Paramétrisation des poches froides convective dans LMDZ et ARPEGE-Climat

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Thierry Jean-Luc Dufour
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1 Paramétrisation des poches froides convective dans LMDZ et ARPEGE-Climat Romain Roehrig 1, C. Rio 1, J.-P. Lafore 1, J.-Y. Grandpei 2, J.-M. Pirio 1 et J.-F. Gérémy 1 1 CNRM, Météo-France & CNRS, Tolose, France 2 LMD, CNRS, Paris, France

2 1. Contete et motivations Poches froides et convection Poches froides : éléments essen2els des systèmes convec2fs. Organisa2on de la convec2on (e.g. Afriqe de l Oest) Cycle dirne Zipser (1977, MWR)

Représenta2on eplicite de la poche froide Diﬀérents coplages avec la paramétrisa2on de la convec2on Déclenchement/fermetre revisités Q1 LMDZ5A LES LMDZ5B Transition from shallo to deep

3 1. Contete et motivations Poches froides et convection Poches froides : éléments essen2els des systèmes convec2fs. Organisa2on de la convec2on (e.g. Afriqe de l Oest) Cycle dirne Une paramétrisa2on proposée par Grandpei et Lafore (2010), implémentée dans LMDZ5B et versions sivantes. Représenta2on eplicite de la poche froide Diﬀérents coplages avec la paramétrisa2on de la convec2on Déclenchement/fermetre revisités Q1 LMDZ5A LES LMDZ5B Transition from shallo to deep convection Groth of the dry and clody PBL in semi-arid conditions Niamey Reflectivity [dbz] Height [m] km 2 km Lifting condensation level (LCL) Time [UTC] Covre et al. (2015, QJRMS)

4 1. Contete et motivations Poches froides et convection Poches froides : éléments essen2els des systèmes convec2fs. Organisa2on de la convec2on (e.g. Afriqe de l Oest) Cycle dirne Une paramétrisa2on proposée par Grandpei et Lafore (2010), implémentée dans LMDZ5B et versions sivantes. Représenta2on eplicite de la poche froide Diﬀérents coplages avec la paramétrisa2on de la convec2on Objectifs : Ø Améliorer le cycle de vie de la convection dans ARPEGE-Climat en prenant en compte les effets des poches froides convectives Ø Analyser l apport des différents degrés de compleité de la paramétrisation de Grandpei et Lafore (2010) Q1 LMDZ5A LES LMDZ5B Covre et al. (2015, QJRMS)

5 2. Version 6 d ARPEGE-Climat Une novelle physiqe Ø Résoltion horizontale ~1.4, résoltion verticale accre (91 nivea) Ø Ø Trblence basée sr ne éqation pronostiqe de l ECT (Cart et al. 2000, QJRMS) Microphysiqe grande échelle avec ea liqide/glace nagese, précipitation liqide/solide pronostiqes (Lopez 2002, QJRMS) Ø Convection (Pirio et al JAS, Gérémy 2011 Tells) q ic q snc q ir q snr Représentation contine/nifiée de la convection sèche, pe profonde et profonde Séparation entre microphysiqe et transport, microphysiqe cohérente avec la grande échelle Ø D atres mises à jor Srface q lc q rc q lr q rr Rayonnement, propriétés radiatives des nages et des aérosols α

2. Version 6 d ARPEGE-Climat Une novelle physiqe Ø Résoltion horizontale ~1.4, résoltion verticale accre (91 nivea) Ø Ø Trblence basée sr ne éqation pronostiqe de l ECT (Cart et al.

6 2. Version 6 d ARPEGE-Climat Une novelle physiqe Ø Résoltion horizontale ~1.4, résoltion verticale accre (91 nivea) Ø Ø Trblence basée sr ne éqation pronostiqe de l ECT (Cart et al. 2000, QJRMS) Microphysiqe grande échelle avec ea liqide/glace nagese, précipitation liqide/solide pronostiqes (Lopez 2002, QJRMS) Ø Convection (Pirio et al JAS, Gérémy 2011 Tells) q ic q snc q ir q snr Représentation contine/nifiée de la convection sèche, pe profonde et profonde Séparation entre microphysiqe et transport, microphysiqe cohérente avec la grande échelle Ø D atres mises à jor Srface q lc q rc q lr q rr Rayonnement, propriétés radiatives des nages et des aérosols α CMIP5 Version 6

