Karine Maynard et Philippe Arbogast

Simulations semi-idéalisées de HPE sur la Méditerranée et sensibilité linéaire ensembliste Karine Maynard et Philippe Arbogast

Simulations idéalisées des HPEs • Environnement favorable • Forte SST (fin de l’été et automne) • Apport d’humidité par un flux de basse couche • Instabilité de la masse d’air • Soulèvement orographique • Convergence du flux de basse couche • Formation d’une plage froide sous orage • Dynamique d’altitude • Faible évolution synoptique

Simulations idéalisées des HPEs • Environnement synoptique favorable • Les HPEs sont associés à une dépression ou un thalweg situé a l’Ouest de la zone de pluies qui induit une circulation Sud Sud-Est en provenance de la mer Méditerranée. Cette circulation assure un transport de chaleurs latente et sensible dans les basses couches qui viendra amplifier l’instabilité de la masse d’air située a l’avant de la zone dépressionnaire • Les HPEs peuvent être favorisés et entretenus par la présence d’une anomalie de tourbillon potentiel en altitude localisée à l’Ouest de la zone d’action, en amont du flux.

Simulations idéalisées des HPEs • Les anomalies d’altitude de Tourbillon Potentiel peuvent impacter de différentes manières le déclenchement des HPEs 1) La stabilité est réduite sous une anomalie de TP et l’initiation de la convection est donc facilitée. 2) On observe des ascendances en aval des structures de forts TP ce qui peut également initier de la convection. 3) Par interaction barocline, la structure d’altitude va interagir avec la surface et va jouer sur le vent de basse couche (orientation, intensité) avec une implication majeure sur la localisation et l’intensité des précipitations.

Simulations idéalisées des HPEs • Construction de 3 situations basses fréquences idéalisées • Choix de 3 situations automnales avec des caractéristiques de basses couches différentes (pour généraliser les résultats) • SST froide, humide avec fortes pluies • SST chaude, humide avec fortes pluies • SST modérée, sèche sans pluie • Filtrage des grands nombres d’ondes (> 6) pour des variables comme le vent, le géopotentiel ou la température afin de construire une situation très peu dynamique caractéristique de la basse fréquence. • On lance 3 nouvelles prévisions à partir des ces 3 nouveaux états initiaux basses fréquences, le but étant d’obtenir des simulations sans pluie sur la zone d’intérêt • Expériences de sensibilité à des anomalies d’altitudes de Tourbillon Potentiel pour ces 3 cas basses fréquences • Rajout d’une anomalie positive sur un axe nord/Sud s’étirant de l’Angleterre aux côtes africaines (EXP1) • Rajout d’une anomalie négative à l’ouest de l’anomalie positive de EXP1 (EXP2) • Rajout d’une deuxième anomalie négative à l’est de l’anomalie positive de EXP1 (EXP3)

Simulations idéalisées des HPEs • Objectifs • Etude du rôle de la dynamique d’altitude dans le déclenchement des HPEs sur le bassin Méditerranéen. De nombreuses études ont déjà été menées sur ce sujet à l’échelle de la perturbation d’altitude (sensibilité à l’intensité, la position ou l’orientation des anomalies de TP). • Etude de l’environnement basse-fréquence sur l’évolution de la perturbation d’altitude et son impact sur le déclenchement des HPEs (intensité et localisation des pluies). Etude relativement nouvelle

SST froide SST chaude SST « modérée » Simulations idéalisées des HPEs • Trois situations basses fréquences caractérisées par une circulation zonale sur l’Atlantique • Jet Atlantique à l’ouest et présence d’un jet Africain • Absence du jet Africain et renforcement du jet Atlantique qui s’étend vers les côtes Européennes • Absence du jet Africain et un jet Atlantique qui conserve sa position

