3ème Réunion des Utilisateurs de Méso-NH

Discussion Scientifique

Christine Lac et J-Philippe Lafore

7-8 mars 2004Centre International de Conférences – Météo-France - TOULOUSE

Discussion scientifique / PLANA. PHYSIQUE

1. Microphysique2. Turbulence3. CL Océanique4. Surface5. Hydrologie6. Activité électrique7. Convection profonde8. Convection peu profonde9. Chimie – Aérosols10. Rayonnement

B. NUMERIQUE1. Spawning2. Filtrage/Bogussing des Cyclones3. Semi-Lagrangien4. Coordonnée verticale SLEVE5. Diffusion horizontale

C. ASSIMILATION – AROME1. Approche Modèle Satellite2. Assimilation hybride ALADIN-3DVar / MésoNH 3. Lidar – Radar - GPS

D. EQUATIONS1. Chauffage dissipatif2. Hypothèse de la « pellicule mince »3. Sédimentation des précipitations

A.1 Microphysique• Etat actuel  3 schémas– Kessler (chaud)– C2R2 (chaud, 2 moments + activation des CCN) – ICE3 (phase mixte, 5 classes, 1 moment)

• Evolution (depuis 2 ans)– schémas à 2 moments gamme d’études plus large (aérosols…)

• Faiblesses identifiées– Cirrus: cycle de vie, excès dans Troccinox…– Stratocumulus (thèses I. Sandu, O. Geoffroy) – Enjeu =contrôle cycle diurne– Brouillard: sédimentation…– Interaction / rayonnement + propriétés optiques

• Evolutions envisagées (2 ans)– ICE4: 1 moment, + grêle (thèse F. Lascaux)– C3R5: 2 moments pour la phase mixte– Schéma de Cirrus: 2 classes de glace primaire (V. Giraud)

• à compléter, intégrer et valider– Schéma de Khairoudinov-Kogan: 2 moments, chaude, pour les Sc : extension

aux Cu?– Brouillard: introduction sédimentation (T. Bergot)– Réglages des schémas grâce à l’approche modèles satellites

• Axes de recherche à encourager– Schémas plus simples (Lopez) assimilation, PN, lessivage et aérosols… Qui ?– Brouillard (T. Bergot)– Prise en compte de la nébulosité fractionnaire pour la (LA)

A.2 Turbulence• Etat actuel Schéma 1D et 3D de Cuxart, Bougeault et Redelsperger (2000). Fonctionnement 1D (intérêt pour PN), 3D et LES (spécificités de Méso-NH).

• Evolution (depuis 2 ans)– CLS : Longueur de Redelsperger, Mahé et Carlotti (2001)– Turbulence de la glace (cirrus)– Augmentation de la longueur de mélange dans les Cb (M.Tomasini)

• Faiblesses identifiées– CL convective sèche (S.Tomas): Pas de contre-gradient, longueur de mélange trop faible– CL stable (J.Cuxart): Mélange trop faible en vent faible (brouillard) et aux inversions.– CL neutre (P.Drobinski, V.Masson): BL89 infinie– Cumulus : Turbulence insuffisante – Interface nuage/environnement mal prise en compte.

Donc surestimation des w.

• Evolutions envisagées (1-2 ans)– BL89 modifiée par Sanchez et Cuxart (2004). Tests sur Cu.– CL Convective : Introduction d’un contre-gradient par un fit des moments d’ordre

3 (S.Thomas)

• Axes de recherche à encourager (2-3 ans)– Paramétrisation des moments d’ordre 3 à partir du flux de masse : lien avec

CVPP (V.Masson)– Nouvelle longueur de mélange (changements de phase + entraînement)

(V.Masson)– Brouillard (T.Bergot)– Cas stables et neutres.

A.3 C.L. Océanique• Problèmatique

– Mise en évidence de l’importance de la SST (convection dans le SE, mousson africaine, cyclones)

– Intérêt des océanographes (MEMO)

• Evolutions envisagées (2 ans)– Etudes d’impact de la SST sur la convection en France (SE) et

tropicale (thèse de C. Lebeaupin, MICADO et MEMO)– Introduction de nouvelles paramétrisations bulk des flux

turbulents (issues des campagnes à la mer) à travers surface externalisée

• Axes de recherche à encourager– Couplage avec un modèle OD et 1D de CLO à travers la

surface externalisée (MEMO)– à régler: introduction de la bathymétrie et initialisation des

champs océaniques à partir des analyses Mercator– Couplage avec l’état de la mer : Intérêt pour les cyclones.