7 3. Paramétriser l objet poche froide La paramétrisation De environnements décrits : Poche Etérier de la poche Novelles variables d état : Frac2on de poche σ Différence de températre poche-etérier Différence d hmidité poche-etérier δq v δθ Etalement des poches : Vitesse d étalement et énergie des poches Densité de poche D C * = k * 2WAPE = k * 2g 0 h δθ v θ v dz t σ = 2C * π D σ Eqa2ons de conserva2on de la masse, de l énergie et de l ea Grandpei et Lafore. (2010, JAS)

$sos maille de T, q v 2lisée por pdra\/dondra\ (Spli%ng) ALE = WAPE = g Impact sr la fermetre (LCL) 1 ALP = k 2 ρc$

8 3. Paramétriser l objet poche froide Coplage a schéma de convection dans LMDZ Coplage a schéma d Emanel (1991, 1993) Impact sr les variables grande échelle Impact sr le déclenchement t θ = ω p θ + Q ' 1 +Q 1 C p Variabilité sos maille de T, q v 2lisée por pdra\/dondra\ (Spli%ng) ALE = WAPE = g Impact sr la fermetre (LCL) 1 ALP = k 2 ρc 3 * h L Γ 0 h δθ v θ v ma(ale th, ALE ) > CIN dz ALP = ALP th + ALP M LCL = ALP 2 B 2 CIN Grandpei et Lafore. (2010, JAS)

9 4. Coplage à PCMT En mode diagnostic Chaffage différen2el entre poche (dondra\, évapora2on précipita2on) et etérier (pdra\, microphysiqe nageses δq ' = 1 δqcv= Q e 1 1 Q 1? s t conv = 1 ρ z ρα (s s)+ CondensEvap qlc + CondensEvap qic + MeltingIcing qlc 1 ρ z ρα d d (s d s)+ Evap qrc + Evap qsc (1 σ )Q 1 e σ Q 1

$4. Coplage à PCMT En mode diagnostic Chaffage différen2el entre poche (dondra\, évapora2on précipita2on) et etérier (pdra\, microphysiqe nageses δq ' = 1$

10 4. Coplage à PCMT En mode diagnostic Chaffage différen2el entre poche (dondra\, évapora2on précipita2on) et etérier (pdra\, microphysiqe nageses δq ' = 1 δqcv= Q e 1 1 Q 1? s t conv = 1 ρ z ρα (s s)+ CondensEvap qlc + CondensEvap qic + MeltingIcing qlc 1 ρ z ρα d d (s d s)+ Evap qrc + Evap qsc δt (1 σ )Q 1 e σ Q 1 K

11 Version 6 4. Coplage à PCMT Splitting pdraft/dondraft Updra\ : alimenta2on à l etérier de la poche Dondra\ et évapora2on des précipita2ons convec2ves : dans la poche Q 1 δt V6+splitting K day -1 K

12 V6+splitting 4. Coplage à PCMT Impact sr les variables grande échelle Ajot des tendances ake a éqa2ons de bilan de l énergie et de l ea Q 1 δt V6+splitting+tend K day -1 K

13 4. Coplage à PCMT Dynamiqe de l pdraft Vitesse ver2cale ω t ω = ω p B + ε + K 2 ( d )ω gst d eff Difficlté : PCMT représente plsiers types de convec2on PCMT con2ne à déterminer la convec2on à l etérier des poches froides Ajot ne composante forcée par les poches σ ω t ω t Idéalement : ω = ω p B + ε(ω )+ K d (ω 2 ( ))ω ω = ω p B B + ( ε(ω )+ K d (ω 2 ))ω B δt v T v PCMT a r 1 σ a

14 4. Coplage à PCMT Dynamiqe de l pdraft Vitesse ver2cale ω t ω = ω p B + ε + K 2 ( d )ω gst d eff Difficlté : PCMT représente plsiers types de convec2on PCMT con2ne à déterminer la convec2on à l etérier des poches froides Ajot ne composante forcée par les poches σ Idéalement : ω t ω t ω = ω p B + ε(ω )+ K d (ω 2 ( ))ω ω = ω p B B + ε(ω )+ K d (ω 2 ( ))ω B δt v T v PCMT a r On introdit : Frac2ons srfaciqes des pdra\s a = 2πr d gst eff D k a = a PCMT (1 σ a) 1 σ a Frac2ons des pdra\s forcés par les poches α = a a + a, α =1 α Différence des vitesses ver2cales des de types d pdra\s δω = ω ω Vitesse moyenne blk des pdra\s ω = α ω + (1 α )ω

