase de vortex est responsable de létalement vertical du contrail la turbulence aide à lhomogénéisation du sillage

15 Effets de la sédimentation sur la densité de glace Tcontrail = 40min Tcontrail 3 H SANS SEDIMENTATIONAVEC SEDIMENTATION

16 Effets de la sédimentation sur la densité des particules Tcontrail = 40min Tcontrail 3 H SANS SEDIMENTATIONAVEC SEDIMENTATION

17 Effets de la sédimentation sur la sursaturation Tcontrail = 40min Tcontrail 3 H SANS SEDIMENTATIONAVEC SEDIMENTATION

18 Effets de la sedimentation Peu de différences sur la conservation de l'épaisseur optique avec et sans sédimentation


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