Rapport 2014 - (projet n 1044)

Rapport 2014 - (projet n 1044) Titre : Modélisation océanique et atmosphérique dans le Pacifique Sud-Est avec les codes communautaires ROMS-AGRIF, WRF et OASIS3-MCT Justification générale de la demande : Le projet 1044 est un projet de modélisation océanique et atmosphérique haute-résolution dédié à l étude de la variabilité climatique dans le Pacifique (région équatoriale et côte Pérou/Chili). Il s appuie sur 3 codes de calcul communautaires : ROMS (modèle océanique), WRF (modèle atmosphérique) et le coupleur OASIS-MCT développé par le CERFACS. Ces dernières années, l équipe du projet 1044 a développé des configurations régionales basées sur ces codes afin de mener des études centrées sur la compréhension de la dynamique océanique équatoriale (en particulier le phénomène El Niño), la propagation des signaux équatoriaux le long des côtes du Chili/Pérou et l influence des rétroactions océan-atmosphère à l échelle régionale. Nous sommes arrivés dans une phase d exploitation intensive de ces configurations, en particulier avec le besoin de mener des simulations dites «longues», c'est-à-dire couvrant plusieurs décennies. Nos besoins sont donc dimensionnés pour mener ces simulations longues et sont estimés pour le premier semestre 2015 à 420000h. Durant le second semestre 2014 nous avons consommés 430000h (sur 435000h demandées) sur hyperion. Nous n avons pas pu en revanche exploitée les heures alloués sur EOS, la transposition des codes nous ayant demandée plus de temps que prévu. Participants login Laboratoire/status code Boris Dewitte dewitte LEGOS/DR2 ROMS Séréna Illig sillig LEGOS/CR1 ROMS, ROMS_OASIS_WRF Gildas Cambon cambon LPO (Brest)/IE ROMS, ROMS_OASIS_WRF Katerina Goubanova kgouban CEAZA/Post Doc WRF, ROMS_OASIS_WRF Orlando Astudillo oastudi LEGOS/Thésitif WRF, ROMS, ROMS_OASIS_WRF Kobi Mosquera LEGOS/Thésitif ROMS Oscar Vergara A créer sur EOS LEGOS/Thésitif ROMS Marcel Ramos A créer sur EOS Chercheur CEAZA ROMS 1

1) Résumé Le projet s'inscrit dans la continuité de la demande 2014 qui s'articulait autour de 2 axes. Un premier axe technique qui concernait les développements informatiques associés aux simulations couplées océan/atmosphère (ROMS_OASIS_WRF) et un second axe se focalisait sur les applications géophysiques avec deux chantiers d études : les côtes Pérou/Chili et le Pacifique équatorial. En 2015 nous nous recentrons sur le second axe ayant mis au point nos configurations de modèles. Nous souhaitons réaliser des simulations dites «longues», c'est-à-dire couvrant plusieurs décennies pour chacune des configurations développées, prolongeant nos travaux du second semestre 2014. Ces travaux s inscrivent dans le cadre de trois thèses du LEGOS (Oscar Vergara, Orlando Astudillo et Kobi Mosquera), d une collaboration avec le Centre de Recherche Avancée en Zones Arides (CEAZA) au Chili et d un projet CNES (projet Modokalt). Nous estimons nos besoins comparables à ceux du second semestre 2014 et sollicitons un quota de 420000 heures pour le premier semestre 2015. Abstract: This project is the continuation of activities carried out within the project n 1044 focusing now on modeling activities dedicated to the study of the Peru/Chile current system dynamics and the equatorial Pacific dynamics associated to the El Niño phenomenon. During the second semester of 2014, we completed technical developments on a newly designed code based on the coupling between the oceanic model ROMS and the atmospheric model WRF using the OASIS-MCT coupler developed by CERFACS. We are now able to carry out so-called long term simulations with the different configurations corresponding to the different regions of interest (tropical Pacific and Peru/Chile upwelling system). This is motivated by research activities within the PhD thesis of three LEGOS students (Orlando Astudillo, Oscar Vergara and Kobi Mosquera), collaboration with the Center of Advance Studies in Arid Zones (CEAZA) in Chile and a CNES Project (Modokalt). Our needs for the second semester of 2015 are estimated to 420000h, which is an amount comparable to the previous demand. Rapport 2014: a) Développement de la plateforme de modélisation couplée ROMS_OASIS_WRF (S. Illig, K. Goubanova, G. Cambon, B. Dewitte) 2