Précipitations qui se déclenchent à l’est sur le sud des Alpes ainsi que sur le golf de Gênes et les côtes Italiennes pour les 2 derniers cas caractérisés par des SST plus chaudes • Vent de basse couche orienté est/Ouest qui vient buter sur le flanc des Alpes • Le rajout de l’anomalie d’altitude influence le vent de basse couche et donc le déclenchement des précipitations sur relief. Cela joue également sur la déstabilisation de l’atmosphère. Simulations idéalisées des HPEs • EXP1: Rajout d’une anomalie positive (15PVU) de Tourbillon Potentiel • Talweg nord/sud + jet nord/Sud en amont de l’anomalie et jet sud/nord en aval de l’anomalie. • Au bout de 24h, l’anomalie d’altitude a perdu de son intensité et a pratiquement conservé son orientation avec une tendance cependant à s’orienter selon un axe nord-ouest/sud-est . Elle est advectée rapidement vers le nord-est (dans les 3 cas) • Le jet d’altitude à l’amont de l’anomalie s’est fortement affaiblit. Subsiste un jet orienté sud/nord en aval de l’anomalie

PV+ PV+ PV+ PV- PV- PV- Simulations idéalisées des HPEs EXP1 EXP2 EXP3 • EXP1: Rajout d’une anomalie positive (15PVU) de Tourbillon Potentiel • EXP2: Rajout d’une anomalie négative à l’ouest de l’anomalie positive • EXP3: Rajout d’une deuxième anomalie négative à l’est de l’anomalie positive 1) SST froide, humide 2) SST chaude, humide 3) SST modérée, sec

PV+ PV- Simulations idéalisées des HPEs EXP2 • EXP2: Rajout d’une anomalie négative à l’ouest de l’anomalie positive • On décale la zone de pluie vers le sud-ouest • Génération d’un flux de basse couche de sud/sud-est • Déstabilisation de l’atmosphère • Stationarisation de l’anomalie d’altitude => augmentation de l’intensité des pluies

PV+ PV- PV- Simulations idéalisées des HPEs EXP3 • EXP3: Rajout d’une deuxième anomalie négative à l’est de l’anomalie positive • Le flux de sud est nettement ralenti • On décale la zone de pluie vers le nord • Stationarisation de l’anomalie d’altitude plus importante => augmentation légère de l’intensité des pluies

Simulations idéalisées des HPEs • L’étude présentée ici s’intéresse au rôle de la dynamique grande échelle (succession de talweg et de dorsale) dans la génération et l’évolution des perturbations dynamiques d’altitude et notamment dans leur « stationarisation » (formation de cut-offs) caractéristique des évènements fortement précipitants sur le bassin Méditerranéen. • Les perturbations « allongées » de TP associées à des talwegs résultent du transport vers l’équateur de forts TP à l’aval d’une large dorsale située sur l’Atlantique Nord. • Le transport de TP dans la dorsale située à l’amont du talweg (EXP2) entraîne une élongation de la perturbation d’altitude allant jusqu’à la formation d’un cut-off et donc à la stationarisation du système. • Si une autre dorsale est présente à l’aval du talweg (EXP3), la stationarisation sera encore accentuée dans la dernière phase de l’épisode.

Sensibilités linéaires ensemblistes • L’analyse de sensibilité est un moyen objectif pour évaluer comment une modification dans l’état initial du modèle peut affecter la prévision. • Dans un contexte de prévisibilité, l’analyse de sensibilité permet de comprendre la dynamique de l’erreur de prévision et également de localiser les zones sensibles. • L’approche ensembliste est utilisée ici: • On génère un ensemble de 210 membres issus des 3 cas automnaux étudiés pour chacune des 3 expériences EXP1, EXP2 et EXP3. La prévision d’ensemble ARPEGE est lancée 2 fois (à partir de l’analyse et de la prévision 6h) pour chaque cas automnaux (2*3*35 membres=210membres) • La sensibilité d’un champ prévu (métrique = RR24) à une condition initiale est donc étudiée en utilisant la technique de sensibilité ensembliste développée par Hakim et Torn (2008)

Sensibilités linéaires ensemblistesEXP1 • Isolignes rouges = fonction coût (RR24 entre 24 et 48h). • Isolignes noires = moyenne de l’ensemble de la Z1.5 Pvu à différentes échéances (18, 24, 30 et 36h) • Zones grisées = zones de sensibilité • Interprétation • Si on remonte la tropopause de 3000m dans la zone gris foncé (gris clair), on va augmenter (diminuer) les précipitations dans la zone définie par la fonction coût t-12 t-18 t-6 t

t-12 t-6 t Sensibilités linéaires ensemblistesEXP1, significativité

Sensibilités linéaires ensemblistesEXP1 • Isolignes rouges = fonction coût à 36h (vent méridien, température à 850hPa et humidité relative). • Isolignes noires = moyenne de l’ensemble de la Z1.5 Pvu à différentes échéances (18h) • Zones grisées = zones de sensibilité entre 18h (champ initial) et 36h (champ final) • Interprétation • Si on remonte la tropopause de 3000m dans la zone gris foncé (gris clair), on va augmenter (diminuer) la fonction coût dans la zone délimitée par les isolignes rouges. • On réhausse la tropopause • On diminue le vent, • On humidifie • On réchauffe • On augmente les pluies V 850hPa T 850hPa HU 850hPa

