Étude des échanges air-mer en Méditerranée Occidentale avec les prévisions du modèle AROME-WMED pendant la campagne HyMeX

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1 Thèse Météo France DGA 2012/2015 Modélisation couplée océan-atmosphère pour l'étude des événements météorologiques intenses en Méditerranée Étude des échanges air-mer en Méditerranée Occidentale avec les prévisions du modèle AROME-WMED pendant la campagne HyMeX Romain Rainaud Directeur de Thèse : Dr Véronique Ducrocq Co-Directeur de Thèse : Dr Hervé Giordani Encadrement : Dr Cindy Lebeaupin-Brossier Séminaire MIO 11 Octobre

2 Les côtes méditerranéennes : théâtre d événements météorologiques intenses LA MEDITERRANEE OCCIDENTALE Gènes Marseille Nice Rome Barcelone Naples Valence Palerme Alger Oran Tunis Zone sensible au changement climatique Giorgi et al., 2006 Zone soumise aux événements météorologiques intenses : Fortes pluies : inondations Vent violents Zone urbanisée => risques pour la population 2

3 Les côtes méditerranéennes : théâtre d événements météorologiques intenses Précipitations intenses Précipitations intenses et crues dans l'aude Novembre 1999 : 533 millions d'euros de dégâts 36 victimes Ducrocq et al., 2003 Rafales de vent: 140km/h Cumul : 551mm en 24 heures à Lézignan-Corbières Surcote : 1 mètre à Port-Vendres 3

4 Les côtes méditerranéennes : théâtre d événements météorologiques intenses Précipitations intenses Précipitations intenses et crues dans l'aude Novembre 1999 : 533 millions d'euros de dégâts 36 victimes Ducrocq et al., 2003 Rafales de vent: 140km/h Cumul : 551mm en 24 heures à Lézignan-Corbières Surcote : 1 mètre à Port-Vendres J 20% 60% Mer méditerranée apporte jusqu'à 60% de l'humidité alimentant ces événements J-4 (Duffourg et Ducrocq, 2011) J-3 J-4 20% 3

5 Les côtes méditerranéennes : théâtre d événements météorologiques intenses Cyclogénèses, vents violents, tornades Vent violent Octobre 2012 Mistral : 154 km/h enregistrés au Mont Aigoual Dégâts : N. Bonaparte échoué dans le port de Marseille Tornade 14 Octobre 2012 Zone traversée : Plan de Campagne, Septèmes, Cabriès, Les Pennes Mirabeau Dégâts : Arbres déracinés, toitures endommagées... 4

6 Les côtes méditerranéennes : théâtre d événements météorologiques intenses Cyclogénèses, vents violents, tornades Vent violent Octobre 2012 Mistral : 154 km/h enregistrés au Mont Aigoual Dégâts : N. Bonaparte échoué dans le port de Marseille Tornade 14 Octobre 2012 Zone traversée : Plan de Campagne, Septèmes, Cabriès, Les Pennes Mirabeau Dégâts : Arbres déracinés, toitures endommagées... mistral tramontane eau atlantique eau dense convection Réponses océaniques intenses : convection océanique profonde et formation d'eau dense (hiver) 4

7 Les côtes méditerranéennes : théâtre d événements météorologiques intenses Gènes Marseille Nice Rome Barcelone Naples Valence Palerme Alger Oran Tunis 5

8 Les côtes méditerranéennes : théâtre d événements météorologiques intenses é t i l i b i s i v n é e r p t n a l e r m e r m o s i a l e t l é o e n m t a p s t d m n o e é t c i m s n e s e n e é x c A v u é é O e N i s s m e e c t g n n e a a d n h e c r é p Gènes Marseille Nice Rome Barcelone Naples Valence Palerme Alger Oran Tunis 5

9 Interactions air-mer Les interactions air-mer ont un rôle important sur les événements météorologiques intenses (Lebeaupin and Drobinski, 2009; Small et al. 2011; Pullen et al. 2006, 2007 ) Les flux turbulents Stress du vent U : vent à 10 m Flux de chaleur sensible Flux de chaleur latente SST : température de surface Ta : température de l'air q : humidité spécifique CD, CT, CE : coefficients d'échange Océan et Atmosphère : un système couplé! 6

10 Le projet HyMeX (Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment) Projet international du méta-programme MISTRALS (INSU) Étudier le cycle de l eau en Méditerranée Identifier les mécanismes conduisant aux événements météorologiques intenses 2 périodes d observations spéciales (SOP) : SOP1 : 5 Septembre Novembre 2012 (pluies intenses) SOP2 : 1 Février Mars 2013 (eaux denses) Déroulement SOP1 : Prévisions des conditions atmosphériques (ex : modèle AROME-WMED) Bateau (Marfret-Niolon) Décision d une période d intenses observations (IOP) avec déploiement de moyens de mesure variés Avion (SAFIRE) Marisondes Bouées ancrées 7