Ce volet a concerné les travaux de développement autour du code communautaire ROMS_OASIS-MCT_WRF. Cet outil nouveau dans la communauté nécessite la mise au point de scripts pour différents aspects : gestion des entrées/sorties, compilation et optimisation des codes, soumission et exécution des simulations couplées, parallélisation et test de performances et enfin réalisation d'expériences spécifiques. Ces développements ont été en premier lieux réalisés sur des PC linux muti-processeurs et ont été validés sur des configurations "lourdes" avec un grand nombre de processeurs. En particulier une configuration «2-ways» de la région du Pacifique Tropical Est (façade Péruvienne et Equatorienne) a été testée sur hyperion (cf. Figure 1) et des analyses préliminaires de la simulation ont été effectuée. Le transfert du code sur le calculateur EOS a aussi été effectué mais nous nous heurtons encore à des problèmes techniques qui devront être résolu en 2015. Figure 1 : Domaine du modèle couplé océanatmosphère ROMS_OASIS-MCT_WRF. La carte montre la température simulée par le modèle au 8 octobre 2008. Les losanges rouges et ronds verts indiquent la position des stations de mesures (océanique et atmosphérique respectivement) durant la campagne AMOP et qui serviront pour la validation du modèle. b) Simulations longues océaniques (ROMS) dans la région Chili-Pérou (B. Dewitte, S. Illig, K. Goubanova, O. Vergara, O. Astudillo, M. Ramos) En 2014 nous avons poursuivi l étude de l'influence de la variabilité équatoriale sur l'upwelling du Pérou/Chili sur la base des configurations au 1/6 et 1/12. Une étude a en particulier été finalisée sur la base de la configuration au 1/6 (Illig et al., 2014). Nous prolongeons ce travail sur la base des simulations au 1/12 qui s étendent sur une période plus importante (1958-2008). Nous avons aussi commencé un travail d actualisation de nos simulations pour la période récente en utilisant comme forçage aux frontières océaniques les 3

réanalyses Mercator (au lieu des données SODA initialement utilisées). Ceci nous a amené à réaliser de nouvelles simulations longues (1989 2014) qui ont nécessité de nouveaux tests de sensibilités aux forçages atmosphériques, en particulier nous avons évalué la sensibilité aux flux (chaleur et moment) ERAinterim par rapport aux produits downscallés développés dans l équipe (Goubanova et al, 2011, Dewitte et al, 2012, Cambon et al, 2013). Un travail d adaptation des codes de pré-processing des données Mercator a aussi été réalisé afin de gérer la grille verticale particulière de la nouvelle analyse Mercator. Des simulations longues sur la période 1989-2014 sont prévues avec la configuration aux 1/12 (config. PCCC12) en 2015. Ce volet du projet bénéficie de collaborations historiques avec les partenaires sud-américains (IGP au Pérou, Université de Concepción et CEAZA au Chili) avec qui il est envisagé d'analyser et valider les simulations réalisées à partir des observations disponibles. Dans le cadre de la thèse d Oscar Vergara, nous avons poursuivi l analyse de simulation longues (PCCC12) réalisées en 2013 (Vergara et al., 2014). Les résultats obtenus ont motivés la réalisation de nouvelles simulations dédiées qui seront effectués en 2015 sur EOS. c) Simulations longues couplées (ROMS_OASIS-MCT_WRF) dans le Pacifique Sud-Est (K. Goubanova, S. Illig, B. Dewitte) Ce volet du projet n a pu être réalisé étant donné le travail plus important que prévu pour développer et affiner («tuner») la platforme couplée océanatmosphère (voir a). Néanmoins de nombreux tests en mode forcé avec le modèle WRF ont été réalisé, lesquels ont permis de sélectionner le jeux de paramétrisations (paramétrisations de la convection et des nuages dans WRF) optimales pour la région (Goubanova et al., 2014 ; cf. figure 2). Nous serons en mesure de réaliser les simulations longues prévues dés que les problèmes de transfert du code sur EOS seront résolus. Figure 2: (a) Mean October 2008 observed MODIS total cloud fraction (CF) (color, %) and CSUorUWisc total column cloud liquid water path (LWP) (contour, g/m²). The black circles show two 4

