ECOLE NATIONALE DE LA METEOROLOGIE

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ECOLE NATIONALE DE LA METEOROLOGIE
Ecole Nationale de la Météorologie
Direction des Etudes
42 avenue Gaspard Coriolis
BP 45712
31057 TOULOUSE cedex 1
ECOLE NATIONALE DE LA METEOROLOGIE
STAGE D'APPROFONDISSEMENT
INGENIEURS DE L'ECOLE NATIONALE DE LA METEOROLOGIE
FICHE DE PROPOSITION DE SUJET
IENM
Thème du sujet :
Dynamique et méthodes numériques des modèles météorologiques.
Titre du sujet proposé :
Développement d'un schéma numérique temporel dans la version compressible du modèle MésoNH
Organisme ou service proposant le sujet :
(nom et adresse précise du laboratoire ou du service où se déroulera le stage et où pourront être adressés
les courriers du responsable principal et de l'élève).
CNRM/GMME/Méso-NH
42, avenue Coriolis
31057 TOULOUSE CEDEX
Responsable(s) scientifique(s) du stage :
Responsable principal (le responsable principal est l'interlocuteur direct de l'Ecole. C'est à lui, en particulier,
que seront adressés les courriers ultérieurs) :
NOM : Lac
Prénom : Christine
Ecole Nationale de la Météorologie
Téléphone : 05.61.07.80.80 - Télécopie : 05.61.07.96.30 - http://www.enm.meteo.fr
Météo-France, Etablissement Public sous la tutelle du ministère chargé des Transports
L'ENM et Météo-France sont certifiés ISO 9001 par Bureau Veritas Certification
téléphone : 05 61 07 98 42
Mél : [email protected]
télécopie : 05 61 07 96 26
Autres responsables :
NOM(S) : Masson
téléphone : 05 61 07 94 64
Prénom(s) : Valéry
télécopie : 05 61 07 96 26
(en cas de classement confidentiel, le responsable de cycle en fixera les limites avec
l’encadrement : possibilité de soutenance orale publique, restriction de la diffusion et
de la consultation du compte-rendu, durée de la confidentialité).
Mél : [email protected]
Le stage peut-il être effectué en "binôme" ?
oui
non (rayer la mention inutile)
L’étude présente-t-elle un caractère de confidentialité ?
non (rayer la mention inutile)
oui (à préciser)
(La notion de confidentialité pourra être révisée en cours de stage).
Possibilités éventuelles de logement sur le lieu du stage :
Résidences Météopole
Les rubriques suivantes doivent être obligatoirement explicitées sur feuille séparée en tenant compte
des recommandations indiquées pour chacune d'elle.
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Téléphone : 05.61.07.80.80 - Télécopie : 05.61.07.96.30 - http://www.enm.meteo.fr
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1) Objectifs scientifiques, techniques poursuivis (une demi-page minimum)
Méso-NH est un modèle atmosphérique utilisé dans la communauté recherche de la modélisation
atmosphérique (http://mesonh.aero.obs-mip.fr). Le système d'équations sur lequel se base le
modèle est actuellement anélastique, basé sur le système d'équations de Durran (1989). Cela
signifie que les équations sont discrétisées autour d'un état de référence hydrostatique
stationnaire, dont la densité est celle de l'air sec et ne varie qu'en fonction de l'altitude. Ce
système a pour effet de filtrer les ondes acoustiques (qui n'ont aucun intérêt météorologique).
Mais il induit la résolution d'une équation elliptique de la pression, réalisée à l'aide d'un solveur qui
présente, en plus de limites en terme de scalabilité sur des machines massivement parallèles, des
difficultés de convergence dans des configurations de relief à très fortes pentes. Ces
configurations seront à l'avenir de plus en plus fréquemment rencontrées, car le modèle est de
plus en plus utilisé à très haute résolution, dite Large Eddy Simulation, avec une surface réelle.
Une autre situation pour laquelle le système anélastique peut présenter des limitations est la
simulation des feux de forêt (Filippi et al., 2009), où les dégagements de chaleur très importants
induisent des variations horizontales de la densité, qui ne peuvent plus être négligées dans l'état
de référence.
Une extension aux équations compressibles a alors été implantée en 2014 (Rodier, 2014), qui
permet de représenter tous les types d'ondes atmosphériques : les ondes acoustiques et de
gravité représentent les modes rapides, alors que les processus d'advection, les ondes de
Rossby, et les effets plus lents des paramétrisations physiques représentent les modes lents. Les
modes rapides imposent un pas de temps très court, et appliquer ce même petit pas de temps à
tous les processus traités par le modèle n'est pas performant numériquement : c'est actuellement
la situation de la version compressible de Méso-NH.
L'objectif du stage est donc précisément de mettre en place une méthode dite de « time-splitting »
qui consiste à limiter l'utilisation du petit pas de temps uniquement aux modes rapides, et à
autoriser un pas de temps plus long pour les processus lents. Différents schémas de time-splitting
ont été proposés et mis en place dans d'autres modèles, comme Wicker et Skamarock (2002)
pour le modèle américain WRF ou Gassmann et Herzog (2006) pour le modèle allemand LM. Il
s'agira donc d'analyser puis d'implanter l'une de ces méthodes, déjà existantes ailleurs, dans
Méso-NH. D'autres parties du code nécessiteront peut-être d'être modifiées, comme la mise en
place de conditions à la limite supérieure radiatives, pour empêcher la réflexion d'ondes et
améliorer la stabilité numérique. Le nouveau système d'équations compressibles sera validé sur
des cas idéalisés d'ondes orographiques et de feux de forêt, puis sur des cas réels de convection
voire de propagation de feux de forêt.
Ce travail s'inscrit dans le projet ANR Firecaster sur la simulation des feux de forêt, accepté en
2016 et débutant au 1er janvier 2017.
Le stagiaire devra avoir des connaissances en analyse numérique, et un goût prononcé pour la
modélisation et les méthodes numériques.
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2) Méthodologie envisagée (une demi-page minimum)
Dans un premier temps, le stagiaire prendra en main le modèle Méso-NH, et fera tourner deux ou
trois cas tests idéalisés (ondes orographiques et feux de forêt). Il examinera le code du modèle, et
notamment les différences entre la version courante anélastique et la version compressible du
code.
Parallèlement il étudiera les 2 ou 3 articles de référence dans la littérature exposant les méthodes
de time-splitting pour les modèles non hydrostatiques.
Il implantera ensuite une ou plusieurs de ces méthodes qu'il évaluera sur les simulations
idéalisées. Les éventuelles difficultés rencontrées pourront l'amener à adapter certaines parties du
code si nécessaire, comme le traitement de la condition à la limite supérieure, actuellement basé
sur une méthode de relaxation.
Une fois validés, ces développements seront testés sur des cas réels, faisant appel à toute la
physique du modèle, comme des cas de convection intense, ou une simulation réelle de
propagation de feux de forêt.
Ces travaux pourront faire l'objet d'une publication.
3) Plan de travail détaillé mois par mois, pour les cinq mois de stage
Premier mois :
 Bibliographie et, en parallèle, prise en main du modèle Méso-NH sur quelques cas
idéalisés existants.
 Travail d’analyse sur les 2 versions anélastique et compressible du code.
Deuxième mois :
 Codage d'une ou de plusieurs méthodes de time-splitting et identification des verrous
éventuels.
Troisième mois :
 Recherche de solutions aux problèmes éventuellement posés et validation de la version
compressible sur les cas idéalisés.
Quatrième mois :
 Évaluation de la version compressible sur des cas réels de convection et de feux de forêt
Cinquième mois :
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

Synthèse des résultats, rédaction du rapport.
Préparation de l’oral.
4) Etat d'avancement actuel des travaux sur le sujet, éventuellement lien avec les autres
activités de recherche au sein du laboratoire
La version compressible de Méso-NH existe dans une version recherche (sans être intégrée dans
la version officielle). Elle a été développée par Q.Rodier, qui a ensuite cherché à implanter le
time-splitting, sans pouvoir finaliser le travail dans le temps de stage M2 imparti.
5) Autres remarques jugées utiles
Le stagiaire acquerra au cours de ce stage de solides connaissances sur la dynamique et les
méthodes numériques des modèles météorologiques, qui pourront ensuite être mises à profit sur
d'autres fonctions de prévision numérique au CNRM.
6) Documents joints à la présente proposition et/ou références bibliographiques sur le
sujet
Durran, D. R., 1989: Improving the anelastic approximation. J. Atmos. Sci.,46, 1453–1461.
Filippi, J.-B., F. Bosseur, C. Mari, C. Lac, P. Le Moigne, B. Cuenot, D. Veynante, D. Cariolle, and
J. H. Balbi, Coupled atmosphere-wildland fire modelling, J. Adv. Model Earth Syst., 1, #11,
doi:10.3894/JAMES.2009.1.11, 2009.
Gassmann A. and H.-J. Herzog, 2007: A Consistent Time-Split Numerical Scheme Applied to the
Nonhydrostatic Compressible Equations*. Mon. Wea. Rev., 135, 20–36.
Rodier, Q., 2014 : Implémentation d'une nouvelle dynamique dans Méso-NH et validation sur des
cas extrêmes : feux de forêt et écoulements sur très fortes pentes. Rapport de stage M2 de
l'Université Pierre et Marie Curie , master PA, spécialité OACOS.
Wicker,L.-J., and WC Skamarock : Time-splitting methods for elastic models using forward time
schemes. Monthly Weather Review 130 (8), 2088-2097.
7) Ce sujet pourrait-il être prolongé par une thèse ?
préciser la nature de la prolongation et de ses enjeux.
Non
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