KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association Institute of Meteorology and Climate Research - Tropospheric Research (IMK-TRO), Karlsruhe Institute of Technology (KIT) Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle Florian Pantillon, Peter Knippertz, Hans-Jürgen Panitz et Ingeborg Bischoff-Gauß (KIT) John Marsham et Cathryn Birch (University of Leeds)

Florian Pantillon 2Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle Emission de poussières désertiques Afrique de l’Ouest (Sahara et Sahel) Première source mondiale de poussières Impact à distance sur la météo, la santé, … Grande incertitude sur les émissions Observations directes rares Observations satellite difficiles Modélisation très sensible au vent 21/1/2016 Panache de poussières du Sahara (rose) qui a atteint l’Europe fin mars 2014 Meteosat-10 Dust RGB à 16 UTC 29 mars 2014 Projet ERC “Desert Storms” ( ) pour mieux comprendre les processus météorologiques à l’origine du soulèvement de poussières en Afrique de l’Ouest KIT (PI: Peter Knippertz) & Leeds (PI: John Marsham) Projet ERC “Desert Storms” ( ) pour mieux comprendre les processus météorologiques à l’origine du soulèvement de poussières en Afrique de l’Ouest KIT (PI: Peter Knippertz) & Leeds (PI: John Marsham)

Florian Pantillon 3 Tempêtes de poussières de type „haboob“ Introduites par Sutton 1925, QJRMS, “Haboobs” : During certain seasons of the year the northern and central Sudan are subject to visitations of a very unpleasant type of sandstorm called “haboob.” (…) It is used generally to imply the passage of a dense mass of whirling sand usually accompanied by a strong wind. (…) the causes and definitive characteristics of haboobs are more elusive. Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/2016

Florian Pantillon 4 Caractéristiques des haboobs Formation liée à la convection profonde Courants descendants accélérés par l‘évaporation de précipitations Propagation d‘une poche froide comme un courant de densité Un front de rafales de vent soulève des poussières Haboobs observés de ~1 à ~100 km Fennec (Sahara central, juin 2011) : >50% des émissions de poussières (Marsham et al. 2013, JGR; Allen et al & 2015, JGR) Mais absents des modèles à convection paramétrée (Marsham et al. 2011, GRL; Garcia-Carreras et al. 2013, GRL; Heinold et al. 2013, JGR; Largeron et al. 2015, GRL) Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/2016 cold pool Besoin d‘une paramétrisation de haboobs pour les modèles météo et climat de grande échelle poche froide courants descendants rafales

Florian Pantillon 5 Paramétrisation simple des vents de surface Utilise le flux de masse descendante du schéma de convection M dd M dd s’étale dans une poche froide de rayon R et hauteur h La poche froide se propage avec la vitesse radiale C = M dd / 2πρRh Le vent radial croît linéairement avec le rayon dans la poche froide La poche froide est entraînée avec la vitesse C st = 0.65 U env  Reproduit structure et intensité du vent dans une poche froide “jeune” Contraintes supplémentaires Une seule poche froide statique  pas de couplage schéma conv. Rapport d’aspect fixe h/R  R = seul paramètre libre Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/2016 Paramétrisation Convection explicite (Pantillon et al. 2015, JAS)

Florian Pantillon 6 Calibration de la paramétrisation Référence : pas d’observations systématiques de haboobs  simulation à convection explicite 1. Identification des poches froides Refroidissement < -1 K/h Vitesses verticales > 0.5 m/s 2. Estimation du soulèvement de poussières : “Dust Uplift Potential” (Marsham et al. 2011, GRL) DUP = ν U 3 (1 + U t /U)(1 – U t 2 /U 2 ) ν : fraction de sol nu U : vent à 10 m U t =7m/s: seuil de soulèvement Sims Cascade MOUM juin-juillet 2006 résultats préliminaires prometteurs (Pantillon et al. 2015, JAS) Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/2016 Référence : haboobs identifiés à dx=4km Résultats : haboobs paramétrés à dx=12km

