La campagne ParisFog

Présentation de la campagne Parisfog

Afin de documenter de manière simultanée l’ensemble des processus intervenant dans le cycle de vie du brouillard (turbulence, microphysique et rayonnement) et d’améliorer notre compréhension des processus pilotant son cycle et la description des phénomènes de petite échelle une campagne de mesures a été réalisée. Cette campagne de mesures, appelée ParisFog 1 , menée conjointement par le CEREA (Centre d’Enseignement et de Recherche en Environnement Atmosphérique, laboratoire commun École des Ponts ParisTech/EDF R&D, Université Paris-Est), l’IPSL (Institut Pierre Simon Laplace, qui regroupe des laboratoires parisiens dans le domaine des sciences de l’atmosphère), et le CNRM (Centre National de Recherches Météorologiques, laboratoire commun Météo-France et CNRS) s’est déroulée pendant l’hiver 2006-2007 – du 1er novembre 2006 au 31 mars 2007 – sur le site du SIRTA, localisé sur le campus de l’École Polytechnique à Palaiseau. Cette campagne a permis, de part le nombre important d’instruments mis en oeuvre, de disposer d’une grande quantité de mesures de différentes natures sur un site particu1http ://sirta.ipsl.polytechnique.fr/parisfog/ La campagne ParisFog

 Présentation du site du SIRTA

Le SIRTA est une plate-forme de mesures atmosphériques, spécialisée dans les mesures de télédétection. Il est situé sur le campus de l’École Polytechnique, à Palaiseau [48◦4204700N, 2 ◦1202900E] (Fig. 2.1). Il a été créé par l’Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) et l’École Polytechnique en 1999. C’est une des plus importantes plateformes de ce genre en Europe, avec Chilbolton au Royaume-Uni et Cabauw aux Pays-Bas. Sa thématique se focalise principalement sur l’étude des nuages et des aérosols, mais il sert également de base de données et de plateforme pour l’enseignement expérimental. Le site couvre environ 10 km2 et regroupe des conditions de surfaces hétérogènes (lac, zones boisées, herbe, bâtiments). Pour EDF, il s’avère bien représentatif d’un site industriel en environnement proche des grandes agglomérations. De part sa complexité, il est donc parfaitement adapté pour documenter l’influence des hétérogénéités de surface à petite échelle sur le cycle de vie du brouillard. SIRTA (FR) Chilbolton (GB) Cabauw (NL) Google Fig. 2.1 : Localisation du site du SIRTA dans l’Europe.

Dispositif expérimental déployé

Le site du SIRTA est décomposé en plusieurs zones (Fig. 2.2). La zone 1, située au nord-ouest, est le point principal d’instrumentation. On y trouve notamment un mât de 30 m (avec des capteurs de température, d’humidité et des anémomètres ultrasoniques), et c’est à cet endroit que l’on a déployé le ballon captif et réalisé les radiosondages durant 46 Ch.2 – La campagne ParisFog la campagne ParisFog. Cette zone comporte également des capteurs de température et d’humidité dans le sol, ainsi que des capteurs de mesure de flux de rayonnement. On dispose également d’un RADAR UHF, d’un radar Doppler 95 Ghz, et d’un SODAR, pour des mesures de vitesse du vent et de turbulence en altitude. Enfin, on dispose aussi d’un télémètre pour observer le plafond nuageux et d’un diffusomètre pour la mesure de la visibilité. Pour le volet microphysique, c’est sur cette zone que sont déployées les mesures de granulométrie et que sont réalisées les mesures des propriétés optiques des aérosols à l’aide d’un aethalomètre et d’un néphélomètre. La zone 2 située sur le toit du bâtiment du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD). Ici on dispose de pyrhéliomètres, pyranométres et pyrgéomètres pour les mesures de flux solaires et infrarouges descendants. Il y a également un GPS qui permet d’obtenir le contenu intégré en vapeur d’eau. Enfin, s’ajoute à ce dispositif un LIDAR rétrodiffusion, un photomètre, un radio-mètre infrarouge et 2 radio-mètres micro-ondes qui servent à obtenir des propriétés optiques des aérosols et des couches nuageuses, ainsi que les contenus intégrés en vapeur d’eau et eau liquide. En zone 3, qui se situe à l’est du campus, se trouvent 1 mât de 30 m, avec des capteurs de température et d’humidité et des anémomètres ultrasoniques, ainsi qu’un SODAR disponible durant une courte période pendant ParisFog, et un diffusomètre disponible à partir de mi-février 2007.

Description des données

Le tableau résumant les instruments déployés, le mode de fonctionnement et les processus documentés est disponible sur le site web : http ://sirta.ipsl.polytechnique.fr/parisfog/. Deux mâts de 30 m sont installés sur la zone 1 et la zone 3 qui permettent de documenter les profils météorologiques de la couche limite de surface : les profils thermodynamique et dynamique. De plus, la turbulence est mesurée par des anémomètres soniques à 10 m et 30 m sur les mâts en différentes de zones. Les flux radiatifs solaire et infrarouge sont mesurés à 2 m et 30 m en zone 1 et zone 2, ce qui permet d’étudier l’influence des hétérogénéités de surface à petite échelle sur le cycle de vie du brouillard. Les profils météorologiques sont complétés par les radiosondages de Trappes (78, [48 :46N 02 :01E]) pour la partie plus haute de l’atmosphère. De plus, des radiosondages sont réalisés pendant les périodes d’observation intensive sur le site toutes les trois heures de manière à suivre l’évolution de la couche limite. Dans le sol, des capteurs jusqu’à 50 cm de profondeur mesurent la température et le contenu en eau du sol. Ces données sont complétées par une station « rapport de BOWEN » qui permet d’estimer les flux de chaleur sensible et latente au niveau de l’interface sol-atmosphère. Des techniques de télédétection sont utilisées pour documenter les propriétés macrophysiques du brouillard (Télémètre CT25K, Sodar, Radar) et les propriétés des nuages au-dessus du brouillard (Radar Doppler 95 GHz, Détection de nuages semi-transparents par SEVIRI/MSG). Au niveau de la microphysique, notamment pour le spectre des particules, nous avons documenté trois classes de tailles.

La granulométrie et le nombre de particules d’aérosols ont été obtenus à partir d’un compteur SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) composé d’un granulomètre type DMA (Differential Mobility Aerosol) connecté à un compteur des gouttes CPC (Condensation Particle Counter) pour des particules de tailles comprises entre 10.6 et 496 nm et à partir d’un compteur de particules optiques (OPC, model GRIMM 1.109) pour des particules de tailles comprises entre 0.25 et 32 µm. Les granulométries ont été mesurées par un granulomètre WELAS de PALAS. 65 classes de particules ont été définies selon leur taille entre 0.4 et 41 µm. La concentration totale en nombre de gouttelettes (cm−1 ) est déterminée par la somme du nombre de gouttes dans toutes les classes. De plus, les caractéristiques physico-chimiques des aérosols ont été obtenues par des prélèvements de particules sur filtres (la composition chimique, masse totale et fraction massique). Durant toute la durée de la campagnes, deux modes de fonctionnement ont été mis en oeuvre : un mode routinier, où nous disposions uniquement des mesures d’instruments automatiques, comme les mâts de mesures ou les stations météo de surface, et des Périodes d’Observations Intensives (POI), où l’on déployait spécifiquement des radiosondages sur le site, le ballon captif et les mesures de granulomètrie. Corrections sur la température du radiosondage à 00 T U du 19 février 2007 réalisé sur le site du SIRTA Sur ce radiosondage, un écart de la température est observée par rapport au mesures du mât en zone 1 (d’environ 1.6 ◦C, voir la figure 2.3). Pour pallier à ce problème nous avions deux possibilités : soit ignorer le radiosondage, soit établir une correction, cette deuxième solution a été retenue. De ce fait, on fait une 48 Ch.2 – La campagne ParisFog Fig. 2.3 : Corrections sur la température du radiosondage à 00 T U du 19 février 2007 réalisé sur le site du SIRTA correction en déplaçant la température du radiosondage pour les 11 premiers niveaux, soit sur une épaisseur de 110 m, vers les températures mesures par le mât (de 1 m à 30 m).

Situations des brouillards observés

En s’inspirant des travaux de Tardif and Rasmussen (2007), divers types de brouillard ont été observés : – brouillard de rayonnement, – brouillard par affaissement de stratus (présence d’un plafond nuageux bas avec descente de la base du nuage jusqu’en surface), – brouillard d’advection, – brouillard de précipitation (évaporation de gouttes chaudes de pluie dans l’air plus froid d’une inversion), – brouillard d’évaporation. – Dans le cas où un processus est impossible à déterminer, on le classifiera comme « autre ».

L’identification et la classification des situations de brouillard basées sur les travaux de Tardif and Rasmussen (2007) (Tab. 2.3) est illustrée par la figure 2.4. La situation de brouillard est définie par deux critères : la visibilité horizontale inférieure à 1000 m et la durée de la présence d’un épisode de brouillard supérieure à 30 minutes. Pour le quasi-brouillard, la visibilité horizontale se situe entre 1000 m et 1500 m avec une durée d’au moins 30 minutes. Un total de 36 situations de brouillard ont été observées pendant la campagne ParisFog dont environ 42 % des cas sont des affaissements de stratus et plus de 38 % des bouillards de rayonnement (RAD). Dans ces 38% de RAD, 11 situations de brouillard avec T > 0 ◦C et 3 situations avec T < 0 ◦C ont été observés. La période la plus favorable à la formation de brouillard se situe fin d’octobre et début novembre 2006. En fait, la 2.3 Les Périodes d’Observations Intensives 49 région Ile-de-France est soumise à des conditions anticycloniques durant cette période, situations favorables à la formation du brouillard. Au sein d’un anticyclone, la masse d’air présente souvent une ou plusieurs couches stables (souvent des résidus d’anciens fronts). La compression adiabatique qui accompagne la subsidence 2 peut alors transformer une telle couche en une inversion de subsidence. Cette couche d’inversion est très nette. Les nuages se limitent à la couche située sous cette couche d’inversion où tout transport de vapeur d’eau vers le haut est empêché. Il en résulte une accumulation de vapeur d’eau dans les couches atmosphériques sous inversion. Sous ces conditions, le brouillard peut se former facilement lorsque le sol est relativement froid (nuit, saison d’hiver).

On remarque alors que la formation du brouillard est sensible aux échanges d’humidité et de température avec le sol. Á partir du mois de novembre, on trouve une alternance de situations entre stratus bas et brouillard. La période du mois décembre 2006, notamment la dernière décade du mois, présente 7 situations consécutives de transition entre brouillard et nuages bas. Cette période montre une forte variabilité sur la formation des nuages bas. Par exemple, durant les journées des 23, 24 et 25 décembre 2006 (Fig. 2.5), la formation de stratus a lieu vers 10 T U le 23 décembre, la visibilité diminue progressivement à partir de 20 T U et le brouillard se forme vers 04 T U. Cette évolution peut être considérée comme un affaissement du stratus du jour précédent. La durée de la présence du brouillard est seulement de 84 minutes, celui ci évoluant par la suite en stratus. L’évolution du stratus se poursuit, il se disloque puis se transforme en brouillard. Une question se pose : quel est le processus pilotant le cycle de vie de ces nuages bas, la transition en brouillard ? L’utilisation conjointe de la base de données de ParisFog et d’outils numériques pourraient aider à répondre ces questions et mieux appréhender les interactions sol-atmosphère et l’alternance clair/nuages qui impactent directement les phases de formation et de dissipation du brouillard.