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Deuxième partie : la météorologie et le givrage

Sur ce thème de la contamination et du givrage, l’action du météorologiste en charge de prévision aéronautique doit correspondre aux objectifs aéronautiques que nous avons cernés.

LFMM SIGMET 3 VALID 111145/111545

LFML-

SEV ICE OBS LFMM FIR MAINLY ALPS

RHONE VAL CORSICA AND MAR=

AIRMET

PIREP

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La contamination par de la glace : le givrage des aéronefs

LES VARIABLES PRONOSTIQUES DU POTENTIEL GIVRANT DE L'ATMOSPHERE

•La température (incluant la prévision du niveau de l'isotherme O°C)•L'humidité relative•Le contenu en eau liquide•La taille des éléments•Les vitesses verticales•L'instabilité verticale

Conclusions à propos du potentiel givrant atmosphérique

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : la température (1)

La température de l’air est un bon paramètre pour discriminer le phénomène.En effet :

•Compte-tenu de la relation qui existe entre la température de l’air et sa capacité à contenir de la vapeur d’eau (**) éventuellement condensable après soulèvement en gouttelettes surfondues, en-dessous de 0°C, le potentiel givrant, toutes étant choses égales par ailleurs, décroît avec la température potentielle de l’air.

•L’eau ne congèle qu’à une température inférieure ou égale à 0°C. On élimine ainsi toutes les régions atmosphériques à température positive(*).

•Il n’y a pas d’eau liquide surfondue à une température inférieure à –40°C. De plus, comme les noyaux glaçogènes (ice nucleus) sont tous actifs à partir de –35°C, on peut considérer que le potentiel givrant est quasiment nul en dessous de –35°C.

•Entre 0°C et –12/-15°C très peu d’aérosols constituent des noyaux glaçogènes. L’eau condensée est donc majoritairement liquide et surfondue. Les niveaux à fort potentiel givrant dans les nuages sont dans cette plage de température.

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La température règle pour une bonne part la composition d’un nuage

Cette discrimination efficace est confirmée par les observations de givrage en vol : très peu de cas pour des températures inférieures à -20°C(*). Il y a une majorité de cas d’observation pour des températures comprises entre –3°C et –7°C (**).

Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : la température (2)

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : la température (3)

Du point de vue de la modélisation, la température présente aussi l’avantage d’être un paramètre de sortie de traitement numérique courant et facilement accessible.

Toutefois, sa description spatiale doit être suffisamment précise pour bien isoler les zones à risque et en particulier dans le plan vertical, les niveaux potentiellement givrants. Des modèles à maille fine (méso-échelle) sont nécessaires pour fournir cette précision indispensable.

Coupe à travers un front chaud (distance de coupe 750 kilomètres) où figurent les champs de température (en bleu) et de température pseudo-potentielle du thermomètre mouillé en rouge. (*)

niveau 0°C

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : la température et l’isotherme 0°C (4)

Le (ou les) niveau(x) de l’isotherme 0°C fixe(nt) approximativement le plancher des volumes givrants.

Sur ce document de Météo France, l’isotherme 0°C est situé en niveau de vol (*). Les températures sont pointées lorsqu’elles sont négatives au sol.

Localement, à très courte échéance, un sondage aérologique pertinent permet toujours de fixer le (ou les) niveau(x) correspondant(s).

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : l’humidité relative (1)

Du point de vue de la modélisation, l’humidité relative est aussi une sortie courante de traitement numérique.

La condition de saturation pour l’air potentiellement givrant est bien représentée par l’humidité relative (*). Décrit correctement, c’est aussi un paramètre qui permet d’éliminer les volumes sans potentiel givrant.

L’humidité relative

Coupe à travers un front chaud (distance de coupe 750 kilomètres) où figurent les champs d’humidité (en violet) et de température pseudo- potentielle du thermomètre mouillé en rouge. (**)

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : l’humidité relative (2)

Il est naturel d’associer un potentiel givrant à un critère croisé température/humidité relative.

Il existe des algorithmes établis à partir d’études climatologiques.Le potentiel givrant est maximum pour les fortes humidités relatives combinées aux plages de température négatives les plus favorables.

La discrimination ressort d’abord en noir et blanc (conditions givrantes ou non). Il est plus difficile de justifier une évaluation de l’intensité avec ce seul critère croisé (*).

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : le contenu en eau liquide (1)

Le contenu en eau liquide (surfondue) : LWC (Liquid Water Content)

•Le contenu en eau liquide (surfondue) exprime la quantité d’eau liquide condensée présente dans un mètre cube d’air humide (nuageux en général) (dont la température est négative).

•Le contenu en eau liquide est un paramètre qui fixe bien le potentiel givrant de l’atmosphère. Il s’exprime en grammes par mètre cube.

•Il prend une valeur significative dans un milieu saturé.

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : le contenu en eau liquide (2)

• nuages stables en couches (St, As, Ns) : de 0,1 à 0,5 g/m3

• nuages instables (Cu, Ac, Cb) : de 1 à 5 g/m3 (jusqu'à 15 g/m3 dans certains nuages instables tropicaux)

Remarque : le stratocumulus est un nuage qui présente les deux caractéristiques plutôt stable à grande échelle et instable à petite échelle. Leur contenu en eau condensée est donc très variable.

• brume et brouillard : de 0,1 à 2 g/m3

• quantités nettement supérieures dans les précipitations.