A.4 Surface• Evolution (depuis 2 ans)– Surface externalisée incluant TEB, ISBA, OCEAN et ECOCLIMAP (d’ici

2006 dans tous les modèles de MF + mode off-line)– Flux de CO2 (Isba-A-gs)

• Faiblesses identifiées - documentation insuffisante - certaines options (diffusion dans le sol, CO2) peu testées en 3D

- Température des lacs (modèle de lac?). - initialisation des variables dans schémas neige et sol multi-couches

• Evolutions envisagées (2 ans)– Peu d’évolution sur la physique de la surface– Introduction d’un module d’arrachement de poussières à la surface, à

partir d’ORILAM, et rétroaction avec le rayonnement (P.Tulet). Prolongement possible pour les sels marins (intérêt possible pour les cyclones, avec génération d’embruns)

– Efforts importants de documentation et de formation

• Axes de recherche à encourager– Etudes des échanges de CO2 ( CARBOEUROP, GEOLAND)– Etude de CL urbaine sur CAPITOUL (V.Masson)– Modélisation physico-chimique des feux.

A.5 Hydrologie• Etat actuel

– Pas de composante hydrologique

• Evolution (depuis 2 ans)– Développement d’un couplage Méso-NH /ISABA/TOPMODEL

• Priorité PATOM et PNTH• Collab. LTHE et CNRM (K. Chancibault)• Evaluation pour les crues rapides sur l’OHM Cévennes-Vivarais

(mi-2005)

• Evolutions envisagées (2 ans)– Intégration dans Méso-NH

• Axes de recherche à encourager– Evaluation hydrologique des précipitations de Méso-NH– Etude du couplage Atm./Hydro. (OHM CV, AMMA…)– Utilisation d’un autre coupleur? Coumehy (LTHE) ou Oasis

(CERFACS)

A.6 Activité électrique• Evolution (depuis 2 ans)

Développement en interne d’un modèle quasi-complet pour l’électrisation et la production de NOx (C.Barthe):

- Explicite: une variable pronostique charge pour chaque espèce (ICE3). Chargements non inductifs (choc glace-glace) et inductif (choc eau-eau polarisé). Transferts de charge. Calcul du chemin des éclairs production de NOx.

- Implicite: Paramétrisation de la fréquence des éclairs dans KFB, et production de NOx.

Testé dans TROCCINOX2.

• Evolutions envisagées (2 ans)– Implicite à intégrer dans Masdev4_7

• Axes de recherche à encourager– Développements de diagnostics– Introduire les ions– Tests sur cas réels– Corrélation avec la grêle : tests avec ICE4.

A.7 Convection Profonde• Etat actuel

– Schéma KFB

• Evolution (depuis 2 ans)– Meilleure conservation de masse pour les scalaires passifs

(masdev4_6)– Détraînement entre la base du nuage et la surface (masdev4_6)

• Faiblesses identifiées Mêmes défauts que les autres

– Pas d’évolution perte d’expertise sur KFB

• Evolutions envisagées (2 ans)– Importance de maintenir KFB– Nombreux développements dans KFB pour la chimie (transport,

éclairs, lessivage), l’électricité

• Axes de recherche à encourager– Introduction d’autres schémas (pas d’urgence), en plus de KFB– En fonction des efforts et progrès effectués dans le domaine des

paramétrisations (Physique commune LMDz/ARPEGE-Climat, ARPEGE)• schéma de Tietke (CEPMMT): code de transport des traceurs +

adjoint• futur schéma d’ALARO : schéma de Bougeault-Piriou• Schéma d’Emanuel…

A.8 Convection Peu Profonde• Etat actuel

– Schéma KFB

• Evolution (depuis 2 ans)– Améliorations sur la condition de déclenchement et réglages

(masdev4_5/6)

• Faiblesses identifiées– Interactions CVPP/Turbulence: insuffisantes– Conservation (équations sous forme advective, et non flux)– Manque l’évaporation des précipitations sous le nuage– Faible efficacité ( solveur implicite)

• Evolutions envisagées (2 ans)– Améliorer les interactions CVPP/Turbulence (propo. de J.Stein et J.Hidalgo)– Introduction du schéma de Soares (Diffusion turbulente + en flux de

masse)

• Axes de recherche à encourager– Lien étroit avec la turbulence– Un seul schéma pour CVP et CVPP!

A.9 Chimie - Aérosols• Evolution (depuis 2 ans)

– Externalisation de la surface (dépôt, émission)– Changement de processeur chimique (facilite changements de

schéma réactionnel)

• Faiblesses identifiées– Pas une faiblesse mais un handicap : LE COÛT– Manquent les émissions biogéniques à échelle globale

(ECOCLIMAP), un cadastre d’émission global fine échelle.

