Description

La recherche en météorologie concerne les études des processus physiques atmosphériques, incluant les processus dynamiques (les mouvements verticaux et horizontaux moyens et turbulents) et les processus thermodynamiques et radiatifs qui caractérisent les échanges d’énergie au sein de l’atmosphère. Cela inclut également l’étude du cycle de l’eau atmosphérique, la formation des nuages, leurs évolutions, propriétés microphysiques, impacts radiatifs, ainsi que les précipitations et leurs propriétés. Ce domaine de recherche couvre les échanges d’énergie et d’eau entre la surface et l’atmosphère, les processus dans la couche limite atmosphérique et dans la troposphère libre jusqu’à son sommet.

Les défis concernant les processus météorologiques sont nombreux. Ils sont décrits notamment dans la prospective 2023-2028 de la communauté océan-atmosphère du CNRS-INSU. En particulier, la convection atmosphérique est identifiée comme un défi majeur. Parmi les sujets de recherche toujours ouverts on trouve les processus en jeu dans la couche limite atmosphérique, l’impact de variabilités spatiales des sols sur les flux surface-atmosphère, les interactions entre stabilité atmosphérique à plusieurs échelles et la turbulence d’origine mécanique, et les rétroactions des nuages et des précipitations. Autre défi, les nuages de basse couche de types stratiforme (stratus, brouillard) posent encore des difficultés de prévision, avec des impacts importants sur les activités humaines (transport, énergie). Les aérosols participent aussi au développement des systèmes météorologiques, par des effets directs et indirects (par ex. impacts sur la formation et les précipitations issues de nuages stratiformes, et sur la convection). Dans les environnements urbains, des rétroactions entre les aérosols et la météorologie de la couche limite sont à l’origine de fortes variabilités de la pollution. De même, les émissions de composés organiques volatils d’origine biogénique et leurs impacts sur la chimie atmosphérique sont fortement modulées par les conditions thermodynamique et dynamique de l’atmosphère, un enjeu majeur pour les milieux urbains qui évoluent rapidement pour intégrer plus de végétation.

Dans la haute troposphère, des préoccupations sociétales liées aux effets non-CO2 de l’aviation (par ex. formation des traînées de condensation) motivent également la poursuite de l’étude des conditions de formation et persistance des traînées de condensation des avions et cirrus d’origine naturelle. Pour progresser sur ces sujets, la communauté a besoin de s’appuyer sur des systèmes d’observations colocalisées couvrant simultanément de nombreuses variables sur des sites multi-instrumentés pérennes ou dans le cadre de campagnes de mesures (régions géographiques nouvelles, dispositifs de mesures nouveaux).

Les événements météorologiques extrêmes, qui représentent un volet significatif de la recherche en météorologie, ont des origines diverses qui impliquent souvent une cascade d’échelles. Ils sont difficiles à prévoir, et leur observation est un enjeu majeur pour progresser dans la compréhension des processus impliqués. L’occurrence de ces événements est très variable dans le temps, il est donc important de s’appuyer sur des systèmes d’observation continus et fiables (in-situ, télédétection) pour les documenter au moment où ils se produisent. Les observations de variables météorologiques sur le long terme (suivant des protocoles de qualité précis et harmonisés) sont également nécessaires pour mieux quantifier les variabilités et tendances de variables clés du système climatique.   

Motivations

Les moyens d’observation et expertises de l’IR ACTRIS-FR permettant d’aborder ces questions scientifiques étaient préalablement distribués au sein de trois groupes de travail distincts (GT3 focalisé sur les propriétés des nuages et précipitations, GT4 sur les variables thermodynamiques dans la troposphère et stratosphère, et GT5 concernant les flux de chaleur et de rayonnement à l’interface surface-atmosphère). Dans le cadre de la réorganisation des thèmes scientifiques de l’IR ACTRIS-FR en Centres d’Animation et d’Expertise pour l’Observation Scientifique (CAES), nous proposons un centre dédié à l’animation et l’expertise de la communauté ACTRIS-FR concernant les études des processus météorologiques tels que définis ci-dessus. Ce CAES est organisé en 4 thèmes scientifiques :

Thème 1 : Couche limite atmosphérique (Responsable : G. Canut, CNRM ; M. Haeffelin, IPSL)
La couche limite atmosphérique (CLA) est le lieu où l’humanité vit, et où les processus physiques et chimiques anthropiques impactent de nombreuses activités humaines (aéronautique, production d’électricité éolienne et solaire, agriculture, …) ainsi que la qualité de l’air. Il est donc important d’en comprendre le fonctionnement, ainsi que ses variabilités spatiales et temporelles. Bien que la CLA soit étudiée depuis plusieurs décennies, sa structure et son fonctionnement ont toujours leurs places dans l’appréhension des nouveaux défis sociétaux. Elle est importante pour la qualité de l’air car, par son développement vertical, elle définit un volume de dilution, et de sa dynamique et de sa stabilité dépendent les transports et les mélanges (par ex. Stirnberg et al. 2021). Lieux de transferts entre la surface et l’atmosphère libre, la couche limite dépend des échanges à ces limites inférieure (avec la surface) et supérieure avec l’atmosphère libre. 

