3 ème Réunion des utilisateurs de Meso-NH mars 2005 CNRM/GMEI/MNPCA F. Chosson, Doctorant J-L. Brenguier, Directeur de Thèse L.Schüller, Co-directeur Simulation

3ème Réunion des utilisateurs de Meso-NH mars 2005

CNRM/GMEI/MNPCA F. Chosson, Doctorant J-L. Brenguier, Directeur de Thèse L.Schüller, Co-directeur

Simulation 3D du transfert radiatif Simulation 3D du transfert radiatif dans les nuages de couche limite hétérogènesdans les nuages de couche limite hétérogènes

Frédérick Chosson, DoctorantFrédérick Chosson, DoctorantJean-Louis Brenguier, Directeur de Jean-Louis Brenguier, Directeur de thèsethèseLothar Schüller, Co-directeur de thèseLothar Schüller, Co-directeur de thèse

Groupe de Météorologie expérimentale et instrumentaleÉquipe Microphysique des Nuages et Précipitations



Besoin de modèles de nuages réalistesBesoin de modèles de nuages réalistes

PROBLÉMATIQUEPROBLÉMATIQUE

• Paramétrisation sous-maille dans les GCM• Restituer des paramètres nuageux

Étude du biais hétérogènesur le transfert radiatif 3D



OUTILS DISPONIBLESOUTILS DISPONIBLES

Le modèle Meso-NHLe modèle Meso-NH ( CNRM / LA )Modèle Non-Hydrostatique, runs de 1D à

3D,échelle synoptique à LES

Le modèle SHDOMLe modèle SHDOM (F.Evans, NCAR)Spherical Harmonic Discrete Ordinate

Methodfor 3D Atmospheric Radiative Transfer.Sélectionné au MNP après comparaison

avec lesmodèles Monte-Carlo et MOMO par

L.Schüller.

La campagne ACE-2La campagne ACE-2(Large des Canaries, été 1997)

Mesures aéroportéescoordonnées.

Nombreuses scènes de strato- cumulus marins documentées.



MÉTHODEMÉTHODE

Transfert Radiatif 3DVisible, NIR par SHDOM

Propriétés Radiatives(ext, o, fonction de phase…)

ValidationStatistique du champ LWC

simulé

Meso-NHsimulation 3D mode LES et “bulk”

du nuage observé

Comparaison ACE-2

Statistique mesuresLWC in-situ

Off-Line

ß² Schéma Microphysique

Réaliste

Initialisation ACE-2

Champs 1D dynamiqueset thermodynamiques

Paramétrisationdu Mélange

Comparaison

ACE-2Statistique des radiances

mesurées



MÉTHODEMÉTHODE




simulé


du nuage observé

Comparaison ACE-2


Off-Line

ß² Schéma Microphysique

Réaliste




Comparaison

ACE-2Statistique des radiances

mesuréesACE-2 9 juillet 97

Profils initiaux de :Température potentielle de

l’eau liquide θl

Rapport de mélange en eau totale qt

Vent horizontal

Caractéristique du cas d’étude : Forte InversionInstable par entraînement au sommet

θlqt

INITIALISATIONINITIALISATIONPARAMETRES DU MODÈLE LESPARAMETRES DU MODÈLE LES

10 km

1.5km

Taille Pixel 50 m

50 m 10 mà

Taille du Domaine

10 km

Parois du domaine cyclique Schéma de turbulence d’ordre un et demi Pas de pluie, pas de glace Schéma microphysique “Bulk” (LWC par ajustement à la saturation) Schéma de condensation sous-maille (impact sur turbulence uniquement) Pas de Temps 0,5 sec Schéma radiatif ECMWF toutes les 2,5 min Durée simulation: 3h



MÉTHODEMÉTHODE




simulé


du nuage observé

Comparaison ACE-2


Off-Line

ß² Schéma

Microphysique




Comparaison

ACE-2Statistics of remotelymeasured Radiances

VALIDATIONVALIDATIONÉpaisseur géométrique

Simulation Mesures LWC

Distribution verticale LWC Distribution par colonne (LWP)



MÉTHODEMÉTHODE




simulé


du nuage observé

Comparaison ACE-2


Off-Line

ß² Schéma

Microphysique




Comparaison


VALIDATIONVALIDATIONÉpaisseur géométrique

Distribution verticale LWC Distribution par colonne (LWP)

Structure et organisation du champ nuageux (2D)

L2

L1

L1

L2 Tailledes

cellules

distanceentre

cellules

L1 L2



MÉTHODEMÉTHODE




simulé


du nuage observé

Comparaison ACE-2


Off-Line

ß² Schéma

Microphysique




Comparaison


Schéma MicrophysiqueSchéma Microphysique β β22

h

r²

ß²(h)

Distribution en surface des gouttelettes à la

base du nuage

Hypothèses :AdiabatismeConcentration en gouttelettes (N) constanteGrossissement des gouttelettes par diffusion de vapeur uniquement

Schéma de MélangeSchéma de Mélange

Hypothèse :LWC sub-adiabatique = Zone d’entraînement

Mélange Homogène pur

h

r²

N = cst

Reff diminue

h

r²

N diminue

Reff =Rad =cste

Mélange Hétérogène pur

Temps caractéristique de

Turbulence >> Évaporation gouttelettesTurbulence << Évaporation gouttelettes



MÉTHODEMÉTHODE




simulé


du nuage observé

Comparaison ACE-2


Off-Line

ß² Schéma

Microphysique




Comparaison


Transfert radiatif 3DParamétrisation simple de la diffusion Rayleigh f(P,)

Angle solaire zénithal : 24.4°Nb ordonnées discrètes : zénith 16

azimut 32Parois cycliques, 3D

Pas d’albédo de surface, pas d’aérosols

SHDOMSHDOM

SHDOM

Réflectances au Nadir comparéesVALIDATIONVALIDATION

simulation mesuresOVID



BILAN de la MÉTHODEBILAN de la MÉTHODE

Données d’entrées :Profils 1D, Nmax, choix mélange

Résultats :H, PDF(LWC(h)), PDF(LWP) validés

Structure cellulaire comparablePDF(Refl. Vis/Nir) comparables

Nuages réalistes



RÉSULTATSRÉSULTATS

Paramètres de Tunage du modèle : Critère CTEI et durée de simulation (hétérogénéité structurale et fraction nuageuse) Profils initiaux de qt , θl (épaisseur géométrique)

Production de champs nuageux réalistes Production de champs nuageux réalistes d’épaisseur et d’hétérogénéité variées ainsid’épaisseur et d’hétérogénéité variées ainsi

que leur propriétés radiatives correspondantesque leur propriétés radiatives correspondantesavec des concentrations et un schéma de avec des concentrations et un schéma de

mélangemélangedifférentsdifférents



‘’‘’Tunage’’ de l’épaisseur : ΘTunage’’ de l’épaisseur : ΘLL,q,qtottot couche limite couche limite

ΘΘL L couche limitecouche limite

qqtot tot couche limitecouche limite

ΘΘL L couche limitecouche limite

qqtot tot couche limitecouche limite

<<>>

H nuageH nuage H nuageH nuage<<



‘’‘’Tunage’’ de l’hétérogénéité : Critère CTEITunage’’ de l’hétérogénéité : Critère CTEI

ΔqtotΔΘL

Critère d’instabilité : K =

ΔΘe

(L/cp) Δqtot

> 0,23



‘’‘’Tunage’’ de l’hétérogénéité : Critère CTEITunage’’ de l’hétérogénéité : Critère CTEI

ΔΘL

Δqtot



‘’‘’Tunage’’ de l’hétérogénéité : le Temps !Tunage’’ de l’hétérogénéité : le Temps !

Stephan De Roode , 2003

Taille des structures augmente avec le temps

Taille domaine >> taille cellule (t)Taille domaine >> taille cellule (t)Simulation réaliste : contrainte de taille du domaine :



INVERSION DE FLOTTABILITEou Instabilité d’entraînement au sommet du

nuage( CTEI )

Une parcelle d’air secest entraînée dans le nuage

refroidie et humidifiéepar évaporation.

Plus lourde que l’air environnant,la parcelle « coule », entraînantde nouvelles parcelles d’air sec.

Critère d’instabilité : K =

ΔΘe

(L/cp) ΔRtot

> 0,23

Documents

3 ème Réunion des utilisateurs de Meso-NH mars 2005 CNRM/GMEI/MNPCA F. Chosson, Doctorant J-L. Brenguier, Directeur de Thèse L.Schüller, Co-directeur Simulation