• Evolutions envisagées (2 ans)– Lessivage par les précipitations liquides et solides explicites

(existe mais lourd avec ICE3). Bénéficierait d’un schéma plus simple (Lopez).

– Version simplifiée de ORILAM en standard (P.Tulet)– Nouveaux schémas chimiques, adaptés aux aérosols en standard

(P.Tulet).– Production de NOx par les éclairs (C.Mari, JP Pinty).

• Axes de recherche à encourager– Lessivage des aérosols.– Chimie en phase aqueuse.– Poursuite du développement de ORILAM et ORISAM

A.10 Rayonnement• Etat actuel Depuis 2002, schéma du CEPMMT (F.Solmon) :

- LW: Morcrette-Fouquart ou RRTM- SW direct: Prise en compte des aérosols (climatologique ou

surface)- SW diffus

• Evolution (depuis 2 ans) – Amélioration du SW direct et diffus– Nouvelles paramétrisations des propriétés optiques des nuages.

Option interactive avec C2R2– Correction de bug sur l’orographie sous-maille

• Faiblesses identifiées– SW diffus : surestimation de l’absorption SW par nuages (SSA pour

des gouttelettes contenant du carbone-suie : I.Sandu)

• Evolutions envisagées (2 ans)– Amélioration du SW diffus : SSA fonction des aérosols (comme en

direct) (I.Sandu)– Couplage du code de poussières avec le schéma de rayonnement

(P.Tulet, Alf)

• Axes de recherche à encourager– Introduction de la phase neige

B.1 Spawning• Etat actuel

– Spawning à partir d’un seul modèle (père)

• Faiblesses identifiées– Ne permet pas de suivre des phénomènes propagatifs

(Cyclones tropicaux, MCSs...) sans perte d’information à haute résolution.

• Evolutions envisagées (2 ans)– spawning à partir de 2 modèles: le père (P) + un fils (F1)– Qui? CRC ?

B.2 Filtrage-Bogussing des Cyclones

• Evolution (depuis 2 ans) A partir des outils de O.Nuissier pour Bret et cas académiques, introduction en version standard :- Filtrage: on enlève la perturbation du cyclone aux champs coupleurs- Bogus: vortex symétrique ajouté aux champs filtrés

• Faiblesses identifiées- Constantes réglées pour Bret : impose une vérification du réalisme des résultats à chaque étape

• Evolutions envisagées (2 ans)- Amélioration du réglage par les utilisateurs

• Axes de recherche à encourager- Bogus d’humidité, associé à stratégie d’assimilation de données

B.3 Semi-Lagrangien

• Faiblesses identifiées– coût numérique de Méso-NH-Chimie : schéma d’advection +

grand nombre d’espèces handicap majeur. Enjeu essentiel : permettre des simulations chimiques avec aérosols on-line

• Evolutions envisagées (2 ans)– Développement d’un schéma SL pour les scalaires. – Travaux préliminaires au LA (JP Pinty)– Quelles forces de travail?– Nécessité de bénéficier d’une collaboration et de l’expertise du

CNRM/GMAP

B.4 Coordonnée SLEVE

• Faiblesses identifiées– Coordonnée Gal-Chen: pbs sur relief (Schär et al. 2002, Klemp et al

2003)– Solution de Schär et al. SLEVE– Pas trop de pb pour MésoNH

• Evolution (depuis 2 ans)– Introduction et test sur MAP de la coord. SLEVE (Zängl)

• Evolutions envisagées (2 ans)– Intégration dans Méso-NH (dont DIAPROG)– Evaluation de l’impact (notamment dans la haute troposphère)

B.5 Diffusion horizontale

• Faiblesses identifiées– Diffusion horizontale sur les niveaux du modèle erreurs

significatives en zone montagneuse – Modifications de Zängl (2004) dans MM5

• Evolution (depuis 2 ans)– Introduction des modif. dans Méso-NH (Zängl )– Tests positifs sur MAP

• Evolutions envisagées (2 ans)– Poursuite des tests d’évaluation (N.Asencio, P.Drobinski …)– Introduction dans le masdev4_7

C.1 Modèle Satellite

• Etat actuelCode de transfert radiatif de Morcrette : uniquement Météosat 1ère

génération (IR et WV)

• Evolution (depuis 2 ans)En interne (JP Chaboureau), interface avec RTTOV version 7 (test TROCCINOX)

• Evolutions envisagées (2 ans)– Intégrer RTTOV version 8 (diffusion de Mie pour les hydrométéores)

– Intégrer une version de RTTOV permettant de simuler MSG (AMMA)

• Axes de recherche à encourager– Collaboration JPC-C.Prigent pour micro-ondes– Collaboration JPