Paramétrisation de tempêtes de poussières convectives Florian Pantillon1, Peter Knippertz1, John Marsham2 et Cathryn Birch2

Contexte : émission de poussières désertiques Panache de poussières du Sahara (rose) qui a atteint l’Europe fin mars 2014 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 Meteosat-10 Dust RGB à 16 UTC 29 mars 2014 “Desert Storms” Projet ERC “Desert Storms” (KIT/Leeds) pour mieux comprendre les processus météorologiques à l’origine du soulèvement de poussières en Afrique de l’Ouest KIT: Peter Knippertz (PI), Stephanie Fiedler, Florian Pantillon Leeds: John Marsham, Sophie Cowie, Bradley Jemmet-Smith “Desert Storm” 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Phénomène : tempête de poussière convective Formation liée à la convection 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 Émissions de poussières Contribution importante en été en Afrique de l‘Ouest (Heinold et al. 2013, JGR; Marsham et al. 2013, JGR) Mais absentes des modèles à convection paramétrée (Marsham et al. 2011, GRL; Garcia-Carreras et al. 2013, GRL) courants descendants rafales rafales poche froide cold pool Besoin d‘une paramétrisation ! Idée : utiliser les courants descendants décrits dans un schéma de convection par le flux de masse descendante 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Données : projet Cascade Jeu de simulations Unified Model (UKMO) pour l‘Afrique de l‘Ouest en été 2006 Juin-juillet 2006, différentes résolutions 12 km : convection paramétrée 4 km : convection explicite 1.5 km (10 jours) : conv. explicite Tempêtes de poussières convectives Résolues avec convection explicite Absentes avec convection paramétrée (Marsham et al. 2011, GRL) Domaine de simulation Jeu de simulations idéal pour développer une paramétrisation 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Exemple : 1.5 km à convection explicite Précipitations convectives Poches froides Forts vents de surface Tempêtes de poussières convectives résolues Mais peu de données (10 jours) 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Exemple : 4 km à convection explicite Précipitations convectives Poches froides Forts vents de surface Tempêtes de poussières convectives résolues Référence pour la paramétrisation 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Exemple : 12 km à convection paramétrée Précipitations diluées Pas de poches froides Faibles vents de surface Tempêtes de poussières convectives absentes Test pour la paramétrisation 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Processus physique : formation d‘une tempête Vitesse verticale Vent horizontal Poche froide en développement dans la simulation à 4 km Un fort courant descendant se répand radialement dans une poche froide La poche froide crée de forts vents de surface et produit de nouvelles ascendances Le courant descendant transporte de la quantité de mouvement vers la surface et rend le vent asymétrique Contours noirs : température potentielle θ 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Paramétrisation : modèle conceptuel La paramétrisation est basée sur le flux de masse descendante Mdd Mdd se répand radialement dans une poche froide de rayon R et hauteur h La poche froide se propage avec une vitesse radiale C = Mdd / 2πRhρ Le vent radial croît linéairement avec le rayon et est maximal à la hauteur zmax La poche froide est entraînée avec une vitesse Cst = 0.65 Uenv 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Illustration : poche froide en développement Simulation 4 km Modèle conceptuel Les hypothèse simples Reproduisent l’intensité et l’asymétrie du vent de surface Manquent les processus de fine échelle seulement Contraintes supplémentaires Poche froide statique : évite couplage schéma convection Géométrie fixe poche froide : un seul paramètre libre R Mdd calibré avec un facteur 10 Modèle conceptuel : structure typique d‘une poche froide en développement 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Calibration : soulèvement de poussières “dust uplift potential” (Marsham et al. 2011, GRL) DUP = ν U3 (1 + Ut/U)(1 – Ut2/U2) ν : fraction de sol nu U : vent à 10 m Ut = 7 m/s : seuil de soulèvement Très sensible à la queue de distribution Identification des poches froides dans la simulation de référence (4 km) Seuil de refroidissement : -1 K/h Seuil de vitesse verticale : 0.5 m/s Pas d’identification unique (Heinold et al. 2013, JGR) PDF du vent horizontal Calibration pour la simulation test (12 km) : paramètre libre R = 2.0 km Taille poches froides irréaliste  mais conforme à l’hypothèse de sous-maille  19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Résultats : répartition géographique Référence DUP dans la référence à 4 km Très élevé au sud du Sahara : reproduit par la paramétrisation quoique décalé à l‘est avec le flux de mousson Élevé au pied des reliefs : absent de la paramétrisation car convection absente Élevé sur la côte Atlantique : absent de la paramétrisation mais processus différent Faible au Sahel : lignes de grains absentes de la référence à 4 km ! Paramétrisation Échelle logarithmique ! 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Résultats : cycle diurne DUP dans la référence à 4 km Forte amplitude : reproduite par la paramétrisation Déclenchement : trop tôt dans la paramétrisation car convection déclenchée trop tôt Durée du pic : trop bref dans la paramétrisation car convection trop brève Amplitude du pic : surestimée car calibration avec l‘intégrale journalière Paramétrisation Référence Les principaux biais de la paramétrisation sont dus aux biais du schéma de convection 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Conclusions Motivation : tempêtes de poussières convectives Source importante d‘émissions en été sur l‘Afrique de l‘Ouest Mais absentes des modèles à convection paramétrée Paramétrisation basée sur un modèle conceptuel simple : le flux de masse descendante du schéma de convection se répartit radialement dans une poche froide statique Application à un jeu de simulations pour juin-juillet 2006 La paramétrisation reproduit le soulèvement de poussières au sud Sahara Les biais principaux sont dus aux biais du schéma de convection En cours : tests de sensibilité à la période, à la résolution et au modèle Perspectives : implémentation dans un modèle global de météo ou de climat 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Merci !

