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DOSSIER

Une importante campagne internationale de mesures, dnomme Fastex,se droulera dans lAtlantique nord en janvier et fvrier 1997, dans le butdtudier les dpressions prenant naissance dans cette rgion ainsi que lessystmes nuageux et prcipitants associs. Cet article dcrit les objectifsscientifiques de Fastex ainsi que le droulement des oprations durant cetteexprience.

Fastex : an international program for studying Atlantic stormsand associate cloud systems

A large international field experiment called Fastex will take place inJanuary and February 1997 to investigate extratropical cyclones over theNorth Atlantic and their associated cloud and precipitation systems. Thispaper describes the scientific objectives of Fastex and the organization ofthe operations.

Comme nous pouvons lobserver chaque hiver, les temptes qui sabattentrgulirement sur les ctes occidentales de lEurope sont parfois extrmementviolentes et gnratrices de dgts considrables. Mme lorsquils ne sont pasviolents, ces phnomnes jouent un rle important pour le climat de lEurope delOuest parce quils sont frquents et quils fournissent lessentiel des pluiespntrant le sol profond.

Malgr les progrs obtenus ces vingt dernires annes dans le domaine de la pr-vision du temps, ces systmes mtorologiques restent souvent mal prvus. Lesmodles de prvision reprsentent plutt bien la palette des mcanismes qui sont lorigine de ces perturbations ; le problme rside donc surtout dans la difficultden dtecter, bon escient, les signes avant-coureurs. Cest en particulier le cas desdpressions prenant naissance au-dessus de locan Atlantique, rgion o lesmoyens dobservation adapts sont peu nombreux. Dans ce cas, cest la pertinencede lapproche dterministe qui est en question : deux tats de latmosphre extrme-ment voisins, sur lAtlantique, peuvent donner, aprs seulement deux jours dvolu-tion, des scnarios trs diffrents (avec ou sans tempte).

Le programme Fastex (Fronts and Atlantic Storm-Track Experiment) a pourprincipal objectif dexaminer des solutions possibles ces problmes. Dans saphase exprimentale, qui aura lieu en janvier et fvrier 1997, une grande campagne

RSUM

ABSTRACT

FASTEX : UN PROGRAMME DTUDEDES TEMPTES ATLANTIQUES ET DES SYSTMES NUAGEUX ASSOCIS

Jean-Pierre Chalon et Alain JolyMto-France Centre national de recherches mtorologiques42, avenue Gaspard-Coriolis31057 Toulouse Cedex

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de mesures sera organise au-dessus de lAtlantique nord (figure 1). Cette opra-tion qui mettra en uvre dimportants moyens de mesures (navires quips, avionsinstruments, radars Doppler aroports, radars UHF, dropsondes, radiosondages,etc.) a pu tre organise grce la collaboration de nombreux organismes et labo-ratoires de recherche, originaires de dix pays : France, Grande-Bretagne, tats-Unis, Canada, Danemark, Irlande, Islande, Ukraine, Espagne et Portugal. Cettecampagne de mesures, dont ltendue dpendra de la situation mtorologique,associera donc troitement chercheurs, prvisionnistes et observateurs. Cest lunede ses originalits.

Dans la phase suivante, les donnes recueillies seront utilises pour amliorerla comprhension du cycle dvolution des dpressions se dveloppant au-dessusde lAtlantique et des systmes nuageux et prcipitants associs. On tentera demettre au point des mthodes oprationnelles pour dtecter les prcurseurs de cessystmes et amliorer leur prvision. On dterminera leur bilan radiatif et on tu-diera leur influence sur le systme climatique.