Sensibilités linéaires ensemblistesEXP2 • Isolignes rouges = fonction coût (RR24 entre 24 et 48h). • Isolignes noires = moyenne de l’ensemble de la Z1.5 Pvu à différentes échéances (18, 24, 30 et 36h) • Zones grisées = zones de sensibilité • Interprétation • On remonte la tropopause de 3000m dans la zone gris foncé (gris clair) = on va augmenter (diminuer) les précipitations dans la zone définie par la fonction coût • Au nord, on décale à l’ouest=pluies, on décale à l’est = rien n’est acquis • Rôle de la zone de rétrécissement de la structure de TP

Sensibilités linéaires ensemblistesEXP2, significativité

Sensibilités linéaires ensemblistesEXP2 • Isolignes rouges = fonction coût à 36h (vent méridien, température à 850hPa et humidité relative). • Isolignes noires = moyenne de l’ensemble de la Z1.5 Pvu à différentes échéances (18h) • Zones grisées = zones de sensibilité entre 18h (champ initial) et 36h (champ final) • Interprétation • Si on remonte la tropopause de 3000m dans la zone gris foncé (gris clair), on va augmenter (diminuer) la fonction coût dans la zone délimitée par les isolignes rouges. • On réhausse la tropopause • On diminue le vent • On humidifie • On réchauffe • On augmente les pluies V 850hPa T 850hPa HU 850hPa

Sensibilités linéaires ensemblistesEXP2, classification • On considère les 20 runs les plus pluvieux sur le bassin Méditerranéen Moyenne de l’ensemble (20 membres) RR24 (24-48h) t-18 t-12 => Déferlement cyclonique La structure d’altitude s’oriente progressivement Nord/Ouest-Sud/Est t t-6

Sensibilités linéaires ensemblistesEXP2, classification • On considère les 20 runs les plus pluvieux sur le bassin Méditerranéen Moyenne de l’ensemble (20 membres) RR24 (24-48h) t-18 t-12

Sensibilités linéaires ensemblistesEXP2, classification • On considère les 20 runs les plus secs sur le bassin Méditerranéen Moyenne de l’ensemble (20 membres) RR24 (24-48h) t-18 t-12 => Pas se déferlement cyclonique La structure d’altitude reste orientée Nord-Sud avec un maximum localisé très sud t-6 t

Sensibilités linéaires ensemblistesEXP2, classification • On considère les 20 runs les plus secs sur le bassin Méditerranéen Moyenne de l’ensemble (20 membres) RR24 (24-48h) t-6 t

Conclusions • On peut fabriquer des événements précipitants en Méditérranée avec des états initiaux simples. • La propagation et la déformation d'une anomalie d'altitude dépend des anomalies de signe opposé en amont et en aval (éléments systématiques déjà envisagés dans Nuissier et al.). Ce qui est nouveau ici est la mise en évidence de l'importance de l'anticyclone en amont par rapport à celui en aval moins déterminant. • Une prévision d'ensemble permet d'explorer un espace de solution plus grand. Des comportements systématiques sont obtenus (forme de thalweg d'altitude lorsqu'il pleut beaucoup ....). • Une anomalie orientée Nord-Sud au départ et ne subissant pas de déferlement cyclonique aura tendance à engendrer des pluies orographiques sur le sud du massif Alpin • Une anomalie orientée Nord-Sud au départ et subissant un déferlement cyclonique aura tendance à engendrer de fortes pluies convectives plus à l’ouest sur le bassin Méditerranéen

Perspectives • Descente d'échelle systématique avec un modèle à Méso-échelle • Analyser spécifiquement, avec le même type de dispositif expérimental, l'impact d'une zone de déformation. • Imposer des structures analytiques en surface. • Stationnariser les écoulements par un terme de forçage.

Karine Maynard et Philippe Arbogast