LE COUPLAGE AVEC L OCEAN J.F. Guérémy CNRM/GMGEC
Généralités Les modèles d atmosphère et d océan sont exécutés en parallèle. A chaque pas temporel de couplage, ils échangent des champs (TSM, fraction de glace et courants en provenance de l océan; flux énergétiques, hydrologiques et de quantité de mouvement en provenance de l atmosphère). L échange des champs est assuré par le coupleur qui gère la communication informatique entre les modèles d atmosphère et d océan, et les interpolations horizontales d une grille à l autre.
Schéma de fonctionnement du couplé (<TSM>t --,t) A atmosphère (<F a >t -,t + ) A (<TSM>t -,t + ) A (<F a >t --,t) O océan (<TSM>t -,t + ) O coupleur (<F a >t -,t + ) O t t +
Le modèle d océan NEMO V2-3 (Nucleus for European Modelling of the Ocean) incluant des modèles d océan (OPA9, IPSL), de glace (LIM, U. Louvain) et de biogéochimie (TOP,IPSL). http://www.locean-ipsl.upmc.fr/nemo/ Madec G. 2008: "NEMO reference manual, ocean dynamics component: NEMO-OPA preliminary version". Note du Pole de modélisation, Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL), France, No 27 ISSN No 1288-1619.
Les équations du modèle d océan Equations de Navier-Stokes (quantité de mouvement, température et salinité) avec les hypothèses d hydrostatisme, d incompressibilité et de Boussinesq (variations de densité négligées sauf dans la flottabilité); équation d état reliant température et salinité à la quantité de mouvement au travers de la densité. D représente les paramétrisations des effets sous-maille et F les flux à la surface
Les conditions limites Continent - océan: flux d eau des fleuves. Terre solide - océan: flux géothermique, flux turbulent de quantité de mouvement, et à l échelle résolue Atmosphère - océan: flux turbulents d énergie et de quantité de mouvement, et à l échelle résolue Glace de mer - océan: échange de chaleur, sel, eau douce et quantité de mouvement
Le gradient horizontal de pression La pression est égale à la pression de surface + pression hydrostatique 2 options sont possibles pour la pression de surface: - Toit rigide: le gradient de pression est diagnostiqué sur la surface z=0, les ondes de gravité externes ne sont pas représentées et la vitesse des ondes de Rossby est altérée. - Surface libre: la hauteur de la surface de la mer devient alors une variable pronostique: avec En mode climat, une version linéarisée de cette équation est traitée pour filtrer les ondes de gravité externes rapides (clef de compilation key_dynspg_flt).
Paramétrisations physiques - Sur la verticale: les flux dépendent linéairement des gradients, et la diffusion résultante est du second ordre: - Sur l horizontale: pour des configurations ne résolvant pas les tourbillons, les flux dépendent linéairement des gradients, et la diffusion résultante est du second ordre sur des surfaces géopotentielles (ou mieux iso-neutralité, impliquant 3 composantes pour l opérateur de diffusion); une paramétrisation de l effet de la turbulence induite par les tourbillons de méso-échelle est prise en compte pour la température et la salinité (réduction de l énergie potentielle, clef de compilation key_traldf_eiv). Coefficients de diffusion dans fichier ahmcoef
Discrétisation - Grille spatiale: «T» pour T,S,p,rho et div «f» pour le tourbillon Fichiers coordinates.nc et bathy_meter.nc - Niveau de fond: (a) «full step» (b) «partial step» Namelist nam_zgr
Masque terre-mer ORCA2 (182,149,31) d-lon=2, d-lat=0.5 à 2
Discrétisation temporelle - Schéma «saute-mouton»: - Schéma d Euler avant pour les termes diffusifs (diffusion verticale), avec «time-splitting» (namelist ln_zdfexp).