Cette exprience sinscrit naturellement dans la continuit des programmes derecherche mens depuis plusieurs annes par les laboratoires franais sur ltudedes systmes frontaux (Fronts 77, Landes-Fronts 84, Fronts 87). Les expriencesFronts 77 (Testud et al., 1980) et Fronts 87 (Clough et Testud, 1988) ont fourniune description de la circulation de petite chelle au sein de systmes frontauxdhiver (Chalon et Gilet, 1980) ; Landes-Fronts 84 (Chalon et al., 1995) a permisde mettre en vidence limportance des structures convectives et le caractre ora-geux des systmes frontaux qui se dveloppent au printemps ou en t. Plusrcemment, Fronts 92 (Browning et al., 1995) a servi de campagne pilote pourprparer les bases de Fastex. Alors que les prcdentes expriences sappli-

quaient surtout dcrire la structure fine des systmes prcipitants, Fastex a tdfinie pour observer lensemble du cycle dvolution dune tempte et dtermi-ner les mcanismes qui ont contribu sa formation.

Linitiative de lexprience a t prise par Mto-France (Joly et Lalaurette,1991), trs vite rejoint par le Meteorological Office britannique, luniversit deReading et plusieurs laboratoires du CNRS et de lUniversit, en raison des lienstroits existants, en particulier, depuis Fronts 87 et Fronts 92. Les besoins instru-mentaux dune exprience de cette envergure dpassant les possibilits des seulslaboratoires franais et britanniques, lexprience a t ouverte la participationdes autres pays, et en particulier des tats-Unis, partir de mars 1995.

Aujourdhui, les dpressions de grande dimension qui se dveloppent dans lesrgions fortement baroclines et traversent locan Atlantique sont relativementbien prises en compte par les modles de prvision. Fastex sintressera pluttaux dpressions de taille plus rduite qui se dveloppent dans le sillage de cesgrosses temptes et atteignent nos ctes un ou deux jours plus tard, sans avoirtoujours t prvues par les modles. Lapparition de tels systmes semble faire

LES OBJECTIFS SCIENTIFIQUES

Figure 1 - Les moyens dobservation quiseront mis en uvre pendant lexprienceFastex. Pour les stations de mesure en alti-tude, seules les stations dont la cadence deradiosondages sera renforce (au moinsquatre sondages par jour) sont reprsentes.

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appel, dans les basses couches, une riche varit de mcanismes, dont certains vien-nent seulement dtre identifis (Ayrault et al., 1995 ; Rivals et al., 1996). Leur volu-tion ultrieure dpend, en revanche, uniquement du couplage avec une autre anomaliede lcoulement circulant dans la haute troposphre. Linteraction entre les mouve-ments verticaux induits par la propagation de deux modestes perturbations apparatcomme le seul moyen de permettre une (ou plusieurs) phase(s) de creusement.

Lexprience, qui est avant tout justifie par le souhait daboutir unemeilleure prvision du dveloppement et de la trajectoire de ces dpressions,offrira loccasion de tester les stratgies dobservation adaptative sur la qualitde la prvision vingt-quatre ou trente-six heures. Ces mthodes (Snyder,1996) consistent dabord dterminer les rgions sensibles o de petites incerti-tudes sont en mesure de crer de fortes drives de la simulation numrique, puis augmenter le nombre ou la qualit des observations effectues dans ces rgionsafin de rduire les incertitudes dans linitialisation des modles.

Un autre objectif de Fastex est daboutir une meilleure comprhension delinfluence sur le bilan radiatif de la plante des systmes nuageux et prcipitantsassocis ces dpressions. Les proprits microphysiques et radiatives de cessystmes structurs en couches multiples sont, en effet, encore mal connues. Desprogrs dans ce domaine permettraient la fois de mieux prendre en compte leurimpact sur lenvironnement et sur le climat et damliorer la prcision desmesures effectues partir des radiomtres spatiaux. Les tudes qui seront abor-des dans ce domaine revtent un intrt particulier pour le programme GewexCloud System Study (Browning, 1994).