De nombreux instruments de mesure permettent de caractériser la CLA et rendent ce CAES météorologie pertinent pour aborder ce thème (voir Kotthaus et al. 2023). Comme le montre le tableau suivant, tous les instruments qui permettent de décrire la dynamique et la thermodynamique, ainsi que des traceurs passifs (aérosols, certains gaz), en surface comme sur les premiers kilomètres d’atmosphère, tant du point de vue moyen et que du point de vue turbulent, apportent une information importante à l’étude de la CLA. Il ne faut pas oublier les instruments permettant de décrire la structure nuageuse puisque les nuages de qui se développent en son sein (comme le brouillard) tout comme ceux qui se développent à son sommet font partie intégrante de la CLA. Une évaluation précise des échanges surface-atmosphère et leur représentation correcte dans les modèles sont donc essentielles pour les prévisions météorologiques et climatiques. Pourtant, l’enquête du Groupe de travail sur l’expérimentation numérique (WGNE) sur les erreurs systématiques (février 2019) établit que les erreurs de représentation des flux de quantité de mouvement et de chaleur sensible et latente à la surface constituent la deuxième cause de biais dans les modèles numériques, après la convection.

Thème 2 : Nuages de basse couche et brouillard (Responsables : F. Burnet, CNRM ; JC. Dupont, IPSL)
Le brouillard perturbe fortement les transports terrestres, aériens ou maritimes, et est à l’origine de pertes en vies humaines et de coûts financiers importants. Bien prévoir le brouillard est donc un enjeu essentiel. Cependant il reste encore beaucoup d’incertitudes sur les interactions entre les différents mécanismes pilotant la variabilité du brouillard et des nuages de basse couche aux très fines échelles (Gultepe et al., 2007). On cherchera dans ce CAES à mieux comprendre les processus (dynamiques, microphysiques, radiatifs) pilotant le cycle de vie des brouillards et nuages bas et améliorer leurs représentations dans les modèles (Waersted et al. 2019 ; Fathalli et al. 2023). La forte synergie instrumentale présente sur chaque site et moyens mobiles contribuant à ce CAES fournira des variables clés indispensables à la caractérisation des processus de formation et dissipation des nuages de basse altitude. On peut citer par exemple les profils de réflectivité et vitesse Doppler des hydrométéores (radar nuage), les profils de turbulence de l’air clair (lidar Doppler) et les profils de température et d’humidité sur toute la colonne atmosphérique (radiomètre micro-onde) qui jouent un rôle central comme l’ont montré les articles de Waersted et al. 2017 ; Toledo et al. 2021; et Dione et al. 2023. Les études menées dans le cadre de l’ANR SOFOG-3D ont permis d’évaluer des simulations numériques haute résolution et d’avancer sur la validation du schéma microphysique à deux moments LIMA dans AROME (Antoine et al. 2023). L’ANR SOFOG-3D a aussi permis d’aborder la synergie instrumentale entre radar et radiomètre afin de dériver de nouvelles variables microphysiques de manière continue dans le brouillard (Vishwakarma 2023, Bell 2022). De premières études d’assimilation de données ont aussi été menées pour améliorer les prévisions de brouillard grâce à de nouveaux jeux de données innovants (Martinet et al 2022, Thomas et al 2023) Les observations utilisées pour ces travaux bénéficient des activités du Topical Center CCRES (Center for Cloud REmote Sensing), leur garantissant une qualité optimale via le développement d’un ensemble de services accessibles à la communauté (procédures standard d’installation et de configuration, suivi des variables techniques instrumentales, calibration régulières, contrôles qualité automatiques)

Thème 3 : Nuages de haute altitude (Responsables : JL. Baray, LaMP ; S. Aubert, DSO)

Les nuages de haute altitude font l’objet actuellement d’une attention particulière de la communauté scientifique. En particulier, l’augmentation du trafic aérien provoque une augmentation des traînées de condensation avec un impact climatique qu’il convient d’estimer précisément et de minimiser. Il est à noter qu’une session entière de l’EGU 2024 était consacrée à cette thématique (https://meetingorganizer.copernicus.org/EGU24/session/48906). Les filières instrumentales considérées dans le cadre du CAES météorologie (lidars de haute puissance, radiosondages, imageurs plein ciel…) sont particulièrement utiles pour y contribuer avec les deux objectifs suivants :

1. Étudier les impacts non-CO2 de l’aviation sur le climat, 
2. Caractériser les propriétés des cirrus et traînées de condensation (macrophysiques, microphysiques et optiques), ainsi que les conditions thermodynamiques et de sursaturation en haute troposphère.

