ANALYSE DES PHENOMENES DE GRELES SUR ANTSIRABE

Autour de la troposphère

             La masse totale de l’atmosphère est estimée à 5,29 1018kg, masse négligeable comparée à celle des mers (1,35 1021kg) ou de l’ensemble du globe (5,98 1024kg). Les gaz et la vapeur d’eau en sont les constituants transparents. Les particules d’eau et de glace forment les nuages, le brou

Le nuage

Définition Par définition, le nuage est un hydrométéore formé de minuscules particules d’eau liquide ou solide ou les deux à la fois en suspension dans l’atmosphère. Cet ensemble peut comporter des particules d’eau liquide ou de glace de plus grande dimension, des particules liquides non aqueuses, des particules solides provenant des vapeurs industrielles, des poussières, des fumées, etc. Les nuages constituent le principal phénomène visible de l’atmosphère. Ils matérialisent l’issue de différentes étapes du cycle de l’eau, qui comprennent l’évaporation à la surface de la terre, le transport de cette humidité dans les niveaux élevés de l’atmosphère, la condensation de cette vapeur d’eau en masses nuageuses et le retour de l’eau à la surface de la terre sous forme de précipitations de pluie, de neige ou de grêle. L’aspect nuageux du ciel a une influence considérable sur les activités humaines. La chute de pluie, qui est vitale pour la culture, commence par la formation de nuages.
Processus de formation [02] L’eau est le seul composé qui peut se trouver dans les trois états de la matière (solide, liquide, ou gazeux) aux températures ordinaires. À l’état solide, ou glace, elle constitue les glaciers et les calottes glaciaires. Elle se présente à l’état liquide dans les nuages de pluie, formés de gouttelettes d’eau, et sur les végétaux, sous forme de rosée. Dans l’atmosphère, il y a plusieurs processus chimiques ou physiques qui se produisent pour la formation de plusieurs phénomènes atmosphériques. Ci après une figure qui les résume : Pour qu’il y ait formation de nuages, il faut de la vapeur d’eau, des noyaux de condensation et un soulèvement de masse d’air. Par conséquent, la formation d’un nuage a lieu lors d’un processus de refroidissement de l’air humide.
a-La vapeur d’eau : Il s’agit de fines gouttelettes d’eau en suspension dans l’air, générées par évaporation de l’eau, formant environ 0 à 4% du volume de nuages. La vapeur d’eau n’existe pratiquement plus au-dessus de la troposphère, les ¾ de sa teneur sont réparties au-dessous de 4km d’altitude. Son rôle est considérable ; d’une part, elle est à l’origine de tous les hydrométéores et d’autre part elle détermine les aspects essentiels de temps. Elle absorbe les radiations de grandes longueurs d’onde, émises par le soleil et la terre. Elle évite aussi la déperdition de chaleur dans l’espace. Si la vapeur d’eau n’existe pas dans la troposphère, le rayonnement nocturne Infrarouge (I.R) abaisserait la température jusqu’à « -60°C ».
b-Les noyaux de condensation : Ce sont des particules chimiques qui conditionnent la formation du nuage. Comme noyau de condensation, on citera les poussières minérales (boue, les fumées rejetées par les entreprises industrielles, les aérosols, etc.…) dont la capacité diffuse une lumière de faible longueur d’onde, affectant la couleur du ciel. Les noyaux de condensation sont généralement beaucoup plus nombreux au- dessus des mers, des villes et leur nombre varie aussi avec la force du vent.
c-Les soulèvements : La plupart des nuages atmosphériques sont associés à des courants d’air ascendants (mouvements verticaux). On trouve trois principaux types de soulèvements.
Ž le soulèvement orographique lié à la présence de relief.
Ž le soulèvement frontal tel que lorsque deux masses d’air de températures différentes sont en présence, la masse d’air plus chaude tend à s’élever audessus de l’air froid.
Ž le soulèvement convectif lié à la température de masses d’air.
Lors d’un réchauffement diurne, l’air qui est au voisinage du sol peut devenir plus chaud et plus léger que l’air des couches supérieures. Une parcelle d’air soulevée dans l’atmosphère voit sa pression diminuer. Elle se détend d’une façon plus ou moins adiabatique, sa température diminue et son humidité augmente. Si le refroidissement est suffisant et l’humidité atteigne 100%, une partie de la vapeur d’eau contenue dans la parcelle d’air se dépose sur les aérosols et forme des minuscules gouttes d’eau qui constituent le nuage. En météorologie, la formation des nuages par le refroidissement de l’air résulte de la condensation de vapeur d’eau invisible qui produit des gouttelettes ou des particules de glace de nuages visibles. D’un diamètre variant approximativement de 5 à 75 micromètres (µm), les particules sont si petites que les mouvements verticaux légers les maintiennent en suspension dans l’air. Les différentes formations nuageuses résultent en partie de la température à laquelle la condensation s’effectue. Quand la condensation se produit à des températures inférieures au gel, les nuages sont habituellement composés de cristaux de glace. Ceux qui se forment dans un air plus chaud sont constitués de gouttelettes d’eau. Occasionnellement, cependant, des nuages glacés contiennent des gouttelettes d’eau à des températures situées en deçà du point de congélation.

