Presentation de J-F Gueremy et J
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Paramétrisation de la convection: le schéma PCMT 21 janvier 2016, Ateliers de Modélisation / DEPHY2 J.F. Guérémy, J.M. Piriou, E. Bazile, I. Beau, Y. Bouteloup, J. Colin, J.P. Lafore, D. Pollack, équipes GMGEC et GMAP Plan • Concepts et équations • Validation uni-colonne • Évaluation tri-dimensionnelle en mode PNT • Conclusions et perspectives PCMT : description générale PCMT : Prognostic Condensates, Microphysics and Transport • Microphysique pronostique : ● ● Variables: sustendues: eau liquide, glace et précipitantes: pluie, neige. Transport avec gel eau liquide dans l'ascendance, autoconversion; collection, sédimentation, évaporation, fonte, gel des précipitations. Géométrie symétrique: fraction convective et son environnement: microphysique appelée dans chaque zone avec de l'entraînementdétraînement entre les deux. PCMT : description générale ∂q/∂t = ∂/∂p[M(qc-q)] – C , soit transport et microphysique; au lieu de ∂q/∂t = -M∂q/∂p + D(qc-q) q l'humidité spécifique; M le flux de masse, C le taux de condensation et D le taux de détraînement Profil vertical de l'ascendance convective • Flux de masse M=-c [Pa/s] conservation de la masse ∂M/∂p=M(-), soit 1/(c)•∂(c)/∂p=- • Du bas vers le haut (successivement d'un niveau à l'autre), en considérant une ascendance unique d’ensemble, sont calculés le profil de l’ascendance, la vitesse verticale c, l’entraînement-détraînement fractionnaire ()et la fraction normalisée ; puis la constante avec une condition de fermeture intégrale. • Profil de l'ascendance: détermination des variables thermodynamiques convectives: processus d'entraînement (rappel sur la verticale vers l'environnement avec suivi d'une ascendance adiabatique (conservation verticale de l'énergie statique sèche ou saturée). • Vitesse verticale c: équation pronostique ∂c/∂t=-c∂c/∂p+F+()c2, F la flottabilité (fonction de la différence des températures virtuelles ascendance-environnement) et K un paramètre de traînée aérodynamique. Profil vertical de l'ascendance convective Exemple: Caractéristiques de la particule à la base: p=1000 hPa, T=20°, Td=11° (r=8g/kg) point de flottabilité neutre La particule s'élève le long des courbes vertes (avec entraînement), soit sur l'adiabatique sèche jusqu'au point de condensation et sur l'adiabatique saturée au delà du point de flottabilité neutre (over-shooting) CAPE CIN point de condensation Td T Entraînement-détraînement Somme de 2 paramètres correspondant à 2 échelles de ces processus: Organisé (o): circulation à méso-échelle; Turbulent (t): circulation aux bords de l'ascendance. • (t) t=tfonction de la vitesse verticale c: plus l'ascendance est intense, plus elle est protégée de l'environnement, donc plus faible est son interaction. en 1/m•(1/ms-2) tx 110e-6 tn 5e-6 |cn| 2 |cx| 27.5 |c| en Pa/s Entraînement-détraînement • (o) bilan de masse, modulé suivant du tri par flottabilité (Bretherton et al., 2004). En considérant un mélange uniforme de l'environnement et de l'ascendance, la fraction d'air environnemental (dans le mélange) à flottabilité neutre par rapport à l'environnement est obtenue et permet de calculer o et o oox, o(1-)ox avec ox=|1/c•∂c/∂p| v tempé virtuelle Tvc Flottabilité négative Tve saturé =0 0 fraction d'air insaturé s =1 Tri par flottabilité appliqué si ox<Kt, avec Kparamètre égal à 1.75 environnemental Fraction convective normalisée, conditions de déclenchement et fermeture • La fraction convective normalisée est sans dimension et décroît avec l'altitude depuis la valeur 1 à la base. Elle est calculée grâce à l'équation de conservation de la masse: 1/(c)•∂(c)/∂p=- • La condition de déclenchement au niveau supérieur de la couche considérée est donnée par le signe de c (c<0 ascendance). En cas de non-déclenchement, les variables convectives du niveau supérieur prennent les valeurs de l'environnement, avant d'itérer à la couche suivante. • La condition de fermeture consiste en une relaxation de la CAPE pour calculer la fraction convective à la base (<0.1),la dernière inconnue (∂CAPE/∂t)c=-CAPE/, f(résolution)<dp>2/<|c|dp>, <> intégrale sur la profondeur convective. Stratégie de validation 1) La validation débute par des simulations 1D représentatives de situations convectives de nature différente correspondant à des cas bien documentés (observations et simulations explicites), afin de représenter au mieux la physique des processus. [stratégie du projet européen EUROCS] 2) Les réglages du schéma (paramètres et/ou modifications algorithmiques) ainsi obtenus sont ensuite validés en 3D, en termes de processus, sur des cas de campagnes de mesure disposant de simulations explicites de la convection, en réalisant des simulations courtes en domaine limité avec les mêmes conditions aux limites. Collaboration forte GMGEC/EAC, GMAP/PROC, GMME/MOANA sur 1 et 2 3) Finalement le schéma est évalué en 3D global, en réalisant des simulations longues (pluri-annuelles) comparées à des références climatologiques et des prévisions (à # échelles) comparées à des références météorologiques simultanées, donnant lieu éventuellement à de nouveaux réglages issus de bilans globaux; ces derniers réglages doivent alors être tester en 1D pour boucler ce mécanisme de validations croisées 1D-3D. Collaboration forte GMGEC/ASTER-CAIAC-EAC-MEMO-VDR, GMAP/PROC sur 3 Cas BOMEX: Convection peu profonde non précipitante sur l’Atlantique Ouest tropical Cas avec observations locales et de grande échelle (bilan d'énergie et eau pour calcul impact convection sur une maille et flux de surface) et simulations LES (Siebesma et al., 2003), donnant des variables comme entraînement-détraînement fractionnaire. Sensibilité aux flux de surface: Louis (gauche) Coare (droite) Flux latent: obs et LES: 150 Wm-2; Louis 125 et Coare 100. Cas ARM idéalisé: cycle diurne de la convection continentale Cas avec observations locales, de grande échelle et simulations CRM (Guichard et al., 2004). Autre cas similaire campagne AMMA traité par R. Roehrig. Pré-CMIP6 CMIP5 Représentation des processus convectifs Le schéma de turbulence (CBR, 2000) - représente la turbulence avec et sans condensation jusqu’à la convection très peu profonde (cumulus humilis). Homogénéité horizontale, faible extension verticale. Le schéma de convection PCMT - représente la convection avec et sans condensation (thermiques de CLA), précipitante ou non. Hétérogénéité horizontale, forte extension verticale. Les tendances des 2 schémas s’additionnent. Cas S. Derbyshire: Sensibilité de la convection à l'humidité de l'environnement Cas avec simulations LES (Derbyshire et al., 2004). 25 25tx/2 50 70 90 Cas FIRE: Stratocumulus au large de la Californie l’été Cas avec observations locales, de grande échelle et simulations LES (Duynkerke et al., 2004). Evolution de la nébulosité: Obs, LES haut-g Simus: Ref haut-m, sans PCMT haut_d, sans PBLE bas-m et sans rétroproj bas-d PBLE: coef d'échange au sommet de la CLA selon Grenier, Marquet, Guérémy (2008) Rétroprojection des variables conservatives (pour la turbulence, l et qt) sur les variables pronostiques du modèle , qv et q selon Guérémy (2008) Variabilité spatio-temporelle intrasaisonnière Spectres spatio-temporels de OLR tropical (15S-15N) sur DJFM (120 jours) des années 1979 à 1987 4j 30j OLR observé OLR simulé en couplé OLR simulé en forcé Ondes de Rossby (d’est) à gauche et de Kelvin (d’ouest) à droite. HE 12, 25, 50 m. Variance OLR pour les OBS nombres d’onde zonaux 1 à 4 (tous nb d’onde CPL méridiens) et les périodes 30 à 60 jours (ondes FRC propagatives seulement) Variabilité spatio-temporelle intrasaisonnière Comparaison Pré-CMIP6 / CMIP3 4j Précip obs Lin et al., 2006 30j OLR simulé en couplé Précip CMIP3 Biais de précipitations simulations couplées, période 1979-1999 CMIP5 En DJF, Pré-CMIP6 forcée Pré-CMIP6 Pré-CMIP6 couplée GPCP Biais de température et d'humidité simulations couplées, période 1979-1999 CMIP5 Pré-CMIP6 Biais de température simulations forcées et couplées, période 1979-1988 Pré-CMIP6 forcée Pré-CMIP6 couplée ARPEGE PNT : cycle diurne ARPEGE schéma opér. Observations TRMM ARPEGE schéma PCMT Régime des pluies • Noir : observations TRMM • Rouge : oper • Bleu : PCMT Continu : précip. totales Pointillé : précip. résolues Tireté : précip. sousmailles PNT ARPEGE T1200 Scores aux radiosondages Scores aux radiosondages Une fermeture convective combinée Convergence d'humidité Condensation convective brute L'intégrale verticale de la condensation est égale à celle de la convergence d'humidité ...d'où l'expression de alpha, fraction convective active Puis maximum de alpha (CAPE) et de alpha (CVGQ) ==> un régime doux , mû par la CAPE, et un régime fort redirigeant à flux tendu la convergence d'humidité en condensation Une fermeture convective combinée • Rouge : fermeture CAPE seule • Bleu : fermeture combinée CAPE CVGQ Continu : précip. totales Pointillé : précip. résolues Tireté : précip. sousmailles Simulation ARPEGE Climat T127 Source Jeanne Colin, Isabelle Beau Une fermeture convective combinée ARPEGE Climat T127 Source Jeanne Colin, Isabelle Beau ARPEGE PNT T1200 Une fermeture convective combinée ARPEGE PNT T1200 grille 0.25° ARPEGE PNT T1200 grille 1.41° Une fermeture convective combinée Une fermeture convective combinée Rouge : fréq. Alpha CAPE, qui est opté Bleu : fréq. Alpha CVGQ, qui est opté Source Jeanne Colin, Isabelle Beau Conclusions - perspectives • Usage du schéma PCMT en prévision climatique, saisonnière • En mode PNT, scores favorables, réglages printemps, chaîne en double DSI envisagée été 2016 • Travaux en cours : fermeture combinée, impact MJO, précipitations sur reliefs, validation cyclogénèses, cas d'études avec prévisionnistes, algorithmique du transport convectif, etc
