Etude tridimensionnelle de l'activité électrique, microphysique et dynamique d'une ligne de grain observée pendant la campagne HyMeX

• Main Author: Ribaud, Jean-François
• Other Authors: Toulouse 3
• Language: fr
• Published: 2015
• Subjects: Orages; Eclairs; Radar polarimétrique; LMA; Dynamique; Microphysique; Thunderstorms; Lightning; Weather radar; Cloud dynamics; Microphysics
• Online Access: http://www.theses.fr/2015TOU30353/document

La question de la prévision des évènements fortement précipitants se produisant sur le bassin Méditerranéen est au coeur du programme international HyMeX (Hydrological cycle in Mediterranean EXperiment, http://www.hymex.org/) dont l'un des objectifs est d'améliorer la prévision et la prévention des risques hydrométéorologiques du bassin méditerranéen dans le contexte du changement climatique. Durant l'automne 2012, une campagne de mesures de deux mois dite "Période d'Observation Spéciale" (SOP1) a été menée afin de documenter les conditions propices à la formation et au développement des évènements convectifs de type cévenol souvent responsables de crues dévastatrices. Pendant cette SOP1 un dispositif instrumental sans précédent a été déployé avec notamment pour la première fois sur le sol français un imageur à haute résolution spatio-temporelle permettant d'observer les décharges électriques en trois dimensions : le Lightning Mapping Array (LMA). Cet instrument a été combiné aux radars du réseau ARAMIS de Météo-France, et plus précisément aux radars Doppler à diversité de polarisation dans le Sud-Est de la France qui offrent la possibilité d'obtenir des informations sur le type et la distribution des hydrométéores au sein des systèmes précipitants. La production d'éclairs étant le résultat d'une électrisation issue des interactions microphysiques (collisions entre graupels et cristaux de glace en suspension), une description détaillée des différents types d'hydrométéores présents dans les nuages convectifs est essentielle. Dans cette optique, les algorithmes d'identification des hydrométéores développés par Météo-France ont été évalués puis améliorés. Les résultats de cette étude ont montré que les restitutions entre les différents radars étaient plutôt cohérentes, à condition que l'information sur l'altitude de l'isotherme 0°C soit correcte. Ce travail a ensuite été complété par la création, via une méthode originale, de composites 3D d'hydrométéores permettant de décrire la microphysique majoritairement présente dans les systèmes convectifs observés pendant la campagne HyMeX. La deuxième partie de ce travail s'est basée sur l'exploitation de la synergie radar-LMA sur une ligne de grain observée durant la SOP1 de HyMeX. Les principales informations déduites de ce couplage ont mis en exergue l'importance des processus microphysiques intervenant dans l'électrisation du nuage d'orage, ainsi que l'impact du relief sur l'activité électrique globale du système convectif. Sur les quatre heures de données analysées du 24 Septembre 2012, le déclenchement et la propagation des éclairs ont majoritairement été observés dans les espèces microphysiques que sont le graupel, les cristaux de glace et dans une moindre mesure la grêle. Cette étude souligne également le rôle important de la topographie sur l'activité électrique et montre que le passage d'un faible relief peut dramatiquement influencer la distribution et l'intensité des éclairs dans les régions convectives. === The Hydrological cycle in Mediterranean Experiment (HyMeX, http://www.hymex.org/) is a 10-year research program focusing on the quantification and understanding of the water cycle in the Mediterranean at various time and spatial scales with particular emphasis on high-impact weather events. This study takes place within the framework of the first HyMeX field phase (HyMeX-SOP1), which was conducted in the autumn 2012. The unique and extensive dataset collected during this field campaign offers the possibility to further investigate the complex relationships between cloud microphysics and lightning at play within mesoscale convective systems observed in southern France. With this regard, the present study make the use of a Lightning Mapping Array (LMA) along with operational dual-polarization weather radar. The first instrument allows documenting the three-dimensional lightning activity, whereas the second has the ability to determine the type of hydrometeors within cloud systems. Since the production of lightning is the result of an electrification created by microphysical collisions between graupels and ice crystals in suspension, a highly detailed description of hydrometeor types within convective clouds is needed. With this respect, an improved version of Météo-France hydrometeor classification algorithm was developed and evaluated so as to be able to discriminate between a large number of microphysics species. Overall hydrometeor species retrieved from a pair of neighbouring radars within a common sampling area are consistent from one to another. This study has however pointed out the need to check the consistency related to the identification of 0°C isotherm derived from numerical weather prediction model outputs before to perform hydrometeor identification. As a follow up to this work, a novel interpolation method allowing the remapping of single-radar hydrometeor fields onto a common Cartesian grid was developed in order to get access the three-dimensional hydrometeor distribution within HyMeX convective systems. Another part of this work aims at combining LMA and polarimetric radar observations to infer relationships between the total lightning activity, microphysics, and kinematics within the intense bow-echo system observed above the complex terrain of southern France during HyMeX. Using the synergy between LMA and polarimetric radar data, it is underlined that microphysical processes involved in cloud electrification, along with the impact of the topography play at part onto the global lightning activity. Based on a 4h analysis on the 24 Setptember 2012, it is found that lighting initiation and propagation take preferentially place within graupel, ice and to a lesser extent hail regions. This study also highlights the important role of topography on lightning activity and shows that even a small hill can dramatically influence the distribution and intensity of lightning within convective areas.