La prise en compte de ces besoins implique une approche multi-chelle quincessite la fois la description de phnomnes dchelle synoptique comme lescourants-jets et celle de mcanismes de petite chelle qui se droulent dans lessystmes nuageux et dans la couche limite. Les principaux objectifs exprimen-taux de Fastex seront donc les suivants :- la constitution dun ensemble complet de donnes permettant de dcrire la nais-sance et le cycle dvolution des temptes qui se dveloppent au milieu delAtlantique, ainsi que la structure des systmes nuageux et prcipitants qui leursont associs ;- la mise en vidence de prcurseurs (par exemple, anomalies de tourbillonpotentiel, courbures des courants-jets, etc.) permettant de prvoir le dveloppe-ment de tels systmes ;- la mise au point de stratgies dobservation adaptative ;- la dfinition de systmes dobservation et dassimilation des donnes adapts la dtection des prcurseurs et leur prise en compte dans linitialisation desmodles numriques de prvision ;- ltude des processus physiques luvre dans les dpressions secondaires,afin damliorer la paramtrisation de ces processus dans les modles de prvi-sion du temps et dtude du climat.

Des informations plus dtailles sur les objectifs scientifiques de lexpriencesont disponibles dans un article plus complet de prsentation de Fastex, paratredans le Bulletin of the American Meteorological Society (Joly et al., 1997).

La rgion exprimentale de Fastex couvre la majeure partie de lAtlantiquenord. Les moyens dobservation mis en uvre rpondent aux besoins exprimspour remplir les objectifs exprimentaux. Ils permettront en particulier deffec-tuer des mesures aux diffrentes chelles mises en jeu, dalimenter les modlesde prvision numrique et de documenter le cycle de vie complet dune tempte,aussi bien au niveau des mcanismes dynamiques que microphysiques.

Les mesures grande chelle seront fournies quatre fois par jour par les radio-sondages des rseaux mtorologiques des tats-Unis, du Canada, du Groenland,de lIslande, de la Norvge, de la Grande-Bretagne, de la France et de lEspagne.Pendant les Priodes dobservations intensives (POI), la cadence de mesure decertaines stations sera renforce pour atteindre huit sondages par jour, ce quiconstitue une premire en matire dexploitation des stations du rseau opra-tionnel. Des donnes seront aussi fournies par les avions commerciaux (systmesAsdar et Acars), par les bateaux quips pour effectuer des sondages Asap et par

LES MOYENS DOBSERVATION

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des boues drivantes dont certaines seront mises leau spcialement pourlexprience : neuf boues seront mises en uvre par lEuropean Group ofOceanic Stations (EGOS). Enfin, les donnes des satellites mtorologiquesseront systmatiquement rcupres et archives.

La rgion o seront dploys les systmes de mesure mobiles est compose dedeux zones dobservation distinctes (figure 2) : la zone dobservation amont(elle-mme compose dune zone proche et dune zone loigne) et la zonedchantillonnage multi-chelle (ZEM ou MSA en anglais).

Dans la zone dobservation amont, seront concentrs les moyens dobserva-tion destins dtecter la prsence de prcurseurs et observer la naissance desdpressions. Cest aussi l que seront effectues les mesures dcoulant de la stra-tgie dobservation adaptative. Les systmes mis en uvre seront les suivants : Quatre navires, en provenance dUkraine (le Victor Bugaev), dIslande (lAegir),de France (le Surot de lIfremer) et des tats-Unis (le Knorr), effectueront desmesures de surface et des mesures dchanges linterface atmosphre-ocan, ainsique des radiosondages toutes les six heures au maximum, cet intervalle pouvanttre resserr jusqu une heure trente pendant les POI. Le Knorr et le Surot serontaussi quips de radars air clair fonctionnant dans la bande UHF et capables defournir des mesures fines du vent dans la couche limite. Afin dobtenir des donnesaussi fructueuses que possible, les quatre navires seront dplacs en fonction de laposition des rgions baroclines chantillonner. Deux avions amricains (le Gulfstream-IV de la NOAA et un Learjet lou par laNSF) recueilleront des mesures in situ et largueront des sondes (dropsondes GPS) haute altitude, pour obtenir des profils de paramtres mtorologiques (pression,temprature, humidit, vent). Ils devront aussi fournir des informations sur les struc-tures susceptibles de jouer le rle de prcurseurs du dveloppement des dpressions.

