Pluviométrie et circulation atmosphérique simulées par le modèle régional WRF en Afrique australe : sensibilité à la physique et variabilité interne

Julien Crétat

Abstract : This study evaluates the capability of the regional climate model WRF to simulate Southern African rainfall and associated atmospheric circulation, particularly over South Africa, a country covered by a dense network of in situ observations. Three sets of simulations are performed at a 35km horizontal resolution during the core of the austral rainy season (December to February: DJF) with 6-hourly forcings provided by ERA40 reanalysis. The first set quantifies sensitivity of the simulated climate to the parameterizations of atmospheric convection, planetary boundary layer and microphysics. The retained case study (DJF 1993-1994: DJF94) is representative of the South African rainfall climatology. Seasonal rainfall patterns, their intensities and their intraseasonal characteristics are primarily controlled by convective schemes. Seasonal biases vary by 100% according to the three tested schemes (Kain-Fritsch, Betts-Miller-Janjic and Grell-Dévényi). Planetary boundary layer and microphysics schemes produce lesser uncertainties, but they can cumulate their effects with convection schemes. The second set evaluates the seasonal mean state and the recurrent daily rainfall patterns for the 1971-1999 period using one satisfactory configuration determined for DJF94. WRF clearly improves the South African rainfall climatology upon ERA40, in particular due to a stronger depression over Angola. Except for weak rainy days, WRF simulates accurately the main observed rainfall patterns at the daily timescale, despite frequent shifts of a few days. The third set quantifies internal variability through two 30-member ensemble simulations. Internal variability is modulated by the parameterization of atmospheric convection (stronger in Kain-Fritsch compared to Grell- Dévényi). In both cases, the geography of the internal variability at daily timescale is very close, with maximum located along a large band oriented north-west to south-east. Uncertainties concern the morphology and propagation speed of synoptic rain-bearing systems, with an order of magnitude of 1 000 km in longitude for tropical-temperate troughs. These uncertainties are indicative of theoretical limits of operational weather forecasts, owning to the chaotic component atmospheric variability over the region.

Résumé : L'étude porte sur l'Afrique australe et surtout l'Afrique du Sud, pays bénéficiant d'un excellent réseau d'observations. La capacité du modèle climatique régional WRF à simuler la pluviométrie et la circulation atmosphérique y est évaluée pendant le coeur de la saison des pluies d'été austral (décembre à février : DJF) au travers de trois séries de simulations. WRF est forcé toutes les 6h par les réanalyses ERA40. La résolution horizontale est de 35km. La première série détermine la sensibilité aux paramétrisations de la convection atmosphérique, de la couche limite planétaire et de la microphysique nuageuse. La saison étudiée (DJF 1993-94 : DJF94) est représentative de la climatologie des pluies sud-africaines. La géographie des cumuls saisonniers, leurs intensités et leurs caractéristiques intrasaisonnières sont surtout contrôlées par la paramétrisation de la convection atmosphérique. En Afrique du Sud, les biais saisonniers varient du simple au double en fonction des trois schémas testés (Kain- Fritsch, Betts-Miller-Janjic et Grell-Dévényi). Les schémas de couche limite et de microphysique génèrent des différences moindres, mais pouvant se cumuler avec celles liées à la convection. La deuxième série évalue l'état saisonnier moyen et les structures pluviométriques quotidiennes récurrentes sur la période 1971-1999 au travers d'une configuration physique satisfaisante sur DJF94. La climatologie de la pluviométrie sud-africaine réanalysée (ERA40) est nettement améliorée par WRF, notamment en raison d'une dépression subcontinentale plus creusée au-dessus de l'Angola. Excepté les jours faiblement pluvieux, WRF restitue les principales structures pluviométriques observées au pas de temps quotidien, malgré des décalages fréquents de l'ordre de quelques jours. La troisième série quantifie la variabilité interne à partir de deux simulations d'ensemble de 30 membres. La variabilité interne est modulée par la paramétrisation de la convection atmosphérique (Kain-Fritsch en générant plus que Grell-Dévényi). De fortes similitudes sont néanmoins trouvées. Elles concernent la géographie de la variabilité interne, maximale le long d'une large bande étendue du nord-ouest au sud-est du domaine au pas de temps quotidien. Les incertitudes concernent la morphologie et la vitesse de propagation des bandes pluvieuses synoptiques, de l'ordre de 1 000 km dans le sens zonal pour les bandes pluvieuses tropicales-tempérées. Ces incertitudes sont indicatives des limites théoriques de la prévision opérationnelle en raison de la composante chaotique de l'atmosphère sur la région.

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