Dust uplift potential: geographical distribution Similar pattern in 4 and 12-km runs Highest DUP Saharan heat low and Bodélé Depression: nocturnal low-level jet High DUP Algeria and Niger: flow around Hoggar Mountains High DUP along Atlantic coast: Atlantic inflow Low DUP along the Sahel: high roughness length Weaker DUP in 12 vs 4-km run Due to weaker pressure gradient Feedback of the convection on the large-scale monsoon flow (Marsham et al. 2013, GRL) Black contours: 925-hPa geopotential height 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Dust uplift potential: diurnal cycle Similar pattern in 4 and 12-km runs Stronger peak in the morning: breakdown nocturnal low-level jet Weaker peak in the afternoon: dry convection in boundary layer DUP remains high in the evening: convective dust storms Weaker DUP in 12 vs 4-km run Morning: feedback of convection on large-scale monsoon flow (Marsham et al. 2013, GRL) Evening: the 12-km run lacks convective dust storms (Marsham et al. 2011, GRL; Heinold et al. 2013, JGR) Low-level jet Dry convection Convective dust storms 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Calibration: identify cold pools in reference run Two criteria to identify cold pools Cooling below -1 K/h Vertical velocity above 0.5 m/s Diurnal cycle of dust uplift potential Quick increase then peak at 18 UTC matches peak in precipitation Slow decrease until peak at 09 UTC matches mixing by dry convection Sensitivity to thresholds Uncertainty on the order of 30% No unique identification of cold pools 4-km run 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières

Calibration: tune parameters 12-km run Constraints to the conceptual model Static cold pools to avoid coupling with the convection scheme Mdd scaled with factor 10 because too weak in the convection scheme Fixed geometry of cold pools to avoid multiple free parameters Free parameter: radius of cold pools R Parameterization best matches reference DUP with R = 2 km Relation between DUP and Mdd weakly sensitive if R tuned carefully Frequency DUP Frequency x DUP 19/1/2015 Paramétrisation de tempêtes de poussières