Dans la MSA, seront concentrs les moyens destins lobservation dtailledes dpressions dveloppes et des systmes nuageux et prcipitants associs.Dans cette zone, les observations seront principalement effectues par : Lavion C-130 du Meteorological Office britannique. Cet avion sera surtoututilis pour fournir des profils verticaux laide de dropsondes GPS. Dans cer-taines occasions, il pourra effectuer des mesures in situ de paramtres mtorolo-giques et microphysiques.

Figure 2 - La zone doprations de lexprience Fastex. droite, le trait pais et continu estcentr sur Shannon, en Irlande, o se trouve situ le centre de coordination de lexprience. Ildlimite la zone dchantillonnage multi-chelle (ZEM, en anglais MSA) et correspond la dis-tance maximale (1 050 km) que peut parcourir lavion P3 en labsence de vent. gauche, lepetit cercle en traits gras tirets est centr sur St-Johns, Terre-Neuve. Il dlimite la zonedobservation amont loigne et correspond la distance maximale (980 km) que peutparcourir lavion Learjet. Les autres portions de cercle centres sur Shannon et sur St-Johnscorrespondent respectivement aux deux tiers (1 820 km) de la distance maximale que peutparcourir lavion Gulfstream-IV (petits traits gras tirets) et cette porte maximale, soit 2 720 km (traits fins alternativement tirets et pointills). Lintersection entre les disques de 2 720 km de rayon reprsente la zone dobservation amont proche . La flche blanche pla-ce au milieu de cette zone indique la rgion dopration des navires quips.

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Lavion P3 de la NOAA qui sera quip dun radar en bande C, de plusieursradiomtres et dun radar Doppler deux faisceaux en bande X. Lavion Electra du NCAR, quip en particulier du radar Doppler en bande X deux faisceaux Astraia-Eldora.

Les radars Doppler permettent dobtenir une image tridimensionnelle du ventdans les rgions prcipitantes (Dou et al., 1996). Moyennant lapplication de cer-taines hypothses, les champs thermodynamiques et microphysiques pourrontaussi tre restitus partir des mesures du champ de vent. Les radars qui qui-pent les avions sont les produits dune collaboration entre le NCAR et le Centredtude des environnements terrestre et plantaires du CNRS. Le Centre nationaldtudes des tlcommunications, lInstitut national des sciences de lunivers duCNRS et le CNRM de Mto-France ont apport une contribution financire auprojet Astraia-Eldora.

Le centre de coordination de lexprience sera install dans laroport deShannon, en Irlande. Cest l que les expriences seront dcides, coordonnes etpilotes. Cest aussi l que seront bass le Gulfstream-IV, le P3 et lElectra, leLearjet tant bas St-Johns au Canada et le C-130 Lyneham en Angleterre.

Le suivi et la prvision des situations mtorologiques, destins piloter lescampagnes de mesure, seront assurs par un groupe de chercheurs et de prvi-sionnistes des services mtorologiques franais, britannique, canadien et irlan-dais installs pour loccasion dans le centre de coordination.

Nous esprons rencontrer une dizaine de situations favorables. La priodedexprience (janvier-fvrier) a t choisie en essayant de combiner au mieuxtudes statistiques (Ayrault et al., 1995) et contraintes oprationnelles. Une POItypique devrait durer de deux trois jours. La dcision de dmarrer cette POIsera prise trois quatre jours (J-3 ou J-4) avant larrive sur la zone MSA de ladpression tudie. Les navires seront appels rejoindre une position appro-prie pendant les jours J-3 et J-2. Les vols dans la zone amont auront lieu dans lecourant des jours J-2 et J-1, aprs un pravis de vingt-quatre heures. Le jour J-1,la frquence des radiosondages effectus en Irlande, en Grande-Bretagne et enFrance sera augmente (lchers toutes les trois heures dans certaines stations).Les vols dans la zone MSA seront concentrs autour du jour J.

Les oprations seront coordonnes par deux groupes : Le comit scientifique, sur lequel reposeront les choix stratgiques et les dci-sions importantes (lancement ou arrt dune opration, slection des objectifs,par exemple). Ce comit sera compos des reprsentants des principaux partici-pants et prsid par K. A. Browning. Lquipe de coordination des oprations, qui devra faire appliquer ces choix etces dcisions, mais aussi surveiller le bon fonctionnement des dispositifs mis enplace pour lexprience.

Il est probable que plusieurs situations favorables se chevaucheront dans letemps. Dans ce cas, pendant que lquipe de coordination mettra en uvre unePOI, le comit scientifique prparera la POI suivante.

Il est possible dobtenir des renseignements plus dtaills sur le plan des op-rations et sur les systmes de mesure mis en uvre, dans les documents tech-niques de lexprience (Jorgensen et Joly, 1995 ; Jorgensen et al., 1996).

Dans la mesure du possible, les donnes obtenues seront envoyes directe-ment sur le Systme mondial de tlcommunications de lOMM, afin quellespuissent tre prises en compte, en temps rel, dans les modles danalyse et deprvision.

lexception des donnes de tldtection ncessitant de grands volumes destockage (qui feront lobjet de bases de donnes spcialises), les jeux de don-nes relatifs la campagne Fastex (observations de surface par les stationsmtorologiques, radiosondages, dropsondes, avions, navires, etc.) seront ras-sembls dans une base centrale de donnes, mise au point et gre par le CNRM Toulouse. Les analyses oprationnelles seront aussi disponibles dans cette basepour permettre linitialisation des modles et les tudes diagnostiques.

PLAN DES OPRATIONSET COORDINATION

DE LEXPRIENCE

LA DISPONIBILIT DES DONNES

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Si lexprience se droule comme prvu, les laboratoires disposeront dun jeude donnes exceptionnel sur les dpressions qui se dveloppent au-dessus delAtlantique. Lexploitation et la mise en valeur de ces donnes ncessiteront letravail de nombreux chercheurs pendant plusieurs annes.

Lexprience Fastex est principalement finance par Mto-France, lInstitutnational des sciences de lunivers du CNRS, la NSF, la NOAA, le MeteorologicalOffice britannique, la DG XII de la Communaut europenne ( hauteur de 1MEcus) et le Cosna, systme dobservation composite pour lAtlantique ( hauteurde 600 kF). Le programme scientifique a t approuv par le Patom et par lOMM.Il se droulera sous les auspices de la Commission des sciences de latmosphre etdu Programme mondial de recherche sur le climat (Browning et Chalon, 1996).

Le comit de coordination de Fastex est prsid par D. Cadet (CNRS-INSU)et compos de K. A. Browning (JCMM, Royaume-Uni), J.-P. Chalon (Mto-France), R. Gall (NCAR, tats-Unis), A. Joly (Mto-France), R. Langland (tats-Unis), Y. Lematre (CETP, France), S. Nelson (NSF, tats-Unis), J. Rasmussen(NOAA, tats-Unis) et A. J. Thorpe (Universit de Reading, Royaume-Uni). Cecomit sappuie sur un comit scientifique prsid par A. J. Thorpe et sur uncomit technique prsid par P. Bessemoulin (Mto-France). Le chef du projetFastex est A. Joly.

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FINANCEMENT ET ORGANISATION

BIBLIOGRAPHIE

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SIGLES ET ACRONYMES

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