Vers un modèle idéalisé de la relation entre tourbillon. potentiel et l image vapeur d eau
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- Ange Henry
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1 Institutionnel Institutionnel Vers un modèle idéalisé de la relation entre tourbillon Grand Public potentiel et l image vapeur d eau Grand Public Yann MICHEL Professionnel 1 Professionnel Météo-France Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM-GAME) GMAP, Equipe RECYF Noir & blanc Ateliers Prévi-GMAP 15 juin 2010 Noir & blanc 1 Introduction et contexte 2 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique 3 Image vapeur d eau : Modèle physique 4 Perspectives Papeterie Papeterie Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 1
2 Traitement de l imagerie vapeur d eau Adaptation de l algorithme RDT Rapid Developing Thunderstorm Problématique Traiter l image vapeur d eau pour y détecter les intrusions sèches associées à la cyclogenèse. T Froid C V(C) C ~ τrec(c,c ) T Tour < T Tour C T Chaud T date t date t (+ advection) date t+ t Fig.: Cellules définies par les zones de connexité au sein d un multi-seuillage itératif. Mise-en-oeuvre Fig.: (a) UnAppariement cas simple de recouvrement temporel. Fig. 2.5 Cas de liens uniques entre cellules à (d'après Morel, L algorithme RDT (Morel et Sénési, QJRMS 2002) détecte les nuages par multi-seuillage hiérarchique et établit des trajectoires temporelles par estimation de la vitesse de déplacement et critères de recouvrement. Adaptation pour l image vapeur d eau : Michel et Bouttier QJRMS La règle qui permet d'établir un lien entre deu Règle pour établir un lien entre deux ce Si les cellules C et C 0 ne se recouvrent qu entre ces cellules quelle que soit la valeur du S'il existe plusieurs recouvrements entre C Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 2
3 Détection et suivi des intrusions sèches Antidote : ANalyse, Traitement d Image pour la Dynamique des Objets à la TropopausE Adaptation pour l image vapeur d eau inversion pour détecter les zones chaudes de l image ( nuages) réglage des paramètres de RDT (hauteur des tours... ) sur un échantillon d apprentissage (supervisé) sélection des cellules qui présentent un intérêt dynamique grâce au développement de caractéristiques objet supplémentaires : taille, forme, taux de réchauffement, environnement nuageux, distance au jet... Résultats Evaluation des performances objectives en temps réel : taux de fausses alarmes 15%, probabilité de détection 75% (cellules) 85% (trajectoires) Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 3
4 Détection et suivi des intrusions sèches Antidote : ANalyse, Traitement d Image pour la Dynamique des Objets à la TropopausE Légende de la visualisation contours verts : cellules contours bleus : cellules naissantes traits mauves : trajectoires flèches noires : mouvement apparent flèches rouges : vent du courant-jet traits noirs : projeté sur le courant-jet Fig.: Antidote sur la tempête Xynthia (26-27 février 2010) Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 3
5 Détection et suivi des intrusions sèches Antidote : ANalyse, Traitement d Image pour la Dynamique des Objets à la TropopausE Fig.: Antidote sur la tempête Xynthia (26-27 février 2010) Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 3
6 Détection et suivi des intrusions sèches Antidote : ANalyse, Traitement d Image pour la Dynamique des Objets à la TropopausE Fig.: Antidote sur la tempête Xynthia (26-27 février 2010) Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 3
7 Détection et suivi des intrusions sèches Antidote : ANalyse, Traitement d Image pour la Dynamique des Objets à la TropopausE Fig.: Antidote sur la tempête Xynthia (26-27 février 2010) Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 3
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13 Détection et suivi des intrusions sèches Antidote : ANalyse, Traitement d Image pour la Dynamique des Objets à la TropopausE Fig.: Antidote sur la tempête Xynthia (26-27 février 2010) Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 3
14 Détection et suivi des intrusions sèches Antidote : ANalyse, Traitement d Image pour la Dynamique des Objets à la TropopausE Fig.: Antidote sur la tempête Xynthia (26-27 février 2010) Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 3
15 Détection et suivi des intrusions sèches Antidote : ANalyse, Traitement d Image pour la Dynamique des Objets à la TropopausE Fig.: Antidote sur la tempête Xynthia (26-27 février 2010) Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 3
16 Tempête des Landes (2006) Suivi des intrusions sèches et diagnostique de la relation PV-WV Tropopause (hpa) (a) Modèle Temperature ( C) (b) Satellite Temperature (c) Régression linéaire r = 0.85, (d) Température de brillance cellule pente Γ 20 hpa/k modèle et satellite Innovation de la hauteur de la tropopause 80 hpa. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 4
17 Tempête des Landes (2006) Expériences d assimilation. B et D diffèrent sur la structure verticale des incréments (a) Référence +36h 0 (b) Analyse B +36h 0 (c) Analyse D +36h (d) Référence +42h 0 (e) Analyse B +42h 0 (f) Analyse D +42h Michel Y., 2009 : Data Assimilation of Tropopause Height Using Dry Intrusion Observations. MWR, 138, pp Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 5