Caractéristiques et classification [01]

♣ Les caractéristiques des nuages dépendent essentiellement:
Ž de la température de l’air en altitude
Ž de la température au niveau de la formation
Ž du contenu en aérosols de l’air nuageux
Dans une atmosphère stable, les nuages sont peu développés verticalement et ils ont tendance à s’étaler sous forme de voile. La vitesse ascendante dans l’air nuageux est alors assez faible, de l’ordre de quelques centimètres par seconde (cm/s). Par contre, dans une atmosphère instable, les nuages prennent rapidement une forte extension verticale avec des vitesses ascendantes de l’ordre de quelques mètres par seconde jusqu’à des dizaines de mètres par seconde. Le contenu en aérosols conditionne le nombre et la grosseur des gouttelettes d’eau et des particules de glace dans le nuage. C’est donc une condition importante dans l’aptitude des nuages à précipiter.
♣ Selon les hauteurs des bases des nuages, on distingue les nuages de l’étage supérieur, les nuages de l’étage moyen, les nuages de l’étage inférieur et les nuages à grand développement vertical, qui peuvent s’étendre à tous les niveaux. Les genres les plus importants sont présentés sur la figure ci-après.

Méthode numérique de prévision [05]

                Actuellement, suite à l’évolution scientifique et à la haute technologie, il est préférable de combiner les méthodes empiriques avec les méthodes numériques. Ces méthodes numériques consistent à appliquer les équations de la mécanique des fluides et de la thermodynamique. Avant, les météorologues ne prenaient pas en compte l’accélération verticale, mais ils utilisent des modèles bidimensionnels, mais en utilisant ces méthodes numériques, on valorise le plus cette accélération car c’est très important pour la formation orageuse et les précipitations. Ce modèle est basé sur un système de six équations d’évolution pour prévoir six paramètres. Ce sont :
– les trois composantes du vent, la température, la pression et
– une variable définissant le taux d’humidité.
En général, on utilise les équations de Navier Stockes [06] pour le champ du  vent, celle de la thermodynamique pour le champ de la température et enfin l’équation de la continuité pour le champ de pression et la quantité de vapeur d’eau. Ces équations contiennent des termes permettant de prendre en compte les effets de Coriolis.

Les étapes à suivre lors du programme

¾ Interpolation des données topographiques de la grille mère, à la grille fine.
¾ Les valeurs sont remplacées par celles du domaine parent, pour les lignes et colonnes 1 à 4, le long de la frontière du domaine, (cas de l’emboîtement « one-way »).
¾ Pour les lignes et colonnes 5 à 7 (toujours dans le cas de l’emboîtement « one way »), on mélange les valeurs de la grille fine avec celles de la grille mère.
Pour initialiser la grille fine dans le module « TERRAIN », il faut mentionner les coordonnées du point en bas, à gauche de la grille fine par rapport à la grille grossière, puis la résolution et le nombre de mailles en X et Y. Nous devons alors fixer les paramètres suivants pour chaque domaine de calcul.
™ MAXNES : Nombre de domaines de calcul
™ NESTIX : Dimension de la grille en Y
™ NESTJY : Dimension de la grille en X
™ NESTI : Coordonnée en Y du point inférieur gauche du domaine par rapport à la grille mère
™ NESTJ : Coordonnée en X du point inférieur gauche du domaine par rapport à la grille mère
™ NSTTYP : Choix de l’emboîtement, c’est à dire emboîtement «one-way » ou « two-way »

