Presentation de P.Peyrille

Paramétrisation de la vitesse verticale de
grande échelle:
comparaison entre modèles 1D et CRM
P. Peyrillé, G. Bellon, F. Ferry, JP. Lafore
Ateliers de Modélisation de l’Atmosphere, 19-23 Janvier 2015
Conseil d’Administration du 30 juin 2006
Contexte
 Interaction entre dynamique de grande échelle et les processus “humides” est au
coeur de nombreux éléments du climat tropical (ou variabilité) : ITCZ, MJO, Walker
 Les modèles de climats (GCM) actuels reproduisent difficilement ces éléments du
climat tropical
 Les rétroactions avec la dynamique amplifient souvent les biais introduits par les
paramétrisations (Hung et al 2013, Hwang et Frierson 2014, Oueslati et Bellon 2014)
-
Cadres d’étude (développement) les plus fréquents: 1D, sans rétroaction de la
grande échelle (Robe and Emanuel 1996; Tompkins 2001; Xu et al. 2002; Petch
et al. 2006)
Peu d’études et de méthodologie pour évaluer cette rétroaction dans les GCM
 Nécessité d’avoir un cadre d’évaluation des paramétrisations incluant l’interaction
avec la grande échelle
 GASS-WTG / projet EMBRACE : Deux représentations de la grande échelle sont
testées dans des modèles 1D et des modèles 3D à haute résolution (CRM)
Conseil d’Administration du 30 juin 2006
Plan
I Représentations de la vitesse verticale
de grande échélle
II Premiers résultats d’inter-comparaison
III Conclusions
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Weak temperature gradient (WTG)
Bretherton et Sobel (2000), Raymond (2007)
 Observation de départ: Sur une grande part des Tropiques, les gradients
horizontaux de temperature sont faibles dans la troposphère libre
 Homogénéisation de la temperature par les ondes de gravité
 WTG strict:
Etat de référence dans la troposphère libre :
W diagnostiquée à partir de l’équation de l’énergie:
Chauffage  ascendance
Refroidissement  subsidence
Equilibre local entre WWTG et l’écart à l’état de référence
 WTG “relaxé”:
Plus chaud que l’état de référence  ascendance
Plus froid que l’état de référence  subsidence
En dessous d’une couche limite nominale (fixée), WWTG  0
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Damped gravity wave (DGW)
Kuang (2008)
 Determination de WDGW à partir des equations de quantité de mouvement pour une
onde de gravité linéaire amortie (sans rotation)
Réponse non locale à (Tv-Tvr)
Plus chaud que l’état de référence  convergence en bas
divergence en haut
Plus froid que l’état de référence  divergence en bas
convergence en haut
 Tvr , qvr: profil de référence provenant de l’Equilibre Radiatif-Convectif (RCE) ou d’une
moyenne de simulations 3D
 W (DGW ou WTG) obtenue est utilisée pour :
Advection d’humidité, d’énergie, (de quantité de mouvement)
Transport horizontal de l’état de référence par le vent non-divergent
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Cadre de travail
 GASS-WTG: intercomparaison des cadres WTG/ DGW dans des CRM et modèles 1D

EMBRACE: projet européen en cours sur évaluation/amélioration des GCM à travers leur
physiques
Partie prenante de GASS-WTG et cadre de comparaison commun
 Cadre d’intercomparaison: Cas océanique (Warm pool) avec DGW et WTG
-
Rayonnement fixé à -1,5 K/j dans la troposphere
Profil de référence tiré d’un RCE à SST=300K (pour chaque modèle)
Pas de rotation, pas de cycle diurne, vent horizontaux relaxés (5 m/s)
SST : 298, 300, 302
Humidité relativie initiale: RCE, 0%, 90%
Simulation à l’équilibre (50 jours pour CRM, 300 jours pour modèles 1D)
 Modèles participants à EMBRACE:
CRM 3D: Meso-NH, dx=dy=3km, domaine 150km x 150 km ~1 maille de GCM
Modèles 1D:
CNRM-CM v5 , CNRM-CM v6, LMDZA, LMDZB
GASS: 6 autres modèles 1D, WRF (3D), 3 CRM (2D) mais domaine et résolution
différentes (3km => 500m)
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Plan
I Représentations de la vitesse verticale de
grande échélle
II Premiers résultats d’inter-comparaison
III Conclusions
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Exemple d’équilibre WTG vs RCE
Tendance de température , « physique » autre que rayonnement
Tendance de température (K.j)
RCE: refroidissement radiatif ~chauffage diabatique
WTG/DGW: refroidissement radiatif + chauffage diabatique ~ advection
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Précipitation vs SST
REF 3D: MesoNH
Tref, qref: RCE, SST= 300K
Variations SST=298,300,302K
•
•
•
Augmentation des pluies avec la SST décrite dans tous les modèles
CNRM CM5: pas de régime sec, augmentation linéaire des pluies vs SST
LMDZ semble plus proche de mesoNH
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Vitesse verticale (ω)
WTG
REF 3D: MesoNH
DGWDGW
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Fraction nuageuse
REF 3D: MesoNH
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Stabilité du RCE vs DGW / WTG
Courtesy C. Daleu et al., GASS
Pluies RCE (RRRCE) à SST=300K, mm/jour
CRM 2D,3D
1D
Rapport RRWTG/ RRRCE
CRM 2D,3D
1D
WTG
DGW
 CRM 3D (WRF, MesoNH) ont des équilibre stables en DGW, WTG, moins vrai en 2D
 Modèles 1D: => grande variabilité des RCE, et de leur stabilité
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Conclusions
 Cadre d’intercomparaison de modèle 1D avec représentation de l’interaction vitesse
verticale – diabatisme
 cadre peu couteux et efficace pour étudier le 1er ordre d’interaction entre
dynamique et physique humide

Comparaison aux CRM 3D: Fournit une référence pour le développement de
modèles/paramétrisation

Résultats de l’intercomparaison:
- Nouvelles versions des modèles 1D se comportent mieux
- Biais persistents: représentation des nuages
- GASS:
- Equilibre obtenus en CRM 3D et moinde mesure 2D sont consistents
- Forte variabilité entre modèle 1D
 Perspectives:
EMBRACE: Simulation DGW/WTG avec rayonnement interactif  impact des nuages
GASS: exploration sensibilité à l’humidité initiale et SST (équilibre multiple)
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