11 Objectifs de l'étude Meilleure prise en compte des interactions air-mer pour mieux représenter la prévisibilité des événements de pluies intenses (outil : modèle de prévisions atmosphériques AROME-WMED) Évaluer les prévisions journalières d'arome-wmed sur mer Étudier les échanges air-mer (un des carburants des événements de pluies intenses) 8

12 Plan 1) Modèle / Observations 2) Validation des prévisions AROME-WMED 3) Sources d'erreurs du modèle 4) Étude des échanges air-mer pendant la SOP1 5) Discussion / Conclusion / Perspectives 9

13 Modèle / Observations Modèle atmosphérique AROME-WMED : Domaine AROME -WMED + transect du Marfret-Niolon (en rouge) Version d'arome-france pour HyMeX avec un domaine océanique plus large Fine résolution donc convection atmosphérique profonde représentée Golfe du Lion 48 h de prévision à partir de l analyse à 00 UTC (validation des prévisions sur 24 h) Flux air-mer calculés avec la paramétrisation ECUME (Belamari, 2005) Analyse de SST à 00UTC par interpolation optimale des observations (bouées, bateaux) + rappel vers le produit SST OSTIA, constante pendant la prévision Mesures bouées ancrées, marisondes et bateau : 2 bouées (Azur et GoL) + 4 marisondes + Marfret-Niolon Mesures horaires météos+surface (SST) Localisation des bouées et trajet des marisondes Marisondes Bouées ancrées Marfret-Niolon 10

14 Validation des prévisions AROME-WMED SOP1 Biais (%biais) T2m Hu2m FF MSLP SST Azur 0,3 C (1,3%) 5 % (6,6%) 1 m/s (16,3%) -0,1 hpa (-0,01 %) -0,13 C (-0,6%) GoL 0,3 C (2,0%) 6 % (8,9%) 0,8 m/s (9,5%) 0,1 hpa (0,01%) 0,29 C (1,5%) Marisondes (biais moyens 4 marisondes) 0,1 C (0,2%) No Data -0,1 m/s (0,01%) -0,7 hpa (-0,1%) 0,06 C (0,3%) Marfret-Niolon -0,2 C (-0,7%) 2 % (3,2%) 0,2 m/s (4,1%) 0,3 hpa (0,03%) 0,05 C (0,2%) Température à 2m Vitesse vent à 10m Pression au niveau de la mer Faibles biais entre les prévisions et les mesures Surestimations plus importantes de FF et Hu2m Bonne représentation de T2m sauf pour les valeurs inférieures à 12 C 11

15 Validation des prévisions journalières AROME-WMED Cycles diurnes moyens sur toute la SOP1 Température à 2m Vitesse vent à 10m Pression au niveau de la mer Température de surface Pas de refroidissement nocturne (T2m) Surestimation plus importante la nuit (FF) Décalage de 3h sur le cycle semi-diurne (MSLP) Pas de cycle diurne (SST) Surestimation constante pendant la journée (Hu2m) 12

16 Validation des prévisions journalières AROME-WMED Détermination des événements de flux intenses et extrêmes Flux de chaleur sensible Distributions des valeurs des flux de chaleur latente (LHF), sensible (SHF) et du stress du vent (τ) prévus par AROME-WMED aux bouées Détermination des queues de distributions Flux extrême : flux inférieur au seuil Q1 Flux intense : flux inférieur au seuil Q5 Q1 (GoL) Q5 (GoL) Extraction des dates des événements extrêmes (EE) et intenses (IE) : recherche des dépassements de seuils des flux dans les prévisions Flux de chaleur latente Q1 (GoL) Q5 (GoL) 13

17 Validation des prévisions journalières AROME-WMED Détermination des événements de flux intenses et extrêmes Flux de chaleur sensible Distributions des valeurs des flux de chaleur latente (LHF), sensible (SHF) et du stress du vent (τ) prévus par AROME-WMED aux bouées Détermination des queues de distributions Flux extrême : flux inférieur au seuil Q1 Flux intense : flux inférieur au seuil Q5 Q1 (GoL) Q5 (GoL) Extraction des dates des événements extrêmes (EE) et intenses (IE) : recherche des dépassements de seuils des flux dans les prévisions Flux de chaleur latente Q1 (GoL) N.B. : Valeur de flux négative correspond à une perte de chaleur pour l océan, i.e. un gain de chaleur pour l atmosphère Q5 (GoL) 13

