Meeting Meso-NH Utilisateurs 12 Octobre 2009

1. Modélisation des contrails par Meso-NHSarrat C., R. Paugam, D. Cariolle, R. PaoliCERFACS, Aviation & Environnement Meeting Meso-NH Utilisateurs 12 Octobre 2009

2. 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

3. t =0 s t = 2 s 47 m t = 100 s 1. Régime de Jet 3. REGIME DE DISSIPATION t = 1000 s 2. Régime de Vortex 3. Régime de Dissipation ~ qq heures 4. REGIME DE DIFFUSION 4. Régime de Diffusion ~ 1 km 2. REGIME DE VORTEX ou TOURBILLON Contexte des études Contrails 1. REGIME DE JET et VORTEX extension horizontale : ~ 1 km

4. 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

5. Contexte : Résultats de R. Paugam avec Meso-NH t = 0 s t = 100 s t = 120 s t = 140 s Phase Vortex + Dissipation: Paugam et al., 2009, ACDP Intégration : t = 0  320 s Isosurface : densité de glace (ρi = 2. 10-6 m-3) Isocontours : rayon des particules de glace formation du second sillage 2 = -0.05 effondrement de la structure initiale de vortex transition vers la turbulence isosurface : 2 = -0.05 isosurface : 2 = -0.05

6. Résultats : Evolution du contrail sur 3H • 2 domaines en nesting one way • Modèle père forcé par un shear turbulent • Pas d’advection, pas de rayonnement Evolution entre 40 min et 4H environ du développement d'un contrail pour : Rayon moyen des particules Densité de particules

7. Résultats : Densité de glace 40 min 4 heures

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

9. Effets de la sédimentation sur le rayon moyen des particules Tcontrail = 40min Tcontrail = 40min Tcontrail ≈ 3 H Tcontrail ≈ 3 H • Paramétrisation de la vitesse de chute selon Heymfield et al., 2000, à partir d'un rayon de particule critique

10. Impact radiatif du contrail (LW) Taux de chauffage dans le thermique • Calculs radiatifs off-line avec SHDOM (L. Saunier) (SW) Flux net dans le solaire

11. 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

12. 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…

13. 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

14. Contexte : Résultats de R. Paugam avec Meso-NH : Phase de Dissipation • Evolution 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

15. Effets de la sédimentation sur la densité de glace Tcontrail = 40min Tcontrail = 40min Tcontrail ≈ 3 H Tcontrail ≈ 3 H

16. Effets de la sédimentation sur la densité des particules Tcontrail = 40min Tcontrail = 40min Tcontrail ≈ 3 H Tcontrail ≈ 3 H

17. Effets de la sédimentation sur la sursaturation Tcontrail = 40min Tcontrail = 40min Tcontrail ≈ 3 H Tcontrail ≈ 3 H

18. Effets de la sedimentation Peu de différences sur la conservation de l'épaisseur optique avec et sans sédimentation