Traceurs océaniques - Advection: plusieurs schémas disponibles selon la méthode d interpolation spatiale utilisée pour évaluer la valeur du traceur sur les grilles de la dynamique (namelist nam_traadv). - Diffusion latérale: type de diffusion (ordre2 ou 4) et direction d action dans namelist nam_traldf. - Diffusion verticale: diffusion d ordre 2 avec choix techniques dans namelist namzdf. - Forçage à la surface: le forçage est égal au flux à la surface divisé par l épaisseur de la première couche; pour la température, le flux de chaleur non solaire est pris en compte, le flux solaire pénétrant les premières couches de l océan (ln_traqsr) - Forçage au fond: flux géothermique (clef de compilation key_trabbc) et diffusion turbulente (clef de compilation key_trabbl_dif)
Dynamique océanique - Advection: forme vecteur, ou flux avec 2 schémas disponibles (namelist nam_dynadv). - Diffusion latérale: type de diffusion (ordre2 ou 4) et direction d action dans namelist nam_dynldf. - Diffusion verticale: diffusion d ordre 2 avec choix techniques dans namelist namzdf. - Forçage à la surface: le flux à la surface est égal à la tension de vent divisée par rho - Forçage au fond: flux de frottement (namelist nambfr)
Physique océanique (sur la verticale) Cette partie concerne les différents schémas de calculs des coefficients de diffusion verticale. - Coefficients constants (clef de compilation key_zdfcst et namelist namzdf) - Coefficients dépendants de «Ri» (clef de compilation key_zdfric et namelist namric) - Coefficients fonction de l énergie cinétique turbulente (ECT, clef de compilation key_zdftke et namelist namtke). L ECT est obtenue par la résolution de son équation d évolution temporelle. Les longueurs de mélange ont le profil suivant:
Physique océanique (sur la verticale) - Coefficients issus du schéma KPP, K Profile Parametrisation (Large et al. 1994, clef de compilation key_zdfkpp et namelist namkpp) Convection: elle est traitée en affectant une valeur très élevée aux coefficients de diffusion turbulente en présence d instabilité verticale (clef de compilation key_zdfevd et namelist namevd). Mélange par double diffusion: cette situation se rencontre lorsque l océan présente un profil vertical instable soit pour la température, soit pour la salinité; des coefficients de mélange diapycnal sont calculés fonction du rapport entre le gradient vertical de T et de S (clef de compilation key_zdfddm et namelist namddm).
Le coupleur OASIS V3 (CERFACS) http://www.cerfacs.fr/globc/software/oasis/ S. Valcke, 2006: OASIS3 User Guide (prism_2-5). PRISM Support Initiative No 3, 68 pp.
Le principe du coupleur Le coupleur prend en charge, à chaque pas de temps de couplage, la communication entre les modèles d atmosphère et d océan (technique MPI1) et les interpolations des champs échangés (moyennés sur le pas de temps de couplage) d une grille à l autre. Le coupleur traite la TSM, la fraction de glace, l albédo océanique, les courants (pour le calcul des tensions de vent) en provenance de l océan et les tensions de vent, les flux énergétiques et hydrologiques en provenance de l atmosphère.
La namelist du coupleur (namcouple) # OCEAN --->>> ATMOS # -------------------- # Field 1 : sea surface temperature SOSSTSST SISUTESU 1 86400 6 fldo1.nc EXPORTED torc bt42 LAG=+5760 P 2 P 0 CHECKIN MASK EXTRAP SCRIPR BLASNEW CHECKOUT INT=1 999.999 NINENN 2 1 1 GAUSWGT LR SCALAR LATLON 10 4 2. 1. 1 CONSTANT 273.15 INT=1 #
La namelist du coupleur (namcouple) # ATMOSPHERE --->>> OCEAN # ------------------------- # Field 4 : zonal wind stress -> ugrid COZOTAUX SOZOTAUX 23 86400 3 flda1.nc EXPORTED bt42 uorc LAG=+1800 P 0 P 2 CHECKIN SCRIPR CHECKOUT INT=1 BICUBIC D SCALAR LATITUDE 10 INT=1 #
Le script du couplé Le script du couplé diffère du forcé par: - Les «namelist»: en plus de celle de l océan (namelist) et de celle du coupleur (namcouple), celle de l atmosphère (fort.4) doit être modifiée (NAMMCC): LMMC03 mis à "true" pour une simulation couplée, NFRCPL à la féquence de couplage en pas de temps, NOACOMM à 5 pour une communication MPI1, LCURR à "true" pour prendre en compte les courants dans le calcul des tensions de vent and LGELATO à "false" pour le plus simple «modèle» de glace (glace si TSM < température de gel - fonction de la salinité -). - Les «restart»: en plus de celui de l atmosphère, il nous faut un restart d océan (obtenu par intégration forcée) et 2 restart pour le coupleur celui pour l océan et celui pour l atmosphère.
Schéma de fonctionnement du couplé (<TSM>t --,t) A atmosphère (<F a >t -,t + ) A (<TSM>t -,t + ) A (<F a >t --,t) O océan (<TSM>t -,t + ) O coupleur (<F a >t -,t + ) O t t +
Le script du couplé - Les «restart»: les restart pour le coupleur sont obtenus par 2 intégrations couplées successives sur 1 pas de couplage, la première partant de flux atmosphériques nuls pour créer le restart pour l océan et la seconde partant avec le restart précédent pour créer le restart pour l atmosphère. TSM du 01/01/1979
Le script du couplé - Les «exécutables»: en plus de celui de l atmosphère, sont fournis les exécutables de l océan (pour la résolution 2 ) et du coupleur. - Les fichiers de diagnostics: en plus de celui de l atmosphère, des fichiers sont générés par le modèle d océan; ce sont des fichiers au format NetCDF contenant un grand nombre de champs moyennés sur la période du pas d intégration (1 mois en général). P-E 01/1979 Salinité à 2500m