18 Validation des prévisions journalières AROME-WMED Détermination des événements de flux intenses et extrêmes Flux de chaleur sensible Distributions des valeurs des flux de chaleur latente (LHF), sensible (SHF) et du stress du vent (τ) prévus par AROME-WMED aux bouées Détermination des queues de distributions Flux extrême : flux inférieur au seuil Q1 Q1 Flux intense : flux inférieur au seuil Q5 (GoL) Q5 (GoL) Extraction des dates des événements extrêmes (EE) et intenses (IE) : recherche des dépassements de seuils des flux dans les prévisions 25-31/10/2012 Flux de chaleur latente Q1 (GoL) N.B. : Valeur de flux négative correspond à une perte de chaleur pour l océan, i.e. un gain de chaleur pour l atmosphère Q5 (GoL) 13

19 Validation des prévisions journalières AROME-WMED Événement Extrême (25-31 Octobre) 14

20 Validation des prévisions journalières AROME-WMED Événement Extrême (25-31 Octobre) Précipitations intenses (IOP16c) Précipitations 14

21 Validation des prévisions journalières AROME-WMED Événement Extrême (25-31 Octobre) Vent fort froid et sec (IOP16b) Précipitations intenses (IOP16c) Vent fort chaud et humide Précipitations 14

22 Validation des prévisions journalières AROME-WMED Événement Extrême (25-31 Octobre) À GoL Flux de chaleur sensible Flux de chaleur latente Stress du vent Du 27 au 29 Octobre : Pic extrême de SHF : -900 W/m² Pic extrême de LHF : W/m² Pic extrême de τ : 2,2 N/m² 15

23 Validation des prévisions journalières AROME-WMED Événement Extrême (25-31 Octobre) *** Bouées --- AROME-WMED Vitesse vent à 10m Maximum de FF (26 m/s) Faible surestimation des prévisions À GoL Direction vent à 10m Changement de direction du vent 16

24 Validation des prévisions journalières AROME-WMED Événement Extrême (25-31 Octobre) *** Bouées --- AROME-WMED Vitesse vent à 10m Maximum de FF (26 m/s) Faible surestimation des prévisions À GoL Direction vent à 10m Pression au niveau de la mer Diminution de MSLP (20hPa) Changement de direction du vent 16

25 Validation des prévisions journalières AROME-WMED Événement Extrême (25-31 Octobre) *** Bouées --- AROME-WMED Maximum de FF (26 m/s) Faible surestimation des prévisions Vitesse vent à 10m À GoL Direction vent à 10m Pression au niveau de la mer Diminution de MSLP (20hPa) Changement de direction du vent Température à 2m Chute de T2m (10 C) Surestimation des prévisions Température de surface Chute de 4,5 C 4 C d écart 16

26 Validation des prévisions journalières AROME-WMED Événement Extrême (25-31 Octobre) *** Bouées --- AROME-WMED Maximum de FF (26 m/s) Faible surestimation des prévisions Vitesse vent à 10m À GoL Direction vent à 10m Pression au niveau de la mer Diminution de MSLP (20hPa) Changement de direction du vent Température à 2m Chute de T2m (10 C) Surestimation des prévisions Température de surface Chute de 4,5 C 4 C d écart Humidité relative à 2m Surestimation des prévisions Sous-estimation des prévisions 16

27 Validation des prévisions journalières AROME-WMED Résumé Biais faibles malgré des surestimations généralement < 10 % Surestimations plus importantes pendant la nuit Surestimations plus importantes pendant les événements de flux extrêmes Vers : Sources d erreurs des prévisions On s'intéresse à la représentation de l'interface air-mer 17

28 Sources d erreurs des prévisions 1. Champs de SST analysés SST constante pendant la prévision donc non prise en compte des évolutions rapides Analyses de SST ne représentent pas les structures de méso-échelle Impact attendu sur les valeurs des flux air-mer 18

29 Sources d'erreurs des prévisions 1. Champs de SST analysés 24 Modèle océanique NEMO-WMED36 Simulation C. Lebeaupin Brossier (28/10/2012) Flux prévus par AROME-WMED Analyse AROME-WMED 28/10/2012