fixed stations during the VOCALS-REX cruise (Wood et al., 2011), at 85 W,20 S (Stratus bouy location) and 75 W,20 S. (b) and (c): Mean downward shortwave radiation at surface (SW, W/m²) versus mean liquid water path (LWP, g/m²) in October 2008 for 25 WRF simulations using different PBL and CU parametrizations at 85 W,20 S and 75 W,20 S, respectively. The observations come from the ISCCP for shortwave and from SUorUWisc datasets for LWP. Small plus signs show the observed monthly values for the months of September, October and November over 2002-2009; black plus sign indicates October 2008. Encircled plus sign indicate 2-days observational data from the VOCALS-Rex cruise on the 25-26 (30-31) October 2008 for 85.5 W (75.5 W) (Adapted from Goubanova et al. (2014)). d) Simulations atmosphériques (WRF) et couplées (ROMS_OASIS_WRF) de la région du Chili central (O. Astudillo, B. Dewitte, M. Mallet (LA), S. Illig) : Ce volet du projet s'inscrit dans le cadre d'une thèse qui a débuté au LEGOS en 2013 sur l étude de la circulation atmosphérique méso-échelle dans la région côtière du Chili central. Plus spécifiquement, ce travail s'intéresse aux processus océaniques influençant la couche limite atmosphérique dans une frange côtière d'environ 50km dans laquelle les vents favorables à l'upwelling tendent à diminuer fortement (zone appelée en anglais «wind drop-off zone»). Ce gradient cross-shore de tension de vent a un impact direct sur la dynamique de l'upwelling et constitue un paramètre clef de l'interaction entre l'océan et l'atmosphère. Ceci doit être appréhendé sur la base de simulations atmosphériques forcées et de simulations couplées à haute-résolution (~3 km) dans la région du Chili central. En 2014, des simulations atmosphériques (code WRF) ont été réalisée en mode d'emboitements avec un domaine parent à 50km de résolution qui s'étend sur l'ensemble du Pacifique Sud-Est, et deux domaines enfants (12km, 3km) centrés sur la région de Coquimbo (30 S). L analyse de ces simulations est en cours avec comme objectifs de caractériser et valider le «drop off» du vent (Astudillo et al., 2014). Nous avons aussi avancé sur la configuration du modèle océanique pour la région de Coquimbo, qui sera couplé au modèle atmosphérique. Ces travaux de couplage et de test seront réalisés en 2015. e) Simulations océaniques (ROMS) dans le Pacifique tropical (B. Dewitte, S. Illig, K. Mosquera) Une configuration ROMS du Pacifique tropical a été développée dans le cadre de la thèse de Kobi Mosquera (soutenance prévue en Mai 2015). Cette configuration utilise des conditions aux frontières issues des analyses Mercator et est forcée en surface par la Réanalyse atmopshérique ERA_Interim disponible en temps quasi-réel. Durant le second semestre 2014, nous avons réalisé une série de tests de sensibilité aux dimensions du domaine (en particulier à la position de la frontière ouest du domaine ou la topographie tourmentée a un impact fort sur la circulation simulée) et avons actualisé nos codes pour prendre en compte la 5

dernière «mouture» des analyses Mercator. Nous sommes parvenus à une configuration très réaliste qui nous a permis en particulier d étudier le développement du El Niño 2014 (Dewitte et al. 2014). Dans la configuration actuelle (nommée TROPPAC) le modèle ROMS simule les anomalies du niveau de la mer de façon très réaliste (cf. figure 3) permettant d utiliser cette configuration pour des tests de sensibilité au forçage. Figure 3 : Anomalies du niveau de la mer observées par satellite (gauche) et simulé par le modèle ROMS (droite) sur la période de développement du El Niño 2014. Nous avons aussi durant l année 2014 développé des diagnostiques pour l étude des événements El Niño de type Modoki (c'est-à-dire des événements qui se développent dans le centre du Pacifique et caractérisés par une forte activité intrasaisonnière) (cf. Mosquera et al., 2014). Ces diagnostiques seront appliqués aux simulations que nous souhaitons faire en 2015 qui doivent couvrir la période 2000-2014. En particulier nous voulons quantifier les processus de dissipation de l'onde de Kelvin intra-saisonnière associée aux variations zonales de stratification dans le Pacifique oriental. Plusieurs simulations de sensibilité à l'intensité des alizés sont planifiées afin d'évaluer les caractéristiques du processus (i.e. le caractère non-linéaire) de dissipation de l'onde de Kelvin lors de son voyage de l'ouest vers l'est du basin. Publications : 6

