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Développement et Evaluation PHYsiques des modèles atmosphériques
Un projet focalisé sur les paramétrisations physiques, pourquoi ?
La simulation du climat et les projections du changement climatique
→ Changement climatique : nécessite d'utiliser les modèles le plus "physiques" possibles
→ rôle clef des processus atmosphériques dans la dispersion des projections.
→ Importance des termes diabatiques (radiatif et changement phase de l'eau) pour le climat
Des enjeux pour la prévision numérique du temps :
→ Convection s'adaptant au changement de grille (zone grise) - « seamless »
→ paramétrisations 2D, 3D (turbulence, rayonnement)
→ nuages et microphysique à deux moments (interactions nuages et aérosols),
Les paramétrisations physiques très importantes dans les situations à enjeux :
→ cyclogenèses/cyclones/orages (précipitations, grêle, vent, rafales, etc.)/ épisodes cévenols
→ viabilité hivernale (précipitations neigeuses, type de neige, pluies verglaçantes, etc.)
→ nuages bas, brouillard, visibilité
→ extrêmes de températures (canicule, température minimale sur sur neige)
→ Importance des flux radiatifs pour l'agriculture
Importance des paramétrisations le couplage avec les autres composantes :
→ transport vertical, émissions, lessivage pour les modèles de pollution, chimie …
→ couplage avec les surface continentales et océaniques (flux radiatifs, précipitations, turbulence)
DEPHY : regrouper et coordonner des efforts de différentes natures (observation,
modélisation méso-échelle, etc) développés dans des communautés parfois disjointes
autour d'un même et unique objectif :
l'amélioration des paramétrisations physiques des modèles atmosphériques.
Thématiques de Dephy-1 :
→ Couches limites stables, régions polaires, brouillards, ...
→ Couches limites convectives, couplage air-mer.
→ Convection profonde (+ transport de traceurs, lessivage, ...)
→ Couplages avec les surfaces continentales (partie physique)
→ Découpage physique/dynamique (zone grise, propagation des poches froides)
Méthodes et développements :
→ Etude de cas : comparaisons LES3D/modèles uni-colonnes
→ Validations 3D : simulateurs satellites, validations régionales, AMMA-MIP, Sirta
→ Mutualisation de codes (paramétrisations, cas 1D, ...)
Organisation et besoins financiers :
financement LEFE/IMAGO, ~ 15 ETP
2 réunions communes par an dont une couplée aux AMA à Toulouse.
Missions nationales (collaboration entre équipes) et internationales (conf)
Coordination :
Laboratoires : CNRM, LA, LMD, IPSL, LGGE, CEA/DAM
Communautés :
→ Processus / modélisation grande échelle
→ Observation / modèles (LES et grande échelle)
→ Climat / Prévision numérique du temps
Contexte et projets internationaux :
→ Eurocs/Eucrem avec les comparaisons LES/SCM ou CRM/SCM
→ GASS (étude des processus nuageux) et CFMIP (étude des rétroactions)
→ Dynamique de travail à l'oeuvre dans AMMA.
→ structuration de la contribution française aux projets EU Euclipse et Embrace
Une méthodologie phare : observations / simulations explicites / paramétrisation
Observation
Campagne de terrain
lua
Eva
ti o n
Simulations explicites, mailles ~ 20-100 m
Evaluation
Forçage
« grande échelle »
imposé
Paramétrisation : une colonne du modèle de climat
→ Paramétrisations évaluées en mode uni-colonne / simulations explicites 3D.
→ Sur des cas tests réalistes ou idéalisés : réponse des paramétrisations à des
modifications du forçage grande échelle.
Paramétrisation de la couche limite convective sèche ou nuageuse
Schémas en flux de masse des structures
organisés de la couche limite convective
+
Diffusion turbulente avec équation
pronostique de la TKE
Utilisation de traceurs émis en surface pour échantillonner les structures
organisées dans les LES (Couvreux et al., Rio et al. ...)
