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ICE-GENESIS : analyse des mesures aux Éplatures (Partie 3/3)

28 avril 2021

Dans le cadre du projet ICE-GENESIS, financé par le programme de recherche et d’innovation de l’Union Européenne Horizon 2020 dans le cadre de la convention N°824310, une campagne de mesures aéroportées et depuis le sol a eu lieu à l’aéroport des Éplatures de La Chaux-de-Fonds durant la deuxième quinzaine de janvier, afin d’étudier les précipitations sous forme de neige. Dans ce troisième et dernier blog de la série, nous allons découvrir les mesures des chutes de neige du 27 janvier 2021.

Rappel des épisodes précédents

Lors de l’épisode 1 de cette série de blog, nous avons vu les objectifs de la campagne ICE-GENESIS et la collaboration qui a été établie avec Météo-France. En résumé, l’objectif du projet ICE GENESIS est de mieux simuler les phénomènes de givrage sur les aéronefs. Dans le cadre de ce projet, une campagne de mesures pour étudier la neige grâce à des mesures aéroportées et depuis le sol a été organisée à la Chaux-de-Fonds, où différents instruments ont été installés au sol, notamment des radars météorologiques. MétéoSuisse, en collaboration avec Météo-France, a fourni des prévisions pour la planification des vols scientifiques, afin d’identifier les périodes et altitudes de mesures propices pour l’avion.

Lors de l’épisode 2, nous avons analysé la situation synoptique et les prévisions effectuées pour le vol du 27 janvier. Dans ce dernier épisode, nous décryptons certaines des mesures prises pendant l'événement neigeux du 27 janvier afin d’illustrer l’utilité de ces données pour l’étude des précipitations neigeuses.

Instruments utilisés pour cette analyse

Parmi l’ensemble des instruments utilisés lors de la campagne, nous présenterons ici les données récoltées par le radar nuages et le Multi-Angle Snowflake Camera (MASC) du Laboratoire de Télédétection Environnementale de l’EPFL (LTE). Le radar en question (voir Fig. 1a) est un profileur, c'est-à-dire qu’il ne mesure que verticalement et n’a pas de partie mobile pour scanner l’atmosphère comme les radars à précipitations de MétéoSuisse par exemple. Comme tous les radars, il émet un champ électro-magnétique et mesure la puissance rétrodiffusée par les précipitations. À partir de cette puissance reçue, on calcule la réflectivité via l’équation radar. La réflectivité dépend principalement de la taille des hydrométéores (gouttes de pluie ou flocons de neige) et dans une moindre mesure de leur concentration. Une réflectivité élevée est donc synonyme de précipitations intenses. Il existe d’ailleurs des relations entre réflectivité et intensité des précipitations qui permettent d’afficher nos données radar en mm/h. Pour en revenir au radar de la Figure 1a, il s’agit également d’un radar Doppler, ce qui signifie qu’il mesure la vitesse Doppler des hydrométéores. La vitesse Doppler correspond à la vitesse relative de déplacement des hydrométéores par rapport au radar. Dans le cas d’un profileur vertical, cette vitesse correspond à leur vitesse verticale.

Affichage aggrandi: Figure 1: exemple d’instruments installés aux Éplatures. (a) radar nuages et (b) Multi-Angle Snowflake Camera (MASC) .
Figure 1: exemple d’instruments installés aux Éplatures. (a) radar nuages et (b) Multi-Angle Snowflake Camera (MASC) .

Analyse des données

La Figure 2 montre la réflectivité et la vitesse Doppler mesurées par le radar nuage du 27 au 28 janvier 2021. Les vitesses négatives (en bleu) correspondent à un déplacement relatif vers le radar, en d’autres termes les hydrométéores tombent. Les vitesses positives (en rouge) représentent des zones d’ascendances dans les nuages. On observe notamment une ascendance à 2000 m vers 07:00 UTC le 27 janvier sur une épaisseur d’environ 300 m. Après 22:00 UTC le 27 janvier, on voit une zone bleu foncée partant du sol jusqu’à environ 1700 m d’altitude. Cette rapide transition de vitesse Doppler faible à forte (d’environ 1 m/s à plus de 3 m/s en valeur absolue) correspond à la fonte des flocons de neige pour former des gouttes de pluie. En effet, les gouttes de pluie tombent presque 10 fois plus rapidement que les flocons de neige et c’est pour ça qu’à l’altitude à laquelle les flocons fondent, on observe un rapide changement en vitesse Doppler. Les radars Doppler sont donc de très bon outils pour mesurer l’altitude de la limite pluie-neige.

Affichage aggrandi: Figure 2: (a) Réfléctivité (Ze) et (b) vitesse Doppler (VDopp) mesurées par le radar nuages du 27 au 28 janvier 2021. Les zones en gris entre 02:20 et 02:50 UTC et entre 16:15 et 19:20 UTC le 27 janvier correspondent à un dysfonctionnement du radar.
Figure 2: (a) Réfléctivité (Ze) et (b) vitesse Doppler (VDopp) mesurées par le radar nuages du 27 au 28 janvier 2021. Les zones en gris entre 02:20 et 02:50 UTC et entre 16:15 et 19:20 UTC le 27 janvier correspondent à un dysfonctionnement du radar.

