KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association Institute of Meteorology and Climate Research.

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1 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) www.kit.edu 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)

2 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” (2010-2015) 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” (2010-2015) 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)

3 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

4 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. 2013 & 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

5 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)

6 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

7 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

8 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

9 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 )

10 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)

11 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

12 Florian Pantillon 12 Résultats III : paramétrisations alternatives Comment représenter les haboobs dans les modèles de grande échelle 21/1/2016 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

13 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

14 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…

15 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