Explication des Vents Horizontaux [15] & [16]

                      La convection, expliquée juste au dessus, peut aussi être déclenchée par le passage d’air froid et humide sur une surface plus chaude ou par ascendance orographique. Lors de la formation nuageuse orographique, la forme du relief joue un rôle prépondérant : l’air se heurte à un flanc de montagne, est obligé de monter et de se refroidir selon une adiabatique sèche jusqu’à ce que le point de rosée soit atteint. C’est l’altitude du niveau de condensation adiabatique. A partir de ce niveau, l’air va monter selon une adiabatique saturée en formant des nuages. Pour ce type de couche nuageuse qui est généré par une zone montagneuse, on parle de nuages orographiques. Les phénomènes physiques sont le mêmes que pour la formation nuageuse thermique. Le nuage typique est ici le stratus qui se présente sous forme de bancs. A part la température, les figures 3-e jusqu’à la figure 3-k, dans la page 48 jusqu’à 54, nous présentent aussi des vents au sol. D’après ces figures, aux alentours d’Antsirabe, ces vents sont très perturbés. Ces vents perturbés, qui sont dû à la présence des accidents des reliefs (présence des montagnes), nous montre qu’à partir de 09h TU, et même jusqu’à 12h TU, il y a des phénomènes orographiques à Antsirabe. Dans ce cas, on peut aussi envisager la formation de grêles à cause des accidents de relief. Ces accidents de reliefs provoquent les modifications de l’écoulement de l’air. Or, d’après les figures dans la page 50 jusqu’à la page 57, nous avons de l’air instable (fort gradient vertical de température), alors il n’éprouve aucune difficulté à franchir les montagnes et il se produit des mouvements verticaux puissants sur les versants opposés. Ce système de mouvements verticaux, tend à renforcer les nuages sur les versants au vent. La formation des nuages est très importante car l’écoulement de l’air est rapide. Pendant le jour, les flancs insolés et échauffés sont propices aux ascendances thermiques, éventuellement génératrices des nuages. Cet effet est sensible pendant les situations météorologiques à tendance orageuse ou grêleuse, où les nuages grêleux se développent fortement à la montagne,tandis qu’ils peuvent faire défaut en plaine.

Explication des Vents Verticaux

                     Cette figure nous montre qu’au sol, le vent est calme (vitesse est sensiblement égale à 0 cm/s). Mais de plus il monte, de plus sa vitesse augmente, jusqu’à l’altitude 600 hPa. Entre 600 hPa et 550 hPa, cette vitesse est constante, et est égale à 9.80 cm s-1. A partir de 550 hPa, les mouvements verticaux du vent diminuent rapidement, car partir de 9.80 cm/s au niveau 550 hPa, sa vitesse devient -1.5 cm/s vers 450 hPa. Cette vitesse augmente de nouveau, jusqu’à 325 hPa, puis reste presque constante à ce niveau là, avec une valeur de 6 cm/s. Entre 225 hPa et 200 hPa, cette vitesse augmente jusqu’à 9.25 cm/s, puis elle diminue après. Cette figure nous montre donc qu’entre le sol et le niveau 600 Hpa, les vents verticaux ne cessent d’augmenter, jusqu’à une vitesse de 9.80 cm/s. Or le mouvement de l’air est associé à la formation et au développement du nuage. La zone du mouvement ascendant est responsable de la formation des nuages, et le mouvement descendant assure la formation du sommet du nuage ou bien l’enclume, sommet caractéristique des nuages « cumulonimbus ». En général, les nuages qui se forment dans un air calme, sont semblables à des feuilles ou des formations stratifiées, tandis que ceux qui apparaissent par vent fort, ou dans de l’air ayant de forts courants verticaux ont un aspect imposant. Tout d’abord, il est à noter qu’un orage (porteur de grêle) présente trois stades de développement ; tels que le stade de cumulus, de la maturité, puis stade de la dissipation. A chaque stade, les mouvements verticaux ont toujours des effets. Le stade de cumulus, est caractérisé par un mouvement ascendant dans tout le nuage. C’est le stade initial de la formation des nuages, alors que de l’air chaud et humide s’élève et que de la vapeur d’eau se condense en formant un nuage. Dans notre cas, ce stade de cumulus s’arrête jusqu’à un niveau à peu près 600 hPa. A partir de ce niveau, le stade de maturité commence. Le nuage atteint son développement vertical maximal, les précipitations commencent à tomber, donnant naissance à un courant d’air descendant, c’est là où les tonnerres et les éclairs se manifestent. Dans le dernier stade, c’est-à-dire stade de dissipation, ce nuage formé, s’affaisse et disparaît en s’évaporant car on observe déjà des précipitations induites par un courant d’air descendant dans tout le nuage. Toutes ces explications donc renforcent toujours la présence des Cumulonimbus (Cb) vers 12h TU, puis déclenchent le grêle qui débute à peu près vers 12h TU à Antsirabe.