Dans notre cas, il a neigé aux Éplatures jusqu’à environ 22:15 UTC puis la limite pluie-neige est passée du sol à 1700 m en quelques minutes suite au passage du front chaud. On voit d’ailleurs sur la Figure 3 ci-dessous que la prévision faite par COSMO-1E (voir blog précédent) a assez bien prévu cette transition de la neige à la pluie, bien que le modèle l’ait prévue une heure trop tôt. On observe également que les précipitations plus intenses le 28 entre 08:00 et 13:00 UTC, le régime d’averses le 28 entre 15:00 et 23:00 UTC ainsi que la fin des précipitations ont été assez bien prévues. Ces prévisions ont notamment été très utiles pour décider de l’horaire du vol qui a eu lieu entre environ 14:00 et 17:00 UTC le 27 janvier pendant la phase la plus intense des chutes de neige et avant l’arrivée de la pluie, ce qui va permettre de belles comparaisons entre les mesures de neige prises depuis le sol et celles de l’avion.

On peut donc en conclure que les prévisions ont permis de prendre les bonnes décisions par rapport à l’horaire du vol.

Affichage aggrandi: Figure 3: Prévision de précipitation de COSMO-1E du run du 27 janvier 2021 à 03:00 UTC pour les Éplatures. La neige est représentée en rouge, la pluie en bleu. Les heures sont en UTC.
Figure 3: Prévision de précipitation de COSMO-1E du run du 27 janvier 2021 à 03:00 UTC pour les Éplatures. La neige est représentée en rouge, la pluie en bleu. Les heures sont en UTC.
Source : COSMO-1E @MétéoSuisse

La Figure 4 montre des photos prises par le MASC. Cet instrument (Fig. 1b) prend automatiquement des photos de flocons de neige en chute libre et mesure leur vitesse de chute. Un algorithme développé par le LTE permet de classifier ces flocons de neige selon leurs propriétés microphysiques. Cela nous permet d’améliorer les mesures et in fine les prévisions des chutes de neige. L’algorithme en question a classifié les images de la Figure 3(a-b) en agrégats, (c) en cristal de glace et (d) en graupel (neige roulée en français). Les cristaux de glace se forment par déposition de vapeur et leurs formes dépendent des conditions de température et d’humidité. Les agrégats se forment par collision de cristaux de glace lors de leur chute. Il est parfois possible d’identifier individuellement les cristaux qui forment un agrégat. Par exemple, sur la photo (b) on distingue les branches d’une dendrite (cristal en “étoile”) qui fait partie de cet agrégat. La neige roulée (Fig. 3d) est un type de particule complètement recouvert de givre après avoir traversé une zone avec de l’eau surfondue (eau liquide en dessous de 0°C). Le givrage correspond à la solidification des gouttes d’eau surfondues qui entrent en contact avec une surface solide. Cette dernière peut être un flocon de neige ou alors l’aile d’un avion. 

En plus de classifier les flocons de neige, l’algorithme du MASC permet de déterminer le degré de givrage des flocons, ce qui représente une information importante pour l'aéronautique. En effet, le givrage sur un aéronef peut modifier ses propriétés aérodynamiques et dans les cas les plus graves conduire à un décrochage. Les données du MASC ont permis de déterminer que le degré de givrage se situait en moyenne autour de 0.4 pendant l’évènement (0=pas de givrage, 1=complètement givré, graupel) avec un pic à 0.6 lorsque la proportion de graupel était importante.

Dans nos prévisions nous avions indiqué aux pilotes un givrage modéré à localement sévère. Les données du MASC viennent confirmer que les prévisions de givrage étaient correctes. Cela a permis à l’avion de faire des mesures en conditions givrantes et donc de récolter de précieuses mesures pour l’étude de l’impact du givrage sur les aéronefs, un des objectifs principaux de la campagne. De plus, les prévisions de givrage ont permis aux pilotes de se préparer à ces conditions et de mieux y faire face en vol. Finalement, les photos du MASC ont aussi permis de confirmer le passage de la neige à la pluie vers 22:00 UTC, en accord avec nos observations de la Figure 2.

Affichage aggrandi: Figure 4: Exemples de photos prises par le MASC. (a)-(b) agrégats, (c) cristal planaire, (d) graupel.
Figure 4: Exemples de photos prises par le MASC. (a)-(b) agrégats, (c) cristal planaire, (d) graupel.

Conclusion

Les mesures présentées dans ce blog montrent que les prévisions faites pour le vol du 27 janvier étaient correctes et ont permis de bien planifier l’horaire du vol. De plus, les conditions givrantes qui étaient annoncées ont aussi pu être confirmées par les mesures.

La combinaison des données radars, des mesures in-situ au sol et dans les nuages durant cette campagne permettront aux scientifiques de mieux comprendre les propriétés microphysiques de la neige. Ainsi, les résultats de cette campagne contribueront à l’amélioration des mesures et prévisions des chutes de neige. En particulier pour le projet ICE-GENESIS, ces données permettront de mieux comprendre l’impact du givrage et des chutes de neige sur les aéronefs et donc d’en améliorer les performances et la sécurité.

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