Comment l’ombre des petits cumulus modifie le bilan énergétique à la surface du sol.

Une équipe du Laboratoire d’Aérologie (unité mixte Université Toulouse 3/CNRS), en collaboration avec une équipe du NCAR de Boulder (USA), a mis en évidence l’effet des ombres des petits cumulus sur le bilan d’énergie à la surface du sol. La modification locale est significative, en particulier pour le flux de chaleur du sol vers l’atmosphère.

Les nuages de basse couche, tels les petits cumulus, représentent une part importante de la fraction nuageuse à l’échelle planétaire et sont un des facteurs d’incertitude dans la modélisation des changements climatiques.

Du fait de leur petite taille (inférieure ou égale au kilomètre) et du fait qu’ils ne produisent pas de pluie, peu d’études ont porté sur ces cumulus et les interactions qu’ils peuvent avoir avec la surface terrestre. Cette étude s’intéresse donc dans un premier temps à l’impact des ombres des cumulus sur le bilan d’énergie en surface tant d’un point de vue régional, que d’un point de vue local, et dans un deuxième temps, à la rétroaction du bilan d’énergie en surface sur les transferts d’énergie, au sein de la colonne d’air sous les nuages, qui vont alimenter ceux-ci.

Légende figure 12 a et 12c : Coupes verticales moyennes de l’atmosphère sous un cumulus présentant les transferts de chaleur (à gauche) et d’humidité (à droite). La surface est sous l’ombre du nuage entre x/L = -0.5 et x/L= +0.5. Les courbes noires indiquent ces mêmes transferts à la surface (faibles dans l’ombre du nuage et plus fort lorsque la surface est ensoleillée). On constate que dans le premier tiers d’atmosphère, les transferts sont plus forts (couleurs chaudes) à la périphérie de l’ombre des nuages au-dessus des forts gradients en température de surface. Ces forts transferts convergent ensuite dans la partie centrale pour alimenter le nuage. Ces résultats montrent que l’ombre des nuages sur la surface participent à la répartition des transferts dans l’atmosphère.

Ce travail s’appuie sur une modélisation numérique détaillée. Nous avons utilisé un modèle d’atmosphère qui résout les processus atmosphériques de taille supérieure à 20 m, et qui, couplé avec un modèle de la surface du sol, permet de représenter les interactions entre la surface et l’atmosphère.

Lorsque la surface est dans l’ombre d’un nuage, elle reçoit moins d’énergie solaire et elle va donc restituer moins de chaleur et de vapeur d’eau à l’atmosphère.

Cette étude montre qu’à l’échelle régionale, l’ombre des cumulus portée sur la surface change peu la proportion entre chaleur et humidité transférées de la surface vers l’atmosphère (de l’ordre de 3%). Par contre, localement, la surface qui se trouve dans l’ombre des nuages ne répond pas de façon linéaire à la diminution de rayonnement solaire reçu : la part d’énergie transférée à l’atmosphère sous forme de chaleur diminue plus que la part transférée à l’atmosphère sous forme d’humidité. De plus, dans l’ombre des nuages, la quantité totale d’énergie transférée de la surface vers l’atmosphère (en chaleur et humidité) est supérieure à l’énergie reçue par la surface car le sol restitue une partie de la chaleur stockée en profondeur. Le bilan d’énergie de la surface sous l’ombre du nuage est donc modifié de manière significative.

En retour, les hétérogénéités de bilan d’énergie en surface induites par les ombres, ont une « empreinte » dans la couche d’air jusqu’à une hauteur de 200 m au dessus du sol.

Contact chercheur : Fabienne Lohou, laboratoire d’Aérologie/OMP. Fabienne.lohouSPAMFILTER@aero.obs-mip.fr

Référence :F. Lohou et E.G. Patton, 2013 : Surface energy balance and buoyancy response to shallow cumulus shading. Journal of Atmospheric Sciences (sous presse)