Développement et Evaluation PHYsiques des modèles atmosphériques Un projet focalisé sur les paramétrisations physiques, pourquoi?

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Huguette Caron
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1 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.

2 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

terrain lua Eva ti o n Simulations explicites, mailles ~

Paramétrisation : une colonne du modèle de climat

3 Une méthodologie phare : observations / simulations explicites / paramétrisation Observation Campagne de terrain lua Eva ti o n Simulations explicites, mailles ~ 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.

en surface pour échantillonner les structures organisées dans les LES (Couvreux et al., Rio et al.

4 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

5 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

6 «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

7 «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 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

stable à faiblement convectif, dans un endroit à la

Simulation à fine échelle de référence avec le modèle

Bbarral) CNRM (E. Bazile) Université de Wageningen (B.

Svensson) Finnish Meteorological Institute (T.

8 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

9 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

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