BILANS D ' EAU. Francoise Guichard. CNRM (CNRS & Météo-France)

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1 BILANS D ' EAU Francoise Guichard CNRM (CNRS & Météo-France) bilans d'eau atmosphériques atmos. fluxes mésoéchelle (fct temps,altitude) modélisation, observations interface échelle régionale (fct temps) limites de la modélisation, approche hybride Réunion ICARE, 8-9 septembre 2009 E P

2 CONTEXTE Le bilan d'eau : un outil pour l'étude du cycle de l'eau approches analyse des processus et de leurs couplages gamme très large d'échelles spatio-temporelles e;g. temps: qq minutes (hydrologie), plusieurs heures (MCS), 24h, synoptique, intrasaisonnier, annuel, interannuel... identification des mécanismes de couplage & des échelles auxquelles ils opèrent quelle origine de l'eau précipitant (proche-locale, + lointaine? océanique, continentale?...) quelle importance du recyclage? variabilité interannuelle : quelle signature sur le bilan d'eau? observe-t-on une variabilité de l'intensité des évènements convectifs?

3 BILANS fct (temps, altitude) α t = α ui xi eulerian evolution larger scale advection z 1 ( ρ α ' u 'i ) + ρ xi Sα diabatic source/sink of α turbulent/convective transport α = qv : condensation/evaporation...q couplage eautempérature quantitative comparison of heat & moisture budgets in a consistent way apparent moisture sink (Q2) qv L qv cp t θ θ π t = L qv + ui c p xi = θ π ui xi + ( L ρ qv ' u 'i ρ c p xi ( π ρ θ ' u 'i ρ xi ) + ) + Q Q + Qi + Qrad apparent heat source (Q1) Le bilan d'eau résulte de processus présentant une forte variabilité spatio-temporelle sur une vaste gamme d'échelles

4 BILANS fct (temps) qv t = PW t qv ui xi ( ρ qv ' u 'i xi ) z + Sqv Fout Fin = ( Fin Fout ) + E P PW: eau précipitable P: précipitation, E: evapotranspiration E P [Fnet(Q) = Fin Fout] couplage chaleur sensible-latente surface: Rnet G = H + LE recyclage: Plocal / P intensité du cycle hydrol. : P/ F (F: flux moyen) Trenberth & col. (1999), Gong & Eltahir (1996) identification d'échelles de couplages (Bielli & Roca 2008) Le bilan d'eau résulte de processus présentant une forte variabilité spatio-temporelle sur une vaste gamme d'échelles

5 variabilité : quelques exemples à fine échelle Couvreux et al. (2005) exp. IHOP MODIS, around Niamey 10 July 2006 Guichard et al. (2009)

6 les bilans atmosphériques déduits de réseaux de sondages & autres observations et la modélisation/les paramétrisations α t = α ui xi ( 1 ρ α ' u 'i ρ xi ) + Sα via méthodes Zhang et al. (2001) un intérêt qui ne date pas d'hier... BOMEX (1969) Atlantique tropical GATE (1974) Atlantique tropical COARE (1992) Pacifique equatorial ARM (fin 90) grandes plaines américaines base de développement / paramétrisations e.g. convection: notion de quasi-équilibre, formulation flux de masse, entrainement...) campagne de mesures au dessus des océans influence sur le développement des param. déclenchement, couplage couche limite un intérêt toujours d'actualité AMMA: D. Bouniol & coll. réseau de sondages fréquence = 3h, pdt 1 mois (ARM SGP grdes plaines USA)

7 vitesses verticales août 2000 [10 W,10 E] ERA40 un accord trop relatif signé par le jeu de paramétrisations pb non limité à l'itcz, e.g. flux de basses couches, turbulence besoin d'observations pour s'en affranchir permet de tester des schémas dans des conditions environ. + réalistes NCEP NCEP2

8 cadre pour modélisation paramétrée & fine échelle single column models SCMs cloud resolving models CRMs from Colostate web page min-max enveloppe CRMs SCMs min max Guichard et al. (1997)

9 Q1/Q2: time mean profiles

10 moistening drying 7-day mean vertical profiles of Q1 & Q2 under convective period over the tropical Pacific warm pool (TOGA-COARE experiment) curve «observations» : budget analysis deduced from a network of soundings & other obs... curve «model» : obtained from a limited area cloud resolving model (resol /x ~ 1km), using boundary conditions derived from observations

11 for time scales > 1 day, typically a balance between Q1/Q2 and large-scale motions convective transport of sensible heat relatively weak convective transport of moisture larger moistening drying moistening drying

12 departure of T and q mean profiles from initial ones in a convective situation (simulation of a tropical squall line, over ocean) relatively weak departures compared to Q1 & Q2 values, on the order of several tenth of K.day-1 cooling/drying of the lowest levels, heating/moistening above 5 km note than there is not a net drying of the column even though Q2 corresponds in this case to a drying.

13 BILANS fct (temps) methodologie basée sur une utilisation de (re-)analyses (e.g. ECMWF, NCEP...), souvent combinée à des observations & produits d'observation bilans globaux & régionaux (USA) : Trenberth & coll., Roads & coll. PW/ t = E P + Fnet(Q) analysis simulated other sources Fout Fin analysis E P la fermeture du bilan est problématique sous échantillonnage (Fnet: dt :6h, dz : niveaux pression et non niv. modèle) pb : spin down, cycle diurne de la pluie mais aussi PW impact des paramétrisations & des méthodes d'assimilation pas de contrainte sur la conservation de l'eau (atmosphère et sol) existence de biais robustes aux sauts en échelle other sources P: produits satellite (nombreux, différentes échelles) E: LSM (land surface model) offline inputs importants : Pluie, flux radiatif incidents SW, LW - produits satellite

14 Simulation LSM : un exemple

15 comparaison de flux issus de analyses flux atmosphériques 3 (ré-)analyses cycle saisonnier moyenne mensuelle Meynadier et al. basses couches hautes couches

16 comparaisons produits E, P Meynadier, Bock et al.

17 fermeture bilan (re)analyses seules fermeture Meynadier, Bock et al. Fermeture : condition nécessaire mais pas suffisante

18 fermeture bilan (re)analyses seules fermeture Meynadier, Bock et al. Fermeture : condition nécessaire mais pas suffisante

19 fermeture bilan (re)analyses seules fermeture Meynadier, Bock et al. Fermeture : condition nécessaire mais pas suffisante

20 fermeture bilan composite Pluie : GPCP E: ISBA Meynadier, Bock et al.

21 croisement d'information de différentes sources: un exemple 19N IRT: passage d'un système convectif intense sur pt b 18N 17N 19N 18N 17N 3W 2W 1W 3W 2W 1W 3W 2W 1W 15 Aug ~13h 17 Aug ~13h 3W 2W 1W 3W 2W 1W 19N AMSR-E: aucune signature à la surface 7h après 18N 17N

22 IRT au pt b données station au pt b analyses au pt b

23 CONCLUSION détermination de bilans d'eau atmosphériques: exercice difficile à toutes les échelles bilan fait intervenir des processus réalisés à des échelles fines et fortement couplés à ces mêmes échelles considérations couplage q,t bilan énergétique précipitation : paramètre critique advections analyses: importance des processus physiques, convection mais aussi des processus de basses couches (e.g. dilution jet nocturne) evapotranspiration : processus dont l'importance souvent sous-estimée ds la littérature bilan d'eau apport amélioration des paramétrisations : e.g. ECMWF IFS meilleure balance nuage continent-océan (travail long) intérêt, perspectives des bilans hybrides (certaines échelles) multi-sources : besoin d'expertises et d'échanges