Ordres de grandeur du contenu en eau condensée dans l’atmosphère :

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : le contenu en eau liquide (3)

les nuages stables en couches :

•ont un contenu en eau réduit : 15 à 20% seulement de ces nuages dépassent 0,3 g/m3 mais quelques échantillons dépassent 1 g/m3.•Les plus forts contenus en eau condensée se trouvent dans la plage de température comprise entre -5° et -10°C.• Même dans ces types de nuages généralement considérés comme homogènes horizontalement, on observe une grande variabilité relative de leur contenu en eau.•Verticalement, l’eau liquide ne se répartit pas de manière régulière. Certains échantillons présentent un maximum à la base du nuage, d’autres à la partie supérieure du nuage.•Il existe une corrélation intéressante (*) entre les valeurs moyennes extrémales de contenu en eau et les distances de mesure. Ainsi entre –5°C et –10°C : sur 20 km jamais plus de 1 g/m3 , sur 100 km jamais plus de 0.7 g/m3 , sur 200 km jamais plus de 0.5 g/m3 .

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : le contenu en eau liquide (4)

les nuages instables :

•ont un contenu en eau qui dépasse fréquemment 1 g/m3.•Dans ces nuages généralement considérés comme très hétérogènes, on observe une grande variabilité de leur contenu en eau.

2 g/m3

Mesure de la teneur en eau liquide (LWC) au cours de la traversée d’un champ de cumulus congestus-TCU- à une température de –10°C (campagne “ LANDES-FRONTS 84 ”).

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : le contenu en eau liquide (5)

En systématisant, on peut établir une échelle d’intensité du givrage à partir du seul contenu en eau liquide LWC (*).

léger potentiel givrant : LWC < 0,6 g/m3

potentiel givrant modéré : 0,6g/m3 < LWC < 1,2 g/m3

potentiel givrant fort : LWC > 1,2 g/m3

(**)

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : le contenu en eau liquide (6)

Le contenu en eau liquide est ici représenté en sortie du modèle de haute résolution MESO-NH de Météo France pour un grand nuage de convection.

modélisation expérimentale du LWC (*)

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : la taille des éléments (1)

La taille des gouttelettes (surfondues)

La dimension des gouttelettes nuageuses est généralement inférieure à 40 microns.

Mesure du diamètre volumique (MDV) médian des gouttelettes au cours de la traversée d’un champ de cumulus congestus-TCU- à une température de –10°C (campagne “ LANDES- FRONTS 84 ”).

La dimension des gouttelettes nuageuses conditionne une partie de l’accrétion : captation, forme et zone contaminée (*).

La dimension moyenne des gouttelettes devrait (**) donc être combinée à la température et au contenu en eau liquide pour produire des prévisions quantitatives et qualitatives de l’accrétion.

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : la taille des éléments (2)

Les grosses gouttelettes (SLD)

A partir de 40 microns (*) une gouttelette devient une grosse gouttelette (SLD).

Au delà de 200 microns elle devient goutte de bruine ou pluie ou précipitations surfondues (FZDZ et FZRA).

Compte tenu des conséquences relatives à une contamination par des gouttes, nous avons vu qu’il convenait cette fois-ci de discriminer les scénarios SLD des autres (**).

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : la vitesse verticale (1)

La vitesse verticale

La vitesse verticale est quelquefois utilisée comme paramètre complémentaire à la discrimination des conditions givrantes, surtout quand on ne dispose pas d’une sortie numérique explicite du contenu en eau liquide.

L’idée est que l’eau présente dans les nuages provient de la base de l’atmosphère et qu’elle y a été transportée par les mouvements verticaux. Toutes choses étant égales par ailleurs, plus ces mouvements sont intenses, plus le flux d’eau ascendant est important (*).

L’avantage est que l’on dispose d’une sortie numérique explicite des vitesses verticales. Mais l’expérience prouve qu’une bonne discrimination (**) des plages givrantes demande une description de méso-échelle, échelle où les modèles ne sont pas toujours performants.

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : la vitesse verticale (2)

Le champ de vitesses verticales est ici combiné avec un indice de givrage Temp/Hum.L’indice de givrage (iso-lignes roses) est « filtré » par les vitesses verticales inférieures à –0.2 hPa/s dans la région couleur rouge.

Un front froid aborde l’Europe. Au nord-ouest de l’Espagne, à l’endroit d’une observation de givrage en vol (PIREP), des valeurs d’indice élevées (8 à 9 sur une échelle de 10) expriment un risque de givrage élevé (*).

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Les variables pronostiques du potentiel givrant de l’atmosphère : l’instabilité verticale, le cisaillement du vent

Compte tenu de l’importance de la nature stable ou instable d’un nuage quand à son contenu en eau liquide, anticiper cette caractéristique fait partie de la prévision des conditions givrantes quand on ne dispose pas d’une sortie numérique explicite du contenu en eau liquide (*).

L’instabilité verticale

Le cisaillement du vent

Nous verrons que le cisaillement du vent peut définir des conditions propices à la présence de SLD (**).

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Une synthèse pour le potentiel givrant

Les situations de givrage sévère correspondent à la fois à un fort contenu en eau condensée (fort LWC) et une grande proportion de grosses gouttelettes ou gouttes (fort SLD).

CLASSIFICATION

Classe I Givrage « faible »

Classe II givrage « modéré »

Classe III Givrage « fort »

Quantité moyenne d’eau

surfondue

< à 0,6 g/m3

de 0,6 à 1,2 g/m3

> à 1,2 g/m3

Diamètre moyen des gouttelettes et des gouttes

< 50 µm

> 50 µm

Nature des nuages

et hydrométéores

Stable ---------------------------------- Instable

Fortement instable. Pluie et bruine verglaçantes

Types de givrage

Gelée blanche Givre blanc

Givre blanc Givre mixte

Givre transparent

Givre mixte Givre transparent

Verglas

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Lien vers : notes (*) pour le formateur

Le vers à suivre : les scénarios favorables au givrage