Le givrage par cristaux de glace est un phénomène aéronautique provoquant des incidents moteurs et instrumentaux qui survient plutôt en haute altitude dans l’enclume de systèmes convectifs tropicaux matures ou se dissipant et ne peut être anticipé via les instruments de bord des avions. C’est pourquoi la recherche à ce sujet est en plein essor. Les processus menant à de telles conditions météorologiques restent encore flous et leur prévisibilité inconnue. Ce travail de thèse a pour objectifs de mieux comprendre ce phénomène et d’évaluer la possibilité de simuler ce type de conditions météorologiques grâce à AROME, le modèle de méso-échelle à aire limitée opérationnel à Météo-France, afin d’anticiper le risque pour l’aéronautique.
Pour répondre à ces questions AROME est tout d’abord évalué de manière statistique sur des situations propices au givrage par cristaux de glace à l’aide d’observations de la campagne de mesures aéroportées HAIC-2015. Les régions convectives, stratiformes et cirriformes des systèmes convectifs de méso- échelle sont identifiées dans les observations et les simulations puis leurs caractéristiques microphysiques sont comparées indépendamment. Cette identification s’appuie sur des observations satellitaires, et se base sur les vitesses verticales, le taux de pluie au sol et le contenu en glace intégré dans AROME. L’analyse des observations montre que des conditions propices au givrage par cristaux de glace ont bien été échantillonnées lors de cette campagne. Toutefois, la version opérationnelle d’AROME n’est pas en mesure de reproduire ce type de conditions givrantes car les contenus en glace composant les enclumes sont trop faibles et ont une trop faible extension spatiale. Les hydrométéores simulés par le schéma microphysique opérationnel d’AROME (ICE3), sont trop gros ce qui les fait chuter trop rapidement. C’est pourquoi, en s’appuyant notamment sur ces observations, des propositions d’amélioration de la paramétrisation de la neige sont proposées.
Dans un deuxième temps, des tests de sensibilité utilisant ces modifications sont effectués et les impacts positifs permettent de simuler des conditions de givrage par cristaux de glace. De plus, l’étendue spatiale des systèmes convectifs et leur composition microphysique s’en trouvent profondément modifiées. La grande variabilité observée des caractéristiques microphysiques reste cependant inaccessible pour ICE3.L’utilisation de LIMA, qui prévoit en plus le nombre d’hydrométéores (pour les gouttes, les gouttelettes, et les petits cristaux), apparaît comme une piste pour augmenter encore le réalisme de ces simulations. Comme ICE3, ce schéma est testé et évalué dans AROME sur les cas de la campagne HAIC. Partageant la même paramétrisation pour la neige qu’ICE3 les avancées utilisées dans ICE3 peuvent être testées avec LIMA. Mais même avec ces modifications, LIMA ne simule pas de conditions propices au givrage par cristaux de glace. Des tests supplémentaires montrent qu’améliorer la représentation de la déposition de vapeur, et plus généralement la représentation de la petite glace dans LIMA serait une avancée pour simuler ces conditions givrantes. Un schéma hybride « LIMA-ICE1M » profitant des apports de la phase liquide de LIMA pour la phase liquide mais utilisant la phase froide d’ICE3 est proposé pour une éventuelle utilisation opérationnelle à court terme.
Enfin, en utilisant la version modifiée d’ICE3 , plusieurs diagnostics de givrage à destination de l’aéronautique sont proposés. Le plus simple s’appuie sur des seuils sur les contenus en glace qui sont plus réalistes avec les modifications d’ICE3. Un diagnostic satellitaire est transposé en sortie d’AROME et permet une comparaison directe avec des observations spatiales. Enfin, en vue de développer un indice pour le modèle global ARPEGE, la possibilité d’appliquer une distance de sécurité par rapport aux tours convectives et sa variabilité selon les conditions de grande échelle en sont étudiée.
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Ice crystal icing is a flight incident causing engine or instruments break-ups that rather occurs at high altitudes (typically cruising levels) in the anvil of tropical convective systems in their mature or decaying stages. However this kind of icing cannot be anticipated by onboard instruments. This is why this research topic is at the heart of renewed attention. In particular, the processes leading to ice crystal icing prone conditions are still unclear and the predictability remains unknown. As a result, this thesis aims at better understanding ice crystal icing and at evaluating the possibility to simulate these conditions using the operational limited area model at meso-scales AROME operationally implemented at Météo-France in order to forecast the ice crystal icing risk.
To progress, AROME is evaluated statistically in the context of ice crystal icing using the airborne HAIC field campaign of 2015. To do so, the convective, stratiform and cirriform regions are identified in the observed convective systems using satellite data and based on vertical velocities, rainfall rates and ice water path in AROME. The analysis of observational data highlights that ice crystal icing prone conditions were sampled during the HAIC field campaign. However, the operational AROME model is unable to simulate such conditions as the total ice water contents are too low and with a reduced extent. Indeed, the hydrometeors simulated by ICE3, the operational microphysics scheme of AROME, are too large and hence fall too fast. This is why, several proposals to enhance the parameterization of snow are formulated, especially by using the observational dataset.
As a result, sensitivity tests are performed on the parameterization of snow in ICE3. The enhancement brought by the proposed modifications enables to simulate ice crystal icing prone conditions using AROME and ICE3. In addition, the spatial extent of convective systems, their microphysical composition and the surface rainfall rates are modified.
Because additional improvements may be expected from the use of a prognostic hydrometeor concentration, LIMA, a quasi two-moment microphysical scheme is tested and evaluated using AROME. This scheme shares its parameterization for snow with ICE3. Therefore, the modifications brought to ICE3 could be implemented in LIMA. However, even with these modifications, LIMA is not able to simulate ice crystal icing prone conditions. Further tests lead to conclude that improving the representation of deposition, and more generally the representation of small ice crystals should help to simulate ice crystal icing prone conditions. To solve this issue, and take benefits of the two moment representation of the warm phase a hybrid scheme using the cold phase of ICE3 is proposed and could be used operationally at short term.
Finally, using ICE3 with the proposed modifications to the parameterization of snow, several complementary diagnostics estimating the risk of ice crystal icing were proposed. The more natural uses thresholds on total ice water contents. A diagnostic initially developed for satellites is computed using AROME’s outputs. Finally, to develop a diagnostic for global system ARPEGE, a safety distance to be applied to the convective towers (that onboard radar can locate) is estimated to reduce the risk of ice crystal icing and its variability as a function of large scale conditions is studied. |