Une nouvelle méthode de détection et de suivi des systèmes convectifs de méso-échelle

Introduction aux systèmes convectifs de méso-échelle

On distingue deux types de convection : la convection locale et la convection organisée. La convection locale prend la forme d’orages cellulaires. La convection organisée correspond aux systèmes convectifs de méso-échelle qui se forment lorsque ces cellules orageuses, en réponse à une instabilité convective, s’agrègent et s’organisent en un système nuageux de taille beaucoup plus importante présentant ainsi une surface pluvieuse importante. Ces systèmes produisent une large proportion de précipitations sur le globe et sont donc d’une importance majeure d’un point de vue climatologique. Le terme méso-échelle décrit les phénomènes qui se passent à une échelle plus petite que l’échelle synoptique, mais plus grande que celle des nuages individuels traités par la micro-échelle. Les systèmes convectifs de méso-échelle interviennent dans la partie haute de l’échelle meso-beta et à l’échelle meso-alpha (200 km < l < 2 000 km) (Orlanski [1975]). Plus généralement, et selon une définition établie par Houze [1993], un Système Convectif de Mésoéchelle (MCS) peut être défini comme étant un système nuageux apparaissant en association avec des orages produisant une zone continue de précipitations d’extension horizontale de l’ordre de 100 km ou plus dans au moins une direction (figure 2.1 et 2.3).

Les précipitations convectives sont représentées par la couleur rouge, les précipitations stratiformes correspondent à la couleur verte, alors que la couleur bleue indique le nuage haut non précipitant associé au système convectif. Ce schéma idéalisé montre que le cycle de vie des MCS peut être décomposé en trois phases :
– Une phase d’initiation au cours de laquelle les cellules convectives se développent. Ce déclenchement de la convection est un phénomène complexe dont les causes peuvent être variées. Il peut ainsi être expliqué par des instabilités dans l’atmosphère dues à des systèmes nuageux pré-existants, à la présence d’un mécanisme de soulèvement dans les basses couches, à des effets orographiques, à des contrastes de terrains forts (contraste terre-mer) etc… Ces cellules convectives qui grossissent finissent par s’agréger. Il en résulte une zone continue de précipitations intenses et l’établissement de circulations méso-échelle permettant aux MCS de durer plusieurs heures.
– Une phase de maturité est atteinte lorsqu’une large partie stratiforme se développe à partir d’anciennes cellules convectives donnant des précipitations stratiformes. Chaque cellule convective possède en effet son propre cycle de vie, s’affaiblissant et devenant ainsi une composante de la partie stratiforme du MCS. Aussi longtemps que des cellules convectives se développent, le MCS reste dans cette phase de maturité et est alors composé de cellules actives, de cellules en phase de dissipation et de précipitations stratiformes.
– Une phase de dissipation correspondant à la fin de vie d’un MCS. De moins en moins de cellules convectives se développent à l’intérieur du MCS, la région stratiforme, n’étant plus alimentée par les cellules se dissipant, s’estompe et le système convectif disparaît.

Cependant, ce schéma conceptuel, bien qu’indiquant les trois phases du cycle de vie des MCS, ne permet pas de quantifier la durée de ses différentes phases. Une connaissance de l’évolution du bouclier nuageux est d’une importance majeure pour l’étude du bilan radiatif. De même, une connaissance de l’évolution des précipitations convectives et startiformes associées aux systèmes convectifs permettrait d’améliorer notre compréhension du bilan de chaleur.

Si le cycle de vie des systèmes convectifs, la dynamique méso-échelle ainsi que l’évolution des fractions convectives/stratiformes sont relativement bien appréhendés et communs à l’ensemble des cas rencontrés, la définition d’un MCS par Houze reste cependant floue. De nombreuses études ont en effet mis en évidence différents types de systèmes convectifs de méso-échelle : les lignes de grains, les Complexes Convectifs de Méso-échelle (MCC), les Systèmes Convectifs Organisés (OCS), les systèmes convectifs en forme de V etc… Les différences entre ces différents types de systèmes résident en particulier dans la propagation, dans l’évolution de l’organisation ainsi que dans l’interaction des MCS avec leur environnement.

Les lignes de grains peuvent se retrouver aussi bien dans les latitudes moyennes (Houze et al. [1989]), que dans les tropiques (Zipser [1977]). Grâce aux campagnes de mesures dans les régions tropicales (GATE, TOGA/COARE), ces systèmes ont pu être largement étudiés. Une définition a été proposée par Zipser [1977] : « Nuages de type cumulonimbus, organisés en ligne, associés à un front froid en surface, se déplaçant plus vite que l’air environnant de basses couches et dans la direction du vent dans l’air froid juste à l’arrière du bord d’attaque de la ligne de grains ». La ligne de grains est constituée de deux parties : le front ou bord d’attaque correspondant à une zone de forte convection dans laquelle se forment de nouvelles cellules convectives. A l’arrière de ce bord se forme une zone de précipitations stratiformes de faible intensité, composée des cellules convectives se dissipant et pouvant s’étendre sur plusieurs centaines de kilomètres.

– Les complexes convectifs de méso-échelle (MCC)
Les complexes convectifs de méso-échelle ont été introduits par Maddox [1980] afin d’étudier les très gros MCS se produisant sur les grandes plaines des Etats-Unis. Maddox a ainsi défini une classe de MCS selon des critères de durée de vie, de taille et de forme de systèmes.

Selon la définition donnée par Maddox, les MCC font partie des systèmes convectifs de mésoéchelle possédant la taille la plus importante : une surface nuageuse supérieure à 100 000 km2 au seuil de température de 241K, et supérieure à 50 000 km2 au seuil de 221 K pendant 6 h au minimum. De plus, le MCC doit présenter une forme circulaire lorsque le système atteint sa taille maximale au cours de son cycle de vie. Il a été montré que les MCCs se forment en particulier en fin de journée, atteignent leur maximum de surface au cours de la nuit générant de fortes précipitations, et ne durent qu’une dizaine d’heures (Laing et Michael Fritsch [1997]).

– Les Systèmes Convectifs Organisés (SCO)
Plus régionalement, et dans un objectif de documenter les systèmes convectifs de méso-échelle sur l’Afrique de l’Ouest, Mathon et Laurent [2001] ont défini une nouvelle classe de systèmes convectifs : les Systèmes Convectifs Organisés (SCO). Ces systèmes correspondent aux systèmes convectifs les plus précipitants, caractérisés par un fort développement vertical et une vitesse de propagation importante de leur partie la plus active (plus de 10 m/s). La classe des SCO comprend l’essentiel des MCC et des lignes de grains. Ces systèmes convectifs expliquent 93% des précipitations de la région de l’Afrique Soudano-Sahélienne. Mathon et Laurent [2001] ont dénombré 237 SCO en moyenne par an sur la zone du Sahel central, expliquant 80% de la couverture nuageuse au seuil 233 K.

Table des matières

Introduction
1 Contexte et importance de l’étude du cycle de vie des systèmes convectifs de mousson
2 Une nouvelle méthode de détection et de suivi des systèmes convectifs de méso-échelle
2.1 Introduction aux systèmes convectifs de méso-échelle
2.2 Historique sur l’observation spatiale des phénomènes convectifs de méso-échelle
2.3 Etat de l’art sur les méthodes de suivi des systèmes convectifs de méso-échelle
2.3.1 La détection des systèmes convectifs de méso-échelle
2.3.1.1 Détection par seuillage en température de brillance
2.3.1.2 Détection par seuillage thermique adaptatif
2.3.1.3 Détection par l’utilisation des multi-canaux
2.3.2 Suivi des systèmes convectifs de méso-échelle
2.3.2.1 Suivi par la méthode de recouvrement
2.3.2.2 Suivi par utilisation des champs de déplacements apparents
2.3.2.3 Minimisation d’une fonctionnelle
2.3.2.4 Suivi par la méthode des modèles déformables
2.3.2.5 Conclusion
2.4 Introduction à l’algorithme de suivi des systèmes convectifs TOOCAN
2.4.1 Méthodologie de l’algorithme de détection et de suivi TOOCAN
2.4.1.1 Distribution des clusters dans l’imagerie infrarouge
2.4.1.2 Fonctionnement de la segmentation 3D de l’algorithme TOOCAN
2.4.1.3 Les paramètres des systèmes convectifs déterminés par l’algorithme TOOCAN
2.5 Conclusion
3 Evaluation des résultats issus du nouvel algorithme de suivi TOOCAN
3.1 Introduction
3.2 Sensibilité de l’algorithme aux pas de détections : cas d’étude
3.3 Analyse statistique des sorties de l’algorithme TOOCAN
3.4 Comparaison des sorties de la méthode TOOCAN avec l’algorithme de suivi basé
sur le « recouvrement »
3.4.1 Introduction
3.4.2 Comparaison basée sur des études de cas
3.4.2.1 Cas d’étude en Afrique de l’Ouest
3.4.2.2 Cas d’étude dans la région indienne
3.4.3 Comparaison statistique
3.5 Conclusion
4 Cycle de vie des systèmes convectifs de mousson dans les régions indiennes et ouest africaines
4.1 Introduction
4.2 Données et méthodologie
4.2.1 Détection et suivi des systèmes convectifs de mousson
4.2.2 Le cycle de vie des systèmes convectifs de mousson
4.2.2.1 Classification
4.2.2.2 Technique de normalisation
4.3 Résultats
4.4 Simplification du cycle de vie des MCS
4.4.1 Modèle linéaire d’accroissement/décroissance (LGD : Linear Growth/Decay)
4.4.2 Evaluation de la pertinence du modèle LGD
4.4.3 Cycle de vie des systèmes convectifs de mousson de la classe 2a
4.5 Discussion
4.6 Conclusion
Conclusion

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