Observation, caractérisation et modélisation du grésil dans différentes conditions atmosphériques

Les types de précipitations hivernales qui se produisent près de 0°C sont associés à plusieurs risques pour la société. En plus de ces risques, ces conditions rendent les prévisions météorologiques difficiles puisque de faibles changements de température peuvent mener à une transition du type de précipitations. Or, la pluie, la neige, la neige mouillée, le grésil ou la pluie verglaçante impactent la société de manières distinctes, et de bonnes prévisions permettent de réagir avec les mesures de mitigations adéquates. Parmi ces types de précipitations, la pluie verglaçante est particulièrement dangereuse pour les transports et dommageable pour les infrastructures. Les conditions atmosphériques propices à ce type de précipitations sont très similaires à celles qui conduisent au grésil. Pour ces raisons, ces deux types de précipitations sont souvent confondus dans les prévisions. Afin d’éventuellement en améliorer la prévision, le but général de ce projet de doctorat est de mieux comprendre les processus de formation du grésil et de la pluie verglaçante. Le grésil et la pluie verglaçante se produisent lorsqu’une couche d’air chaud se forme au-dessus d’une couche d’air sous le point de congélation. Dans ces conditions, la neige fond dans la couche d’air chaud et forme de la pluie. Lorsque la pluie rejoint la couche d’air froid, elle peut regeler et former du grésil. Si la pluie ne regèle pas et que la température de la surface est inférieure à 0°C, la pluie gèle au contact du sol et forme de la pluie verglaçante. Le grésil se forme communément lorsque la fonte de la neige est partielle. Dans ce cas, la fraction solide des gouttes déclenche leur regel lorsque leur température atteint une température inférieure à 0°C. Généralement, de la pluie verglaçante est observée lorsque la fonte en altitude est complète. Cependant, du grésil peut aussi se former dans ces conditions, mais les processus de gel sont mal identifiés. L’objectif du premier chapitre de cette thèse est de caractériser la forme et la vitesse de chute des particules de grésil observées et mesurées lors de quatre évènements météorologiques distincts. Ces évènements ont été documentés avec des observations manuelles, des macrophotographies, un disdromètre optique, des données radar et des données de réanalyses. Dans ce chapitre, trois des quatre évènements sont associés à de la fonte partielle en altitude tandis qu’un des évènements est associé à de la fonte complète. On démontre que les caractéristiques physiques du grésil observées sur les macrophotographies varient d’un évènement à l’autre et dépendent des conditions atmosphériques. La vitesse de chute, mesurée par le disdromètre optique, dépend quant à elle des caractéristiques physiques des hydrométéores. Enfin, on démontre qu’on peut utiliser un disdromètre optique pour distinguer le grésil de la pluie verglaçante, de la neige et de la neige mouillée regelée. L’objectif du deuxième chapitre est d’identifier le processus de formation du grésil lors d’un des évènements décrit dans le premier chapitre. Cet évènement, survenu le 12 janvier 2020 sur une durée de plus de 10 heures, est associé à de la fonte complète en altitude. Deux mécanismes de gel sont évalués pour expliquer le gel des gouttes liquides dans la couche froide. Premièrement, le gel peut être induit au contact de noyaux glaçogènes primaires. Cependant, la concentration de ces noyaux glaçogènes dans l’atmosphère est très faible et on estime qu’ils n’auraient permis qu’à une petite fraction des gouttes, < 6 %, de geler. Deuxièmement, le gel peut se produire si une goutte entre en contact avec une particule de glace. Les macrophotographies ont révélé que le grésil avait été accompagné de colonnes de glace d’environ 200 μm pendant tout l’évènement. L’analyse des photos et des données du disdromètre optique ont permis d’estimer que la concentration de colonnes de glace était assez élevée pour geler par contact toutes les gouttes liquides. La présence des colonnes de glace est quant à elle expliquée par des processus de production secondaire de glace comme la fragmentation des gouttes qui gèlent et le processus de Hallett-Mossop. Enfin, on suggère que le fort vent du nord-est près de la surface pourrait avoir favorisé la glaciation de la couche froide en entraînant de la neige sous la couche de fonte. L’objectif du chapitre III est d’évaluer l’impact de la production secondaire de glace sur la distribution de la pluie verglaçante et du grésil à l’aide de simulations réalisées avec le schéma microphysique Predicted Particle Properties (P3) couplé au modèle atmosphérique canadien. Différents processus de production de glace secondaire sont donc ajoutés à P3 pour vérifier s’ils permettent la production de grésil dans les conditions atmosphériques observées le 12 janvier 2020. À l’aide de tests de sensibilité réalisés avec un modèle en une dimension, nous démontrons qu’ajouter un processus de production secondaire de glace au schéma P3 peut produire des précipitations solides à la surface. Le schéma P3 modifié est ensuite utilisé dans des simulations en trois dimensions à haute résolution spatiale. Ces simulations produisent du grésil à Montréal mélangé à de plus petites particules de glace dont les distributions de taille sont étudiées et comparées à celles observées et mesurées le 12 janvier 2020. Le travail réalisé au cours de mon doctorat a différents impacts. Premièrement, les données recueillies pendant quatre évènements de grésil devraient permettre à d’autres chercheurs d’identifier des épisodes de grésil lorsqu’aucun observateur manuel n’est déployé sur le terrain. La première partie de mon travail permet aussi d’en connaître plus sur la variabilité de la vitesse de chute et des caractéristiques physiques du grésil. La deuxième partie de mon travail a permis de développer un modèle conceptuel qui peut expliquer la production de grésil dans des conditions où de la pluie verglaçante est souvent prévue. Enfin, la dernière partie de mon travail permet de comprendre les avantages et les limites de l’ajout de la production secondaire de glace dans un schéma microphysique pour améliorer la modélisation du grésil. En somme, cette thèse contribue à réduire l’ambiguïté qui existe entre le grésil et la pluie verglaçante dans la détection et la modélisation.

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