Florian Pantillon 7 Résultats étendus avec COSMO-CLM (RCM) Simulations climatiques régionales Basées sur CORDEX-Africa (Panitz et al. 2014, Clim. Dyn.) Année 2006 sur l‘Afrique du Nord Conditions initiales et latérales ERA-I Différentes résolutions du modèle Convection explicite dx=2.8 km  simulation de référence (EXPL) (Maurer et al., in prep.) Convection paramétrée (Tiedtke 1989) dx=50 km  simulation de contrôle (CTRL-P) dx=25 km  sensibilité à la résolution (HIRES-P) Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/2016 Pas de haboobs : test pour la paramétrisation ! Contient des haboobs : référence pour la calibration

Florian Pantillon 8 Evaluation I : précipitations modèle vs. satellite Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/2016 Régime subtropical Régime de mousson Représentation de la mousson vs. TRMM EXPL : bon timing, amplitude trop faible CTRL-P et HIRES-P : trop longue, bonne amplitude Régime sec

Florian Pantillon 9 Evaluation II : vents modèle vs. stations de surface Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/2016 Régime subtropical Régime de mousson Représentation des vents (DUP) vs. SYNOP EXPL : reproduit „hotspots“, Sahel surestimé  z 0 !!! CTRL-P et HIRES-P : proche EXPL, vents plus faibles Régime sec DUP = ν U 3 (1 + U t /U)(1 – U t 2 /U 2 )

Florian Pantillon 10 Résultats I : identification haboobs EXPL Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/2016 Atlas : haboobs = 21% DUP total (25% mai-oct) Max au printemps : thalwegs des latitudes moyennes  Cohérent avec obs SAMUM en mai-juin 2006 (Knippertz et al. 2007, JGR) Sahel Ouest : haboobs = 28% DUP total (33% mai-oct) Max en été : mousson  Cohérent avec obs AMMA en juin 2006 (Flamant et al. 2007, QJRMS; Bou Karam et al. 2008, QJRMS) Désert de Libye haboobs = 9% DUP total (11% May-Oct)

Florian Pantillon 11 Résultats II : paramétrisation haboobs CTRL-P Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/2016 Atlas : DUP élevé mais cycle saisonnier erroné Sahel Ouest : DUP élevé et cycle saisonnier reproduit Désert de Libye : DUP faible HIRES-P (dx=50  25km)  Faible sensibilité résolution

Florian Pantillon 12 Résultats III : paramétrisations alternatives Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/ Basée sur DCAPE = Downdraft CAPE (énergie potentielle des rafales descendantes)  haboobs déplacés vers le nord ≠ référence EXPL  cycle saisonnier ≠ EXPL mais = observations ??? 2.Calibration R=cste  C=cste  Faible sensibilité formulation

Florian Pantillon 13 Bonus I : identification haboobs COSMO vs. MOUM Structure spatiale (juin-juillet 2006) Maximum commun au Nord Mali COSMO plus élevé au Sahel ~ z 0 Cycle diurne (juin-juillet 2006) Amplitude COSMO plus faible Correspond aux précipitations Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/2016 Unified Model 4 km COSMO 2.8 km Unified Model 4 km COSMO 2.8 km

Florian Pantillon 14 Bonus II : résultats inattendus dans COSMO a)Exemple EXPL : haboob b)Exemple CTRL-P : cyclone ??? Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/2016 Contours : température à 925 hPa / 5 KContours : MLSP / 5 hPa d‘autres biais à résoudre…

Florian Pantillon 15 Conclusions Haboobs = tempêtes de poussières dues à des poches froides convectives Contribuent largement aux émissions de poussières en Afrique du Nord Absents des modèles de grande échelle à convection paramétrée  Paramétrisation simple basée sur le flux de masse descendante (Pantillon et al. 2015, JAS) Paramétrisation comparée à une simulation d’un an à convection explicite Reproduit distribution spatiale de haboobs et cycle saisonnier au Sahel Robuste par rapport au modèle, à la résolution et à la formulation exacte  Solution possible à un problème récurrent des modèles de grande échelle (Pantillon et al. JGR, in rev.) Perspective : implémentation dans un modèle complet de poussières  Comparaison avec des mesures d’épaisseurs optiques d’aérosols (AOD) Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/2016