Goubanova K., K. Takahashi, S. Illig and B. Segura, 2014: Evaluating the performance of a WRF physics ensemble in representing east Pacific Stratus Deck/Cold Tongue/ITCZ Complex, to be submitted to Climate Dynamics. (CALMIP) Illig S., B. Dewitte, K. Goubanova, G. Cambon, J. Boucharel, C. Romero, S. Purca, F. Monetti and R. Flores, 2014: Intraseasonal SST variability off Peru in 2000-2008: local versus remote forcings. J. Geophys. Res.-Oceans, in press. (CALMIP) Mosquera, K., B. Dewitte, S. illig, K. Takahashi and G. Garric, 2013: The 2002/03 El Niño: Equatorial wave sequence and their impact on Sea Surface Temperature. J. Geophys. Res.-Oceans, vol. 118, 1-12. Mosquera K., B. Dewitte and S. Illig, 2014: The Central Pacific El Niño intraseasonal equatorial Kelvin wave. J. Geophys. Res.-Oceans, in press Cambon G., Goubanova, K.,, Marchesiello, P., Dewitte, B.,, S. Illig and Echevin, V.: Assessing the impact of downscaled winds on a regional ocean model simulation of the Humboldt system. Ocean Modelling, vol. 65, 11 24, doi:10.1016/j.ocemod.2013.01.007(calmip) Dewitte B., J. Vazquez-Cuervo, K. Goubanova, S. Illig, K. Takahashi, G. Cambon, S. Purca, D. Correa, D. Gutierrez, A. Sifeddine and L. Ortlieb, 2012: Change in El Niño flavours over 1958-2008: Implications for the long-term trend of the upwelling off Peru. Deep Sea Research II, doi:10.1016/j.dsr2.2012.04.011. (CALMIP) Conférences : Astudillo O., B. Dewitte, F. Frappart, M. Ramos, L. Bravo, K. Goubanova, J. Vazquez and J. Rutllant, 2014: Near-shore surface winds along the coast of Peru/Chile as derived from altimetry (Poster) - OSTST meeting: New frontier of altimetry, Lake Constance, germany, 27-31 october, 2014 (CALMIP) Goubanova K. and K. Takahashi, 2014: Strong sensitivity to parametrization schemes in simulations of the vertical motion in the Eastern Pacific ITCZ during El Niño 97/98 with the WRF model, III International Conference on ENSO Bridging the gaps between Global ENSO Science and regional processes, extremes and impacts, 12-14 November 2014, Guayaquil, Ecuador (CALMIP) Dewitte B., K. Mosquera, K. Takahashi, S. Illig, M. Liévin, G. Garric and C. Bricaut, 2014: Equatorial waves during the 2014 El Niño (Talk). III International Conference on ENSO Bridging the gaps between Global ENSO Science and 7

regional processes, extremes and impacts, 12-14 November 2014, Guayaquil, Ecuador (CALMIP) Vergara O., B. Dewitte, M. Ramos and O. Pizarro: Subthermocline ENSO variability in the South Eastern Pacific (Poster). III International Conference on ENSO Bridging the gaps between Global ENSO Science and regional processes, extremes and impacts, 12-14 November 2014, Guayaquil, Ecuador. (CALMIP) Thèses: Oscar Vergara: Ventilation of the oceanic circulation in the Southeast Pacific by mesoscale activity and Rossby waves at interannual to decadal timescales: ENSO teleconnections and its evolution in a warmer climate (Dir.: Boris Dewitte) Orando Astudillo: Rôle des interactions air-mer-continent sur la dynamique de la couche limite atmosphérique dans la region du Chili central (Dir.: Boris Dewitte et Marc Mallet (LA)) Kobi Moquera: Intraseasonal variability and Central Pacific El Niño events (Dir: Boris Dewitte et Séréna Illig) Algorithmes : Différences finies, schémas numériques d ordre de précision élevé, time-splitting, parallélisme explicite (tiling), bibliothèque de nesting AGRIF (Adaptative Grid Refinement in Fortan, Debreu et al), coupleur océan-atmosphère (OASIS_MCT developpé au CERFACS). 8