Table des matières

MOTS CLES
LISTE DES ABREVIATIONS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX ET GLOSSAIRE
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE GENERALITES SUR L’ATMOSPHERE ET SUR LA GRELE
I.1 – DESCRIPTION DE L’ATMOSPHERE 
I.1.1- Organisation
I.1.2- Composition et propriétés
I.2 – LES ELEMENTS ATMOSPHERIQUES
I.2.1- Le nuage
I.2.1.1-Définition
I.2.1.2-Processus de formation
I.2.1.3-Caractéristiques et classification
I.2.2- Les précipitations
I.2.2.1 -La pluie
I.2.2. 2-La Grêle
DEUXIEME PARTIE THEORIES GENERALES DU MODELE NUMERIQUE MM5
II.1 – PRESENTATION DU MODELE ET OUTILS MATHEMATIQUES 
II.1.1- Méthode numérique et Présentation du modèle MM5
II.1.1.1-Méthode numérique de prévision
II.1.1.2-Présentation du modèle numérique MM5
II.1.2- Les outils mathématiques
II.1.2.1-Equations de prévision
II.1.2.2-Différenciations Temporelle et Spatiale
II.1.2.3-Conditions aux limites
II.2 – MISE EN ŒUVRE DU MODELE NUMERIQUE MM5 
II.2.1- Organigramme du modèle
II.2.2- Relation entre chaque module
II.2.3- Les quatre principaux modules de MM5
II.2.3.1-Terrain
II.2.3.2-Regrid
II.2.3.3-Interpf
II.2.3.4-MM5
II.2.4- Organigramme MM5
II.2.5.1-Emboîtement pour les données topographiques
II.2.5.2-Initialisation de l’emboîtement
II.2.5.3-Nestdown
TROISIEME PARTIE APPLICATION DU MODELE NUMERIQUE MM5 ET RESULTATS
III.1- ASSIMILATION 
III.1.1- Utilité de l’assimilation
III.1.1.1-Initialisation dynamique
III.1.1.2-Analyse dynamique
III.1.2- Différentes méthodes
III.1.2.1-Nudging à partir d’analyse
III.1.2.2-Nudging à partir d’observation
III.1.3- Activation de l’assimilation
III.2- MISE EN PLACE DU MODELE
III.2.1- Configuration du modèle
III.2.2- Présentation des domaines
III.2.3- Les données d’entrées
III.2.3.1-Données d’entrées fixes
III.2.3.2-Données d’entrées variables
III.2.4- Etapes de formatage de ces données
III.3- RESULTATS ET INTERPRETATIONS 
III.3.1- Résultats obtenus
III.3.1.1-Température de l’air au sol, Hauteur géopotentielle
III.3.1.2-Emagramme
III.3.1.3-Nuages
III.3.1.4-Vents Verticaux
III.3.2- Explications des résultats
III.3.2.1-Explication de la Température de l’air
III.3.2.2-Explication des Vents Horizontaux
III.3.2.3-Explication de l’Emagramme
III.3.2.4-Explication de la Température au sommet du nuage
III.3.2.5-Explication des Vents Verticaux
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE
BIBLIOGRAPHIE

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