Thème 4: Convection et précipitations (Responsables : S. Bastin, LATMOS ; J. Van Baelen, LaCy)

Les précipitations ne sont pas très bien appréhendées (prévisions, cumul, timing) par les modèles de climat qu’ils soient globaux ou régionaux. Il est donc essentiel d’améliorer notre connaissance des processus microphysiques à l’échelle locale, en particulier dans les zones où l’on a des fortes influences anthropiques.

Une de ces questions porte sur l’influence de l’îlot de chaleur généré par les centres urbains sur les régimes de précipitation. Paris et sa proche banlieue constituent un site très intéressant à étudier et pour lequel nous disposons d’un système d’observation exceptionnel. Des études préliminaires (par ex. Lalonde et al., 2024) montrent que la ville modifie les cumuls annuels de précipitations à la fois dans la zone urbaine et en aval. Les mécanismes mis en jeu ne sont toutefois pas entièrement connus. Les radars ROXI et BASTA déployés au SIRTA (Palaiseau) et sur la plateforme Qualair (Jussieu), offrent un potentiel d’observation énorme renforcé par les radars météorologiques de Trappes (MF) et de Roissy (ADP). Toutefois dans son étude, Lalonde et al. montrent qu’il existe une grande variabilité selon les villes et il sera donc très important de consolider les résultats obtenus sur l’IdF à l’aide des autres sites équivalents du réseau, en particulier ATOLL pour Lille, Météopole-Flux et OHP pour Toulouse, CO-PDD pour la région Clermontoise et enfin Maïdo pour la Réunion et l’environnement océanique. Les moyens mobiles pourront alors ponctuellement renforcer le dispositif instrumental installé de manière pérenne (comme cela a été le cas pour l’initiative PANAME). Sur les prochaines années, plusieurs missions spatiales focalisées sur les nuages, convection et précipitations pourront bénéficier du CAES météorologie afin d’évaluer et valider leurs observations via des mesures de terrain homogènes et de qualité.

Le CAES météorologie a identifié également deux zones d’intérêt majeur : les zones montagneuses et les zones urbaines. Les zones urbaines sont actuellement l’objet d’études transdisciplinaires de nombreuses ANR et projets européens et ont été listées comme “hot spots” dans les dernières prospectives Océan-atmosphère. Les zones montagneuses sont aussi étudiées depuis longtemps mais très peu jusque-là avec les données ACTRIS-FR. Pourtant trois sites français sont en zones montagneuses et peuvent servir de sentinelles du climat dans ces environnements très particuliers. 

Les zones montagneuses. Avec 140 000 km², 25 % de la France métropolitaine est en zones montagneuses. Plus qu’ailleurs les changements climatiques y sont marqués, avec une augmentation deux fois plus importante des températures que sur les autres territoires. Des phénomènes météorologiques de petites échelles, bien spécifiques à ces zones de montagnes (brises de pentes, convection profonde, formation nuageuse, …), peuvent être impactés par ces changements climatiques et modifier tant l’habitat, que les pratiques agricoles ou les activités touristiques.  ACTRIS regroupe plusieurs sites instrumentés en zone montagneuses (par ex. OPAR, P2OA, COPDD) qui peuvent servir à des études long-terme complétés ponctuellement par les moyens mobiles. 

Les zones urbaines. Les environnements urbains sont caractérisés par des fortes densités de population, par leur forte anthropisation (caractéristiques des surfaces, émissions de chaleur, émissions de composés gazeux et particulaires), par leurs hétérogénéités, et par leurs évolutions parfois rapides.  Certains phénomènes météorologiques y sont amplifiés, tels que les vagues de chaleur, les orages et fortes précipitations, les épisodes de pollution, en lien avec le microclimat urbain où la nature et la structure de la ville interagit et rétroagit sur les processus au sein de la couche limite urbaine. Les enjeux concernent notamment les moyens pour refroidir la ville (sans climatiser, continuum sol végétation atmosphère, par ex. Li et al., 2024), l’impact de la ville sur le cycle de l’eau (dont sa partie atmosphérique – nuages, précipitations, par ex. Lalonde et al. 2023), l’impact de la stabilité et la turbulence dans la couche limite urbaine sur la chaleur (par ex. Cespedes et al. 2024) et la dispersion de polluants (par ex. Stirnberg et al. 2021). Les études pourront s’appuyer sur les données de quatre sites instrumentés contribuant au CAES Météorologie situés en environnements fortement anthropisés (urbain et péri-urbain) auxquels peuvent s’ajouter les moyens mobiles.