18 Introduction et Contexte : Résumé Une vision conceptuelle de la cyclogenèse : Une atmosphère à deux niveaux, la surface et la tropopause. Résultat de l interaction entre des structures en PV. Intérêt de l image vapeur d eau Présence de structures (intrusions sèches, bandes de déformation, zones convectives... ) liées à la cyclogénèse Résumé du travail de thèse Développement d une version de RDT adaptée au suivi des intrusions sèches sur des images vapeur d eau ; Appariement des trajectoires des cellules modèle et satellite avec extraction automatique de profils de PV ; Utilisation expérimentale de régressions linéaires et de l assimilation de pseudo-observations de PV (étude de cas sur la tempête des Landes) Un cadre physique pour expliquer la complexité de la relation PV-WV? Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 6
19 Plan 1 Introduction et contexte 2 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique 3 Image vapeur d eau : Modèle physique 4 Perspectives Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 7
20 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Filament stratosphérique Système QG, f -plan, à tourbillon potentiel uniforme dans deux régions (stratosphère et troposphère) séparée par une surface matérielle, la tropopause, de température potentielle θ TP et déplacée verticalement de δ z (Juckes, JAS 1994 ; Juckes, JAS 1999) Cas du modèle minimal (où on néglige la surface) δ z(x) = g N tn sθ oo θ TP (x) Cas du modèle avec prise en compte de la surface : instabilité barotrope SQG (Held et.al., JFM 1995 ; Juckes, JAS 1995) instabilité barocline (Hoskins et West JAS 1979 ; Davies et al. JAS 1991 ; Schär et Wernli QJRMS mais avec tropopause flexible) Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 8
21 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
22 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
23 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
24 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
25 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
26 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
27 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
28 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
29 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
30 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
31 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
32 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
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36 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
37 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
38 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
39 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
40 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
41 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique Fragmentation d un filament stratosphérique Fig.: Conditions initiales d après Wirth et. al (1997) : anomalie de tropopause de hauteur 2.8 km, de taille initiale km (vent géostrophique initial 26 m s 1 ). Résolution numérique par méthode pseudo-spectrale, résolution , avec schéma-temporel prédicteur-correcteur AB2-AM3. Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 9
42 Plan 1 Introduction et contexte 2 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique 3 Image vapeur d eau : Modèle physique 4 Perspectives Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 10
43 Relation entre vapeur d eau et tourbillon potentiel La température de brillance T BB du canal vapeur d eau est approximée par une surface de constante densité en vapeur d eau (isostérique) ρ w = kg m 3 (Ramond et.al., MWR 1981) La surface isostérique est en dessous de la tropopause à un niveau 3.3. z Un 1000 modèle m conceptuel initialement, de la relation puis à un PV-WV niveau z + z 0 tropopause δ z Stratosphère u g Haute et moyenne troposphère w > 0 w < 0 z niveau de référence z u g (z ) Fig. 3.11: Schéma illustrant le mouvement quasi-géostrophique u g d une anomalie de tropopause d amplitude δ z. Les flèches épaisses représentent le mouvement Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 11
44 Relation entre vapeur d eau et tourbillon potentiel Résolution numérique Condition Initiale: Proportionnalité Différences Advectives Persistance temporelle Mouvement vertical lié à La variation locale de PV Petits tourbillons = pas d impact Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 12
45 Relation entre vapeur d eau et tourbillon potentiel Un snapshot réaliste Fig.: Image vapeur d eau MSG/SEVIRI 6.2µm, Tourbillon Potentiel ARPEGE à 350 hpa Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 13
46 Plan 1 Introduction et contexte 2 Tourbillon potentiel : Modèle dynamique 3 Image vapeur d eau : Modèle physique 4 Perspectives Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 14
47 Perspectives L image vapeur d eau est décrite comme un traceur de la moyenne troposphère, soumis à une source qui est le mouvement vertical induit par les anomalies en PV. Forçage dynamique de l image par la vitesse verticale Décalage possible entre les gradients horizontaux de l image et de la tropopause (différences advectives) Persistance de l histoire passée dans l image vapeur d eau (séquences temporelles) Cependant, de nombreux effets supplémentaires non décrits : Fronts et overlaps (hypothèse QG) Sources et puits de PV et de WV Effets radiatifs des nuages (cirrus dans les intrusions sèches... ) Interaction barocline (influence de la surface, du jet, et cyclogénèse) Vous, prévisionnistes, êtes-vous intéressés par un développement de ce modèle idéalisé de la relation PV-WV? Yann MICHEL Tourbillon Potentiel et Vapeur d eau 15
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12,999,976 km 9,136,765 km 1,276,765 km 499,892 km 245,066 km 112,907 km 36,765 km 24,159 km 7899 km 2408 km 76 km 12 14 16 1 12 7 3 1 6 2 5 4 3 11 9 10 8 18 20 21 22 23 24 26 28 30
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