Coupe instantannée de traceurs (rouge)
et eau nuageuse (bleu), simulation LES
Nuages
Profiles en début d'après midi, cas ARM cumulus
Intercomparaison des schémas en flux de masse de la couche limite (papier en rédaction)
Mêmes formulations
du détrainement et de
l'entrainement dans
LMDZ et ARPEGE
Travail sur la stabilité numérique (Yves Bouteloup)
Résolution découplée
Résolution implicite couplée
300s
Un volet exemplaire de Dephy :
→ Convergence des approches dans AROME/ARPEGE/LMDZ (seamless)
→ Tests croisés des différentes formulations
→ Rôle moteur de la communauté française
→ Méthodologies originales (échantillonage traceurs) et simulations de référence MesoNH pour
développer et évaluer paramétrisations/LES
« Nouvelle physique » de LMDZ : « Modèle du thermique » + Modèle de
poches froides + contrôle de la convection par les processus sous-nuageux
z
Amélioration du cycle diurne de la convection continentale
Tests 1D comparés à des modèles explicites (maille ~1km)
Convection continentale, Oklaoma (Guichard et al., 2005)
Mb
Rio et al., 2009, GRL, Grandpeix et Lafore, 2010
CIN
W'th
Gust
front
W'wk W'
th
Schematic view of
Emanuel (1993) scheme
Deep convection
Air lifting
W'wk
θv
Precipitating
downdrafts
Cold pools,Wakes
Density current
« Nouvelle physique » de LMDZ : « Modèle du thermique » + Modèle de
poches froides + contrôle de la convection par les processus sous-nuageux
z
Prise en compte des bourrasques pour le souèvement des poussières
Emis=F (U eff )
Relation très non linéaire
Vent à 10m effecif
Aerosol Optic. Thick. (550nm)
Obs
JJA
2005
2008
LMDZ
U eff =U 10m
LMDZ
Mb
U eff = √ U 10m + a W '
CIN
W'th
Gust
front
W'wk W'
th
Schematic view of
Emanuel (1993) scheme
Deep convection
Air lifting
W'wk
θv
Precipitating
downdrafts
Cold pools,Wakes
Density current
Travail en relation directe avec les observations
Cas d'intercomparaison GEWEX GABLS 4
Transitions très stable à faiblement convectif, dans un endroit à
la fois extrême, plat et uniforme.
Simulation à fine échelle de référence avec le modèle Mésonh en préparation.
LGGE (C. Genthon, H. Bbarral)
CNRM (E. Bazile)
Université de Wageningen (B. Holtslag)
Bolin Center, Université de Stockholm (G. Svensson)
Finnish Meteorological Institute (T. Vihma)
Température à 2m Sirta
Comparaison directe des obs sur sites avec simulations 3D guidées : Sirta / Amma-Catch
Pourquoi le besoin d'un projet coordonné ?
Afficher clairement le besoin de travail autour de la physique des modèles, point
qui est trop souvent négligé dans des projets "applicatifs" ou revendiqué sans
aboutir dans des projets d'étude des processus.
Maintenir/renforcer une dynamique scientifique nationale sur ces questions :
→ rapprochement IPSL/CNRM sur la modélisation du climat
→ rapprochement prévision/climat au CNRM
→ rapprochement entre les communautés processus/climat, observation/modèles
Mutualisation d'outils : bouts de modèles, cas d'étude, diagnostics, etc.
Intérêt de tester et valider les développements faits par les uns dans des contextes
multiples (climat ou prévi, global ou régional, couplé ou non à la chimie, etc).
Les améliorations de modèles se font sur des échelles de temps trop longues pour les ANR ou
projets européens. Exploitation de campagne plusieurs décennies après.
DEPHY 2
Changement d'équipe de coordination
Dephy 1 : Frédéric Hourdin, François Bouyssel, Marie-Pierre Lefevre
Dephy 2 : Catherine Rio, Isabelle Beau, Marie-Pierre Lefevre
Enjeux nouveaux :
→ les paramétrisations physiques dans leur couplage avec la dynamique atmosphérique ou
les surfaces continentales et océaniques → Nouvelles méthodologies (LES grands
domaines, simulations guidées couplées, …)
→ Continuer à proposer des paramétrisations nouvelles
→ Besoin de montée en puissance en formation / formalisation / questions numériques