15 4. Coplage à PCMT Dynamiqe de l pdraft Vitesse ver2cale ω t ω = ω p B + ε + K 2 ( d )ω gst d eff Difficlté : PCMT représente plsiers types de convec2on PCMT con2ne à déterminer la convec2on à l etérier des poches froides Ajot ne composante forcée par les poches σ Idéalement : ω t ω t ω = ω p B + ε(ω )+ K d (ω 2 ( ))ω ω = ω p B B + ε(ω )+ K d (ω 2 ( ))ω B δt v T v PCMT a r On introdit : Frac2ons srfaciqes des pdra\s Frac2ons des pdra\s forcés par les poches Différence des vitesses ver2cales des de types d pdra\s Vitesse moyenne blk des pdra\s a = 2πr d gst eff D k a = a PCMT (1 σ a) α = a a + a, α =1 α δω = ω ω 1 σ a ω = α ω + (1 α )ω On sppose (por simplifier!): ω t 0 = 1 2 ω = ω p B α B + ε(ω )+ K (ω ) 2 ( d )ω (ω 2 ω 2 ) B + ( ε(ω )+ K d (ω )) (ω 2 ω 2 ) p avec ω 2 ω 2 = 2δω ω + (1 2α )δω 2

16 4. Coplage à PCMT Fermetre Fl de masse total : M = M PCMT + M gst d eff ω M PCMT = a g ω M = a g a = a PCMT (1 σ a) a = 2πr d gst eff D k PCMT a σ r 1 σ a

17 4. Coplage à PCMT Impact dynamiqe (flottabilité) Q 1 V6+splitting V6+splitting+tend +boy V6+splitting+tend K day -1 K day -1 K

18 4. Coplage à PCMT Fermetre Q 1 V6+splitting+tend V6+splitting V6+splitting+tend +boy+closre V6+splitting+tend +boy K day -1 K day -1

19 4. Impact des différents degrés de compleité ARPEGE-Climat vs LMDZ Q 1 V6+splitting+tend +boy+closre LMDZ6 K day -1 K day -1

20 4. Impact des différents degrés de compleité Déclenchement et fermetre Q 1 V6+splitting+tend V6+splitting+tend +boy+closre LMDZ6 no ALE /ALP LMDZ6 K day -1 K day -1

21 4. Impact des différents degrés de compleité Tendances sr variables grande échelle Q 1 V6+splitting +boy+closre LMDZ6 no tend V6+splitting+tend +boy+closre LMDZ6 K day -1 K day -1

22 4. Impact des différents degrés de compleité Splitting Q 1 V6+splitting +boy+closre LMDZ6 no tend V6+splitting+tend +boy+closre LMDZ6 K day -1 K day -1

23 Conclsion Implémenta2on de la paramétrisa2on des poches froides de Grandpei et Lafore (2010, JAS) dans ARPEGE-Climat Version 6 (PCMT) Test en 1D sr cas de cycle dirne de la convec2on a Sahel (AMMA 10 jillet 2006) Impact fort sr l intensité et la drée de vie de la convec5on Nécessité de revisiter les réglages d schéma de convec2on (entrainement, fermetre, évapora2on) Une approche por le coplage avec PCMT différente de LMDZ Sépara2on vitesse ver2cale et frac2on des pdra\s depis la srface Emanel (Fl de masse, fermetre a LCL) Approche nifiée : besoin qe PCMT con2ne de représenter la convec2on (profonde et pe profonde) loin des poches, a moins pendant ne phase de transi2on Trois formes de coplage entre paramétrisa2on des poches froides et paramétrisa2on de la convec2on Impact cohérent dans ARPEGE-Climat et LMDZ, Splijng : effet amplificater, d 1 er ordre devrait dépendre d cisaillement ver2cal de vent. Tendances sr les variables de grande échelle : effet légèrement stabilisater Déclenchement et fermetre : effet amplificater, d 1 er ordre

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