Introduction à SURFEX

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1 Introduction à SURFEX

2 Programme du cours Attestation de stage? Cours SURFEX 9-/0/0

3 Documentation SURFEX : Disponible sur Scientific documentation User s guide Documents du cours Cours SURFEX 9-/0/0

4 General Principes Principes généraux Cours SURFEX 9-/0/0

5 Qu est-ce que SURFEX? SURFEX est une «surface externalisée». SURFEX est un code qui représente les processus de surface, il peut être utilisé au sein d un modèle météorologique ou utilisé de manière autonome «offline». SURFEX est conçu de manière modulaire et peut accueillir de nouvelles paramétrisations ou schémas. Cours SURFEX 9-/0/0

6 Pourquoi avons nous besoin de codes de surface externalisés? Atmosphère Forcé / Couplé SURFEX Initialisation / run / Diagnostics E/S assimilation Champs et paramètres de surface Le but d un code de surface est la simulation des flux à l interface surface/atmosphère : energie, eau, carbone, poussières, neige, espèces chimiques, Le code de surface simule les processus audessous ou dans la surface pour le calcul des flux.. Les code de surface sont améliorés et validés en mode «forcé». De nombreux travaux sont menés par des chercheurs n appartenant pas aux communautés «météorologie» ou «climatologie». L utilisation d un code unique pour les applications en mode couplé et offline est indispensable pour assurer la cohérence entre les deux applications. Besoin d externaliser le code de surface des modèles atmosphériques : séparation nette entre la surface et les autres parties du modèle.

7 Couplages /interfaces Forçages Atmosphère Flux de surface Autres variables nécessaires Formalisme permettant, au choix Un couplage explicite (forçage) Ou implicite Passage limité de quelques variables de surface nécessaire pour l atmosphère SurfEx La science est ici! Décision d E/S E/S Cours SURFEX 9-/0/0 Les routines de bas niveaux dépendent du choix des fichiers d E/S (en général du modèle atmosphérique)

8 General Principes Schémas physiques Cours SURFEX 9-/0/0

9 Les schémas physiques Mers et Océans : SST prescrites, formule de Charnock Formulation Mondon et Redelperger Formulation Multicampagne ECUME Modèle de couche mélangée océanique Lacs : Températures prescrites formule de Charnock Modèle conceptuel de lacs FLake Sol/Végétation : ISBA (Interaction Soil Biosphere Atmosphere) Ville : TEB (Town Energy Balance) Approche «canyon», Schéma radiatif détaillé Stockage de chaleur dans les immeubles Végétation dans le canyon Cours SURFEX 9-/0/0

10 Mer /océan ECUME paramétrisation multi-campagne SST prescrites Wind H Atmos. Model LE=xE Modèle d océan D Gaspar et al., 990 SST STRESS (τ u,τ v ) Cours SURFEX 9-/0/0

11 Lacs : modèle Flake Modèle simple à base conceptuelle Neige/glace : Profondeur de glace, Température en surface de la glace, Hauteur de neige et température en surface de la neige Eau / Sédiments Température de surface, Température profonde, Profondeur de mélange, Facteur de forme pour la température audessous de la thermocline, Profondeur de pénétration de l onde thermique et La température à cette profondeur. Cours SURFEX 9-/0/0

12 ISBA options physiques ISBA Sol Végétation Hydrologie Neige Force restore, couches, temp, eau, glace Force restore, couches, temp, eau, glace Diffusion, N couches, temp, eau, glace Noilhan et Planton 89 (~Jarvis) A-gs (photosynthèse et flux de CO) A-gs et végétation interactive (biomasse aérienne) Carbone lent Pas de processus sous maille Ruissellement de surface sous maille Drainage profond sous maille couche, albédo, densité variables (ARP/ALD, Bazile) couche, albédo, densité variables (ARP/Climat, Douville 95) couches, albédo, densité, eau liquide (Boone and Etchevers 000) N couches, modèle détaillé incluant la métamorphose (CROCUS, Brun et al., 989, 99) Cours SURFEX 9-/0/0

13 TEB : principes Masson 000, Masson et al 00, Lemonsu et al 00 La ville est décrite par : Un toit, deux murs identiques, une route. Phénomènes physiques : Interactions au sein du canyon Interception de la neige et de la pluie Stockage de chaleur dans les immeubles Flux anthropiques

14 Schéma de chimie De l échelle locale (dx= km) à l échelle synoptique (dx=50 km) large-scale: MOCAGE, ECMWF,... SURFEX world Cours SURFEX 9-/0/0

15 General Principes Description de la surface Cours SURFEX 9-/0/0

16 Les paramètres physiographiques La surface a besoin de différents paramètres : Type de surface (mer, lacs, nature, ville) et type de végétation pour «nature» altitude ISBA : Albédo, surface spécifique des feuilles, texture du sol FLAKE : profondeur des lacs, coefficient d extinction.. Prescrire les paramètres du modèle via namelist (simulations simples offline). Utilisation de bases de données spatialisées ECOCLIMAP Relief (GTOPO0) Texture du sol (hwsd) Lacs (profondeur). Imposer des cartes de paramètres ad hoc (dans certains cas) Cours SURFEX 9-/0/0

17 ECOCLIMAP : Une base de données globale de paramètres de surface Une carte de paramètre de surface en coordonnées lat/lon ( km de résolution). Complètement intégrée à SURFEX, mais aussi utilisable séparément. ECOCLIMAP I : global (5 covers) ECOCLIMAP II Europe (7 covers) ECOCLIMAP II Afrique (bientôt) 4 types de surface : mer, lacs, nature, zones urbaines Paramètres de surface décadaires: LAI, fraction de végétation (veg), longueur de rugosité, emissivité, Paramètres constants: albédos visibles / IR / UV, résistance stomatique minimales Cours SURFEX 9-/0/0

