Mieux comprendre les phénomènes atmosphériques

Nuages

Les nuages jouent un rôle déterminant en météorologie et en climatologie. Pourtant, leur petite taille rend délicate leur représentation dans les modèles de prévision du temps et dans les modèles climatiques. Les chercheurs de Météo-France utilisent la modélisation et l'observation pour progresser sur ce point.

Les nuages en quelques mots

Un nuage est formé d'un ensemble de gouttelettes d'eau ou de cristaux de glace en suspension dans l'air. Il se forme par condensation de la vapeur d'eau lorsque l'air humide se refroidit.

© Météo-France
Cumulus congestus - © Météo-France
 

Des représentations imparfaites dans les modèles

Les nuages sont centraux en météorologie : mal prévoir une couche nuageuse à basse altitude peut par exemple engendrer une erreur de plusieurs degrés dans la prévision de température des jours à venir. Dans les modèles de prévision, leur représentation est pourtant nécessairement simplifiée par rapport à la réalité. Ces logiciels simulent l'évolution de l'atmosphère en la découpant en mailles plus ou moins larges, de quelques kilomètres à quelques dizaines de kilomètres. Les phénomènes de taille inférieure à la maille ne peuvent pas être représentés de manière explicite.

Mieux modéliser la microphysique et la convection

Plusieurs processus liés au cycle de vie des nuages ont des tailles caractéristiques inférieures à la maille des modèles. C'est par exemple le cas des processus microphysiques (condensation de la vapeur d'eau, évaporation de l'eau liquide, collision des gouttes, etc.), qui conditionnent la durée de vie du nuage et sa capacité à produire des précipitations sous forme de pluie, de neige ou de grêle. Certains processus convectifs (mouvements de l'air sous l'effet des différences de température sur la verticale) ont aussi des tailles inférieures à la maille des modèles. Ils sont pourtant cruciaux dans la formation et l'évolution des nuages.

Pour prendre en compte leur impact sur l'évolution des paramètres météorologiques, les concepteurs de modèles utilisent de complexes algorithmes qui décrivent de manière approximative leurs caractéristiques moyennes à l'intérieur des mailles. C'est la paramétrisation. Améliorer la paramétrisation de la microphysique des nuages et de la convection est important pour affiner les prévisions.

Les chercheurs de Météo-France effectuent des simulations avec le modèle de recherche Meso-NH* à une échelle très fine (de l'ordre du mètre à la centaine de mètres) pour décrire de manière réaliste les phénomènes microphysiques et convectifs. Ces simulations permettent ensuite de trouver les meilleures approximations dans les modèles opérationnels dont la maille est plus large, et qui sont utilisés au quotidien par les prévisionnistes de Météo-France.

* Meso-NH est un modèle atmosphérique de recherche développé à la fin des années 1990 par le centre de recherches de Météo-France et le Laboratoire d'Aérologie. Il permet de simuler de manière réaliste une vaste gamme de phénomènes atmosphériques, depuis les grands mouvements de la circulation atmosphérique (taille : 100-1000 km) jusqu'aux tourbillons (taille : quelques mètres). Il est aujourd'hui utilisé par une large communauté scientifique.

Des campagnes intensives pour observer les nuages

Pour compléter cette approche, Météo-France participe aussi ponctuellement à des campagnes de mesures qui visent à mieux comprendre les processus à l'œuvre au sein des nuages. Météo-France a ainsi collaboré au programme européen Eucaari (European Integrated Project On Aerosol Cloud Climate Air Quality Interactions), qui regroupait 48 instituts de recherche issus de 24 pays. Lancé en 2007 et achevé en 2011, ce programme s'est penché sur l'impact des gaz et des aérosols sur la qualité de l'air et leur rôle dans les changements climatiques en relation avec le cycle nuageux. L'année 2008 a notamment été principalement consacrée à l'acquisition de données à partir de stations de mesure européennes. Elles ont récolté des informations sur la variabilité des propriétés physiques, chimiques et optiques des particules.

Depuis 2010, Météo-France coordonne aussi, aux côtés du CNRS, le programme international de recherche HyMeX. Son objectif : améliorer la compréhension du cycle de l'eau en Méditerranée, afin notamment d'affiner la prévision des pluies intenses qui affectent régulièrement le pourtour méditerranéen. Ce programme ambitieux, qui ne s'achèvera qu'en 2020, combine plusieurs campagnes d'observation et travaux de modélisation. Il a notamment donné lieu à une campagne de mesures intensives à l'automne 2012 sur tout le bassin méditerranéen : 200 moyens d'observation (avions, bateaux, radars…) ont été déployés dans les airs, en mer et sur terre. Les données recueillies contribueront notamment à une meilleure compréhension de la convection et des processus microphysiques.

Nuages et climat

Les nuages ne concernent pas que l'évolution de l'atmosphère dans les jours qui viennent, ils jouent aussi un rôle fondamental sur le climat. Comme notre peau qui chauffe au soleil, la Terre se réchauffe sous l'effet du rayonnement solaire et émet des infrarouges dans l'atmosphère. Les nuages réfléchissent une partie de ces rayonnements vers la surface de la Terre, ce qui tend à la réchauffer. Mais les nuages réfléchissent aussi une partie des rayonnements solaires vers l'espace, ce qui a l'effet inverse ! Au final, l'effet des nuages sur le climat à l'échelle du globe est encore mal quantifié. Pour mieux comprendre et décrire le rôle joué par les nuages sur le climat terrestre, les chercheurs de Météo-France participent notamment au projet européen EUCLIPSE. Débuté en 2010, il combine observations au sein des nuages et modélisations à fine échelle.