Sites de mesure (ou plateformes d’observation) 

La stratégie d’observation du CAES météorologie se base sur plusieurs Sites Instrumentés labellisés (SIRTA, OPAR, P2OA, COPDD et OHP-GEO), projets de SI (ATOLL), site participant (Météopole-Flux) et Instruments Nationaux (Moyens Mobiles de Météo-France). La section 1.2 précise les contributions de chaque système d’observation en termes de filières instrumentales pour les thèmes définis au-dessus.

Également, les activités du CAES météorologie s’inscrivent dans plusieurs réseaux nationaux et  internationaux, comme : 

BSRN : réseau international de mesures radiatives en surface (solaire et infrarouge)

CLOUDNET: réseau ACTRIS de propriétés des nuages et dynamique par télédétection 

EUMETNET: réseau E-PROFILE de profileurs de température, humidité, vent, aérosol en soutien à la prévision numérique du temps

GRUAN : réseau international de mesures par radiosondages  (température, humidité et vent) 

Instruments

Variables

QC-QA

Le CAES Météorologie a mis en place un certain nombre de protocoles de mesures pour harmoniser les filières instrumentales fournissant ainsi des données géophysiques de meilleure qualité. Le tableau ci-dessous détaille de manière synthétique les protocoles standardisés appliqués aux différents instruments d’un point de vue technique mais aussi sur les configurations d’acquisition. On explicite également les réseaux de référence auxquels sont rattachés ces protocoles, et enfin les thèmes concernés par ces capteurs.

Pour améliorer la qualité des mesures et données de télédétection des nuages et de la dynamique atmosphérique, un centre d’expertise a été créé dans l’ACTRIS-ERIC (Centre for Cloud Remote Sensing CCRES). Le consortium CCRES a pour objectif de développer des protocoles de mesures standardisés pour les mesures de propriétés nuageuses et de dynamique atmosphérique : (1) procédures d’opération standard des instruments, (2) suivi des paramètres instrumentaux (dashboards), (3) calibration des instruments, (4) codes pour le contrôle qualité des données produites, (5) méthodes permettant la traçabilité de la qualité de la mesure à la diffusion des données. Le CCRES s’assure que les Sites Instrumentés ACTRIS-EU sont capables et pleinement engagés dans l’implémentation de ces protocoles. Le CCRES est constitué de quatre National Facilities en France, Allemagne, Pays-Bas et Finlande. L’unité française (CCRES-FR: IPSL, LMD, LATMOS) est chargée du pilotage du consortium, avec une expertise thématique sur la télédétection des nuages par Radar et Lidar. Les protocoles développés par l’unité CCRES-FR pour les sites de mesures européens (National Facilities) sont également appliqués aux sites français dans le cadre du CAES Météorologie. 

Le code couleur du tableau indique l’état d’implémentation des protocoles de mesures dans le réseau des SI français ou des sites participants quand le capteur est installé : vert (appliqué à 100% des sites), jaune (appliqué à 75%), orange (appliqué à 50%), rouge (appliqué à moins de 25%).

Protocole de mesures mis en place dans le cadre du CAES météorologie pour chaque filière instrumentale.

Filière de traitements 

Le tableau ci-dessous liste les nombreuses filières qui relèvent du CAES météorologie qui sont mises en place (vert) et en incubation (orange). Le descriptif de la filière, le groupe instrumental concerné et le lieu de traitement sont aussi indiqués.

Ensemble des filières pilotées par le CAES météorologie avec son descriptif, l’instrument concerné et le lieu de traitement.

Responsable

Jean-Charles Dupont – jean-charles.dupont@ipsl.fr

Références

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2. Baray J.L. et al., AMT, 2013,https://doi.org/10.5194/amt-6-2865-2013
3. Lothon M., et al., AMT, 2024, https://doi.org/10.5194/amt-2024-10 
4. Baray J.L., et al., AMT, 2020, https://doi.org/10.5194/amt-13-3413-2020
5. Lelandais L., et al., AE, 2022,  https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2022.119020
6. CCRES SOPs – DL.docx
7. CCRES SOPs – MWR.docx
8. https://ccres.ipsl.fr/grafana/dashboards?starred
9. CCRES SOPs – DCR.docx
10. https://ccres.aeris-data.fr/en/data-visualization/
11. CCRES SOPs – Disdrometers_vDec2023.docx
12. CCRES SOPs – ALCs.docx
13. https://ccres.ipsl.fr/grafana/dashboards?starred
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15. Campistron, B., et al.: A method of retrieving turbulence parameters from volume processing of single-Doppler radar measurements, J. Oc. atmos. Tech., 8, 491–505, 1991 
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