30 Sources d'erreurs des prévisions 2. Paramétrisation ECUME Calcul des flux offline, forcé par les prévision AROME-WMED, avec 3 paramétrisations : Louis (1979), COARE3 (Fairall et al., 2003), ECUME (Belamari, 2005) Flux de chaleur sensible Flux de chaleur latente Différences importantes entre les paramétrisations des flux pendant les événements de vents forts Valeurs de SHF semblent trop fortes avec ECUME quand FF > 20 m/s Valeurs de LHF semblent trop fortes avec Louis (1979) quand FF > 20 m/s (cf Thèse C. Lebeaupin Brossier, 2007) Rapport de Bowen trop grand avec ECUME quand FF>20 m/s Stress du vent Rapport de Bowen Impact attendu sur les paramètres météorologiques en basse couches atmosphériques 20

31 Sources d'erreurs des prévisions Résumé Champs de SST stationnaires Pas de structures de méso-échelle SHF(ECUME) trop fort quand FF > 20 m/s Vers : Échanges air-mer Étude des mécanismes à l'interface O/A pendant IOPs Localisation des zones principales d'intenses échanges air-mer pendant la SOP1 Rôle des zones d'échanges air-mer intenses pendant les IOPs 21

32 Échanges air-mer SOP1 SHF moyen pendant la LHF moyen pendant la zones de flux intenses : Côtes Françaises (1) Mer Ligure (2) Zone Baléares (3) Mer Tyrrhénienne (4) 22

33 Échanges air-mer IOP 8 (27-29 Septembre, pluies intenses, Espagne) Vent Vent Flux max Pluie Flux max Pluie 23

34 Échanges air-mer IOP 16bc (27-29 Octobre, vent fort Golfe du Lion, pluie intense, Italie) Vent Vent Flux max Flux max Pluie Pluie 24

35 Discussion/Résumé Bonne qualité des prévisions des paramètres météos en mer faites par AROME-WMED durant la SOP1 : Écarts plus importants pendant la nuit et les évènements de flux intenses et extrêmes Mauvaise représentation des basses températures (inférieures à 12 C, max ΔT2m = 4 C) Publication en cours de rédaction: Rainaud R., Lebeaupin Brossier C., Ducrocq V., Giordani H., Nuret M., Bresson E., Fourrié N., Bouin M.N.. : Intense air-sea exchanges over the Western Mediterranean Sea during the HyMeX campaign from the AROME-WMED forecasts and analysis 25

36 Discussion/Résumé Bonne qualité des prévisions des paramètres météos en mer faites par AROME-WMED durant la SOP1 : Écarts plus importants pendant la nuit et les événements de flux intenses et extrêmes Mauvaise représentation des basses températures (inférieures à 12 C, max ΔT2m = 4 C) Deux sources d'erreurs principales mises en évidence : Absence de structures de méso-échelle dans les champs de SST analysés et SST stationnaire pendant la prévision Paramétrisation des flux ECUME donnant des flux de chaleur sensible trop forts quand FF > 20 m/s Pas de mesures des flux directes en vent fort pendant la SOP1 Comparaison aux SST satellites problématique dans les situations nuageuses Vers une version ECUME2 pour corriger SHF Publication en cours de rédaction: Rainaud R., Lebeaupin Brossier C., Ducrocq V., Giordani H., Nuret M., Bresson E., Fourrié N., Bouin M.N.. : Intense air-sea exchanges over the Western Mediterranean Sea during the HyMeX campaign from the AROME-WMED forecasts and analysis 25

37 Discussion/Résumé Bonne qualité des prévisions des paramètres météos en mer faites par AROME-WMED durant la SOP1 : Écarts plus importants pendant la nuit et les événements de flux intenses et extrêmes Mauvaise représentation des basses températures (inférieures à 12 C, max ΔT2m = 4 C) Deux sources d'erreurs principales mises en évidence : Absence de structures de méso-échelle dans les champs de SST analysés et SST stationnaire pendant la prévision Paramétrisation des flux ECUME donnant des flux de chaleur sensible trop forts quand FF > 20 m/s Pas de mesures des flux directes en vent fort pendant la SOP1 Comparaison aux SST satellites problématique dans les situations nuageuses Vers une version ECUME2 pour corriger SHF Étude des interactions air-mer : Identification des zones d'échanges de chaleur intense pendant la SOP1 : Zone Baléares, Mer Tyrrhénienne, Mer Ligure, Côtes Françaises Différents comportements des échanges air-mer pendant les IOPs Pas de prise en compte de la réponse océanique aux flux, affectant les échanges de chaleur Publication en cours de rédaction: Rainaud R., Lebeaupin Brossier C., Ducrocq V., Giordani H., Nuret M., Bresson E., Fourrié N., Bouin M.N.. : Intense air-sea exchanges over the Western Mediterranean Sea during the HyMeX campaign from the AROME-WMED forecasts and analysis 25

