Améliorations du schéma de nuage et de EDKF dans AROME/MésoNH

Améliorations du schéma de nuage et de EDKF dans AROME/MésoNH Sébastien Riette Météo-France CNRM/GMME Réunion des utilisateurs de Méso-NH, 13 et 14 octobre 2011

Les composantes du schéma de nuage d'arome et de Méso-NH Motivations : Nébulosité trop «tout ou rien» (en cas stables et en convection peu profonde) Dans les versions opérationnelles et double actuelle d'arome, l'ajustement et le calcul des nébulosités sous-mailles sont imbriqués ce qui en complique la compréhension Mise en pratique des travaux théoriques réalisés par Perraud et al. (double gaussienne avec un mode pour l'environnement et un pour la convection peu profonde) Dans ma version de travail ces différentes contributions sont séparées : «Tout ou rien» : Rv Rc, Ri Sous-maille : 2 Turbulence (par l'intermédiaire d'un écart-type représentant la variabilité sous-maille) Variabilité sous-maille «de fond» (écart-type supplémentaire ajouté à celui de la turbulence) Convection peu profonde (plusieurs options)

Tout ou rien 3

«Tout ou rien» Plusieurs ajustements sont disponibles : Appel à l'algorithme de condensation sous-maille en lui donnant un écarttype nul Langlois (déjà codé) Utilisation de la routine d'ajustement utilisée dans la convection peu-profonde Nouvelle routine d'ajustement utilisant le minimum d'approximations Comparaisons Les trois dernières méthodes d'ajustements fournissent (après diverses corrections et améliorations) les mêmes résultats (référence) Comparaison entre le premier et les autres : Autres routines (référence) 4

«Tout ou rien» Plusieurs ajustements sont disponibles : Comparaisons 5 Appel à l'algorithme de condensation sous-maille en lui donnant un écarttype nul Langlois (déjà codé) Utilisation de la routine d'ajustement utilisée dans la convection peu-profonde Nouvelle routine d'ajustement utilisant le minimum d'approximations Les trois dernières méthodes d'ajustements fournissent (après diverses corrections et améliorations) les mêmes résultats (référence) Comparaison entre le premier et les autres : Condensation sous-maille σ=0 avec le seuil de 10-6 : Si (Rc+Ri<10-6) : Rc=0 ; Ri=0 CF=0 Autres routines (référence)

«Tout ou rien» Plusieurs ajustements sont disponibles : Comparaisons 6 Appel à l'algorithme de condensation sous-maille en lui donnant un écarttype nul Langlois (déjà codé) Utilisation de la routine d'ajustement utilisée dans la convection peu-profonde Nouvelle routine d'ajustement utilisant le minimum d'approximations Les trois dernières méthodes d'ajustements fournissent (après diverses corrections et améliorations) les mêmes résultats (référence) Comparaison entre le premier et les autres : Condensation sous-maille σ=0 avec le seuil de 10-6 : Si (Rc+Ri<10-6) : Rc=0 ; Ri=0 CF=0 Autres routines (référence) Condensation sous-maille σ=0 avec le seuil 10-12 : Si (Rc+Ri<10-12) : Rc=0 ; Ri=0 CF=0

Turbulence et variabilité de fond 7

Sous-maille : turbulence et variabilité de fond AROME opérationnel : très peu de nuages sous-mailles AROME double : ajout d'une variabilité supplémentaire (basée sur une humidité critique) pour compenser mais toujours très peu de nébulosité entre 0 et 0.5 : bonne appréciation subjective des prévis La modification des seuils dans la routine d'ajustement/condensation sousmaille a un impact : Avant modification des seuils, avec le terme de variabilité supplémentaire. 8

Sous-maille : turbulence et variabilité de fond AROME opérationnel : très peu de nuages sous-mailles AROME double : ajout d'une variabilité supplémentaire (basée sur une humidité critique) pour compenser mais toujours très peu de nébulosité entre 0 et 0.5 : bonne appréciation subjective des prévis La modification des seuils dans la routine d'ajustement/condensation sousmaille a un impact : Avant modification des seuils, avec le terme de variabilité supplémentaire. 9 Après modification des seuils, sans le terme de variabilité supplémentaire.

Convection peu profonde 10

Convection peu profonde 9 avril 2010 à 12h Version en double 11 opérationnel

Convection peu profonde 9 avril 2010 à 12h Version en double 12 opérationnel + Ajout de la glace

Convection peu profonde 9 avril 2010 à 12h Version en double 13 opérationnel + Ajout de la glace + Correction dans l'utilisation du guess

Convection peu profonde 9 avril 2010 à 12h Version en double 14 opérationnel + Ajout de la glace + Correction dans + Convergence l'utilisation du guess

Comparaisons entraînement/détraînement Différents schémas de convection peu profonde : EDKF (Pergaud et al, 2009) : utilisé en opérationnel EDMFm, utilisé dans HARMONIE au KNMI (Pays-Bas) EDKF avec entraînement/détraînement de Rio et al., 2010, à mettre en place EDKF corrigé EDMFm Schéma de nuage statistique 15

Sous-maille : convection peu profonde Différents schémas de nuage sont codés : 16 Direct «Direct» : utilisation directe des valeurs calculées dans l'updraft (multipliées par un coefficient, Pergaud et al, 2009) «Statistique» : fourniture d'un écarttype que l'on ajoute à celui de la turbulence «Bi-gaussien» : utilisation d'une PDF bi-gaussienne (codage de la PDF proposée par Perraud et al.) Statistique Bi-gaussien

Évaluation des différentes configurations Scores de température sur une période de 40 jours en avril/mai 2011 par rapport aux radiosondages Biais EQM EDKF version opérationnelle, schéma direct EDKF corrigé, schéma statistique EDKF corrigé, schéma direct EDKF corrigé, schéma bi-gaussien 17 Même comportement sur l'humidité Faible impact sur les observations de surface => Besoin d'utiliser d'autres diagnostiques

Bilan Tout ou rien Turbulence et variabilité de fond Augmentation de la nébulosité sous maille (toutes les valeurs entre 0 et 1 sont représentées) Que faut-il faire du terme de variabilité supplémentaire (plus forcément utile car il compensait le défaut corrigé)? Suppression, réévaluation? Convection peu profonde 18 Bonne confiance dans les schémas de condensation «tout ou rien» puisqu'ils donnent tous la même solution Le schéma de convection EDKF corrigé fournit une solution proche de celle donnée par EDMF (KNMI) et par les images satellite L'utilisation d'une double gaussienne pour le schéma de nuage semble être justifiée Le schéma de nuage associé devra être réglé plus finement

Perspectives Nettoyage, phasage ; l'objectif est d'entrer ces modifications dans la prochaine chaîne en double (courant septembre) Regarder comment effectuer la sommation des contributions sous-mailles (avec ou sans recouvrement?) Regarder la transition de la convection peu profonde à la convection résolue Tester la sensibilité des schémas de nuage à leurs paramètres de réglage : Entraînement/détraînement de Rio et al. Utilisation ou développement de scores : 19 schémas de nuage de la convection peu profonde calcul de la fraction de glace entre 0 C et -20 C ou entre 0 C et -40 C Flux solaire incident trop important dans la version opérationnelle Scores utilisant les images satellites prévues Comparaison à une base de données sur les nuages : CLOUDNET Comparaison aux observations de Cabauw et/ou du SIRTA Donner la dernière version au KNMI pour profiter de leur «test-bed»

Fin

Different cloud schemes : DIRE 'DIRE': Cloud fraction and Rc/Ri are diagnosed directly from updraft variables. (Pergaud et al, 2009) M CF =2.75 w CF = XKCF CF up Rc=CF Rc up Ri=CF Ri up XKCF =2.75 21

Different cloud schemes : STAT 'STAT': A variance is diagnosed from updraft variables to be used with the same PDF as the one used in the adjustment process. (Chaboureau et al, 2005) 22

Different cloud schemes : bi-gaussian 'STA2': New parametrisation. A variance is diagnosed from updraft variables to be used with an other (new) PDF. This way we use a double-gaussian PDF with one mode for the environment and one for shallow convection. (Perraud et al, 2011) 23

Double-gaussian PDF Environnement Thermique PDF = (1-aup). Genv + aup. Gup 24

Cloud scheme: STA2 (Perraud et al, 2011) 2 PDF x,, 1 e 2 x 2 2 x= up up up t CF r sat T, r, up up t PDF x, r, dx CF =CF up up x=r sat T x= r c up r sat T up, r tup, x r sat T up PDF x, r up t, dx Rc=r c up up up x =r sat T Lenderink et Siebesma, 2000 env 1/ 3 g M up up v v = dz env cloud XALPHA=2 XSIGMA=20 25 up = 2= M XALPHA up env M r up r t t r env t l cloud z XSIGMA up

STA2 cloud scheme XALPHA_MF sensitivity XALPHA_MF=1 26 XALPHA_MF=2 XALPHA_MF=4