18 ECOCLIMAP-II Europe ECOCLIMAPII domain

19 Comment représenter les hétérogénéités des la surface dans un point de grille? Approche de type mosaïque (tuile, tiling) : ATMOSPHERE Au sein d une grille, la surface est divisée en entités homogènes.. Chaque entité reçoit le même forçage atmosphérique. Chaque entité calcule ses flux d entrée. Les flux sont agrégés et renvoyés vers l atmosphère (ou diagnostiqués). Pas d échanges directs entre entités. Cours SURFEX 9-/0/0

20 Découpage de la surface La surface est divisée en 4 tiles Le tile «sol nu/végétation» est divisé en «patches» au maximum Mers/ Océans Sol nu/ végétation Sol nu Rochers Neige permanente Forêts de feuillus Forêts de conifères Persistants feuilles larges Lacs Villes Cultures C Cultures en C4 Cultures irriguées Prairies (C) Prairies tropicales (C4) Parcs et jardins/ zones humides Cours SURFEX 9-/0/0

21 Cours SURFEX 9-/0/0 Agrégation des types fonctionnels dans ISBA (sauf ISBA-A-gs) PARK TROG GRAS IRR C C EVER CONI 4 4 TREE SNOW ROCK NO Total number of patchs chosen by user

22 General Principes Interface avec l atmosphère Cours SURFEX 9-/0/0

23 Interface avec l atmosphère Cours SURFEX 9-/0/0

24 Couplage avec l atmosphère : Cas général : Les variables sont transmises à l instant T (ou sur T->T+DT) Les flux de surface sont calculés sur T/T+DT Offline : Coupled mode : ASCII, binary, lfi, FA, netcdf standardised interface (ALMA, Polcher et al., 998) call coupling_surf_atm( variables ) Cours SURFEX 9-/0/0

25 Principe du couplage implicite Meilleure stabilité aux longs pas de temps Résolution des profils complets atmopshère / sol Appel au milieu de la diffusion verticale Cours SURFEX 9-/0/0

26 Les routines d interface au sein de SURFEX coupling_surf_atm : packing and call 4 main tiles coupling_naturen : call of the chosen scheme for the tile coupling_isba_svatn : choice of method of coupling coupling_isba_orographyn : subgrid_orography coupling_isba_canopy : boundary layer coupling_isban : divide in patches, update vegetation, floods, dusts Isba : energy and water fluxes Tous les coupling_xxx ont les mêmes arguments Cours SURFEX 9-/0/0

27 General Principes Vers la pratique : Les étapes à suivre pour faire une simulation SURFEX Cours SURFEX 9-/0/0

28 Les différentes étapes d une simulation SURFEX PGD : Physiographie Choix des schémas de surface Grille physiographie PREP : initialisation des variables prognostiques RUN mode : modèle atmosphérique, offline, ASSIM, DIAG run et diagnostic (avec forçage atmosphérique) Cours SURFEX 9-/0/0

29 PGD Schémas de surface : Ex for NATURE : NONE, FLUX, TSZ0, ISBA (and options for ISBA) Grille : LONLAT reg, Gaussienne, projection conforme, IGN (Lamberet), NONE (namelist) Partie d un grille d un fichier existant Arguments fortran (pas de namelist) Physiographie : Covers : ECOLIMAP ou uniform Orographie (GTOPO0, autres fichiers, uniforme) Texture du sol (sable et argile) (FAO, autres fichiers, uniforme) Profondeur de lacs Cours SURFEX 9-/0/0

30 PREP Date de tous les schémas Fichiers à lire, ou variables uniformes (namelist) Namelist NAM_PREP_SURF_ATM Namelist spécifiques pour chaque schéma # Town scheme "TEB " * Namelist NAM_PREP_TEB * Namelist NAM_PREP_TEB_SNOW * Namelist NAM_PREP_TEB_GARDEN * Namelist NAM_PREP_GARDEN_SNOW Cours SURFEX 9-/0/0

31 RUN (prognostic). Run : besoin d un fichier «PREP» et d un forçage atmosphérique. OPTIONS pour le mode RUN : General : options générales surface-atmosphère o Namelist NAM_SURF_CSTS o Namelist NAM_SURF_ATM o Namelist NAM_WRITE_SURF_ATM Options par schéma : options for run (e.g. : subgrid hydrology) o Namelist NAM_SGH_ISBAn o Namelist NAM_ISBAn o Namelist NAM_SURF_DST Cours SURFEX 9-/0/0

32 DIAG Mode diagnostic inclus dans le mode «RUN» ou de manière autonome, avec un fichier de surface et un forçage «instantané». Sorties définies par namelist : NAM_DIAG_SURF_ATM NAM_DIAG_«shéma»n Les diagnostics sont aggégés sur toutes les surfaces ou par tiles ou patchs (nature) Cours SURFEX 9-/0/0

33 ASSIM OI_MAIN : Analyse du sol basé sur une technique d interpolation optimale (Giard and Bazile, 000, Monthly weather review) Input : Tm, RHm VARASSIM : Analyse du sol basé sur EKF (Mahfouf et al., 009, JGR) Input : Tm, RHm, wg (satellite) and/or LAI (ISBA-A-gs) Cours SURFEX 9-/0/0