38 Perspectives pour 2014 Analyser la simulation du modèle océanique NEMO-WMED36 (~2.5km) pour étudier les réponses de l océan aux flux prévus par AROME-WMED durant la SOP1 : Analyser les évolutions rapides de SST, de la couche de mélange et des flux Évaluer l'effet de la surestimation des flux calculés avec la paramétrisation ECUME pendant les événements de vent forts et éventuellement évaluer l'impact de l'utilisation de la paramétrisation COARE3 et/ou ECUME2 26

39 Perspectives pour 2014 Analyser la simulation du modèle océanique NEMO-WMED36 (~2.5km) pour étudier les réponses de l océan aux flux prévus par AROME-WMED durant la SOP1 : Analyser les évolutions rapides de SST, de la couche de mélange et des flux Évaluer l'effet de la surestimation des flux calculés avec la paramétrisation ECUME pendant les événements de vent forts et éventuellement évaluer l'impact de l'utilisation de la paramétrisation COARE3 et/ou ECUME2 Développement du couplage interactif entre AROME-WMED et NEMO-WMED36 via OASIS-MCT/SURFEX-v8 : Évolution interactive de la SST et des flux Étude couplée des mécanismes de formation des événements de pluies intenses en Méditerranée 26

40 Merci de votre attention!

41 Échanges air-mer pendant la SOP1 Calcul des flux avec COARE3 (Fairall et al., 2003), forcé par prévisions AROME-WMED Aucune correction sur le champ de SST n a été appliquée pour cette étude Biais SST moyen Biais SST extrême Biais SST extrême Conditions météorologiques du test (28/10/2012 à 02UTC) : T2m = 12 C Hu2m = 50 % FF = 26 m/s DD = 320 MSLP = 995 hpa SST = 20 C Conditions extrêmes de vent (FF > 20 m/s) : COARE3 moins sensible qu ECUME aux erreurs importantes de SST Faible sensibilité pour ΔSST < 0,5 C (supérieur au biais moyen de SST) ΔSHF et ΔLHF augmentent avec erreurs de SST Connaissance des erreurs maximales sur les flux par conditions extrêmes de vent et de biais de SST maximums

42 Interactions air-mer à fine-échelle (C. Lebeaupin Brossier) Modélisation océanique à haute-résolution : Bathymétrie (m) Mise en place du modèle NEMO-WMED36 code NEMO v3_2 + paramétrisations Méditerranée issues du projet GMMC/SIMED Δt=240s Δx=1/36 en grille ORCA (~2.5km) points de grille : 760 x 480 x 50 niveaux z bathymétrie : Mercator-LEGOS version 10 Première simulation : - conditions initiales (θ,s) & aux frontières ouvertes (θ,s,u,v) : NEMO-MED36v50-ARPERA3 (ENSTA) + débits et ruissellements côtiers climatologiques [Beuvier et al., 2012] - spin-up entre 15 et 30 Août 2012, puis, forçage atmosphérique en flux issu des prévisions AROME-WMED (Δx=2.5km, fréquence horaire) Analyse sur la SOP1-HyMeX : Étude des réponses de la couche de mélange océanique aux évènements météorologiques intenses

43 Interactions air-mer à fine-échelle (C. Lebeaupin Brossier) IOP16a : Oct : HPE sur Catalogne, golfe du Lion, Cévennes, Côte-d'Azur, Ligurie IOP16b : Oct : Mistral (SWE) sur NWMED Évolution dans la simulation «sous» la bouée Azur [7.8 E-43.4 N] Evap-Precip kg/m2/s 20 m /s RESTRATIFICATION rapide sous HPE MELANGE INTENSE sous vent (evap) fort(e) Température ( C, isolignes) Mixed Layer Depth Forçage à hauterésolution et hautefréquence alternance rapide de processus fins dans la couche de mélange couche peu salée Salinité (psu) mélange entrainement upwelling

44 Développement couplage interactif NEMO-WMED36 & AROME_WMED via OASIS-MCT/SURFEX-v8 couplage via OASIS-MCT/SURFEX-v8, commun avec code ARPEGE-Climat, ALADIN- Climat et AROME (développement GMGEC-GMME, début : septembre 2013) construit sur l expérience de couplage AROME-Réunion/NEMO réalisée par G. Samson en 2012-mi2013 Recrutement CDD ingénieur 18 mois (projet ANR ASICS-MED) pour la validation sur la SOP2 HyMeX AROME-WMED NEMO-WMED36 SURFEX-V8 OASISMCT

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