Modélisation des contrails par Meso-NH

Sarrat C., R. Paugam, D. Cariolle, R. Paoli

CERFACS, Aviation & EnvironnementMeeting Meso-NH Utilisateurs

12 Octobre 2009

Qu’est-ce-qu’un contrail?Traînées de condensation à l’arrière des avions

dans certaines conditions :

• Conditions dynamiques :– Dans le sillage de l’avion, le jet issu des moteurs interagi

avec les vortex contra-rotatifs générés par les ailes de l’avion

– Humidité relative de l’atmosphère importante : sursaturation par rapport à la glace : humidité relative supérieure à 130%

• Conditions microphysiques :– Condensation sur les noyaux de condensation (présents

dans l’atmosphère ou issus des moteurs) de la vapeur d’eau émise par les moteurs de l’avion

1. REGIME DE JET et VORTEX

1. Régime de Jet

2. Régime de Vortex

4. Régime de Diffusion

t =0 s

t = 2 s

t = 100 s

t = 1000 s

47 m

~ qq heures

~ 1 km

3. Régime de Dissipation

3. REGIME DE DISSIPATION

2. REGIME DE VORTEX ou TOURBILLON

4. REGIME DE DIFFUSION

Contexte des études Contrails

extension horizontale : ~ 1 km

Objectifs• Simuler l'évolution d'un contrail persistant sur des

échéances de plusieurs heures :

– Estimer le temps de dissipation dans la troposphère libre, ainsi que l’étalement horizontal et vertical du nuage

– Estimer l'impact radiatif du nuage formé durant la phase de dissipation (impact contrail vs impact CO2)

– Mettre en place la chimie de l'ozone et de ses précurseurs pour estimer l'impact de l'aviation sur la chimie de la troposphère et des différents types de carburants (pouvoir oxydant, gaz à effet de serre plus efficaces en altitude…

-> vers la paramétrisations des impacts radiatifs et de GHG dans les modèles globaux

Contexte : Résultats de R. Paugam avec Meso-NH

Intégration : t = 0 320 s

Phase Vortex + Dissipation:Paugam et al., 2009, ACDP

Résolutions x, y, z 8 × 1 × 1 m

Dimensions du domaine x, y, z

400 x 600 x 1500

Pas de temps 25 ms

Isosurface : densité de glace (ρi = 2. 10-6 m-3)Isocontours : rayon des particules de glace

2 = -0.05

t = 100 s t = 120 s t = 140 st = 0 s

formation du second sillage effondrement de la

structure initiale de vortex

transition vers la turbulenceisosurface : 2 = -0.05

Résultats : Evolution du contrail sur 3H

Evolution entre 40 min et 4H environ du développement d'un contrail pour :

Résolutions x, y, z10 × 10 ×

10 m

Dimensions du domaine x, y, z

50 x 400 x 150

Pas de temps 0.1 s

Conditions aux limites CYCLIQUES

•2 domaines en nesting one way

•Modèle père forcé par un shear turbulent

•Pas d’advection, pas de rayonnement

Densité de particules Rayon moyen des particules

Résultats : Densité de glace

40 min 4 heures

Résultats : Conservation de la longueur optique

particules de densite

particules desmoyen rayon

p

mean

n

r

Conservation de longueur optique du à la croissance du rayon moyen des particules tandis que la densité diminue

pmeannrOptThick 2

Tcontrail = 40minTcontrail = 40min

SANS SEDIMENTATION AVEC SEDIMENTATION

Effets de la sédimentation sur le rayon moyen des particules

Tcontrail ≈ 3 HTcontrail ≈ 3 H

• Paramétrisation de la vitesse de chute selon Heymfield et al., 2000, à partir d'un rayon de particule critique

Impact radiatif du contrail

• Calculs radiatifs off-line avec SHDOM (L. Saunier)

Taux de chauffage dans le thermique

(LW)

Flux net dans le solaire

(SW)

Conclusions

• Le code développé par R. Paugam semble encore robuste sur des échéances longues, de plusieurs heures

• Ce code est phasé en Masdev4_8 afin qu'il bénéficie des dernières améliorations du modèle (nouveau schéma d'advection, portage sur machine massivement parallèle…)

• La turbulence atmosphérique contraint le cirrus à s'étaler : la densité de glace et la densité de particule diminue au cours du temps, tandis que leur rayon moyen augmente, ce qui conserve l'épaisseur optique modélisée est en accord avec les observations (Jensen et al., 1998)

• La sédimentation a un effet sur le rayon des particules, la forme du contrail persistant mais a peu d'impact sur l'épaisseur optique du nuage

• Manque des données expérimentales pour confronter le modèle aux observations et évaluer son degré de réalisme. Le projet ITAAC prévoit une campagne expérimentale qui permettra de mesurer les caractéristiques des contrails et ainsi valider ces résultats

Perspectives• Introduire un schéma chimique adapté en limitant le

nombre d'espèces et d'équations

• Forcer le modèle par un cisaillement de vent vertical pour estimer l’effet de l’advection sur la diffusion du nuage

• Introduire un couplage avec le rayonnement en ligne : soit coupler le modèle de rayonnement SHDOM à l’aide d'un coupleur comme PALM, soit voir avec les équipes du CNRM GMEI…

Perspectives

• Initialiser Meso-NH avec les sorties d’un modèle de dynamique des fluides à petite échelle (NTMIX, collab. L. Nybelen) des champs chimiques et dynamiques pour démarrer après la phase vortex

• Envisager de nouvelles initialisation de la turbulence de la troposphère libre et de nouvelles conditions aux limites pour prendre en compte les effets d’advection sur le nuage

Contexte : Résultats de R. Paugam avec Meso-NH :

Phase de DissipationEvolution des particules de glace :

• à t < 30 min : la phase de vortex est responsable de l’étalement

vertical du contrail

• la turbulence aide à l’homogénéisation du sillage

Effets de la sédimentation sur la densité de glace

Tcontrail = 40min Tcontrail = 40min

Tcontrail ≈ 3 H Tcontrail ≈ 3 H

SANS SEDIMENTATION AVEC SEDIMENTATION

Effets de la sédimentation sur la densité des particules

Tcontrail = 40min Tcontrail = 40min

Tcontrail ≈ 3 H Tcontrail ≈ 3 H

SANS SEDIMENTATION AVEC SEDIMENTATION

Effets de la sédimentation sur la sursaturation

Tcontrail = 40min Tcontrail = 40min

Tcontrail ≈ 3 H Tcontrail ≈ 3 H

SANS SEDIMENTATION AVEC SEDIMENTATION

Effets de la sedimentation

Peu de différences sur la conservation de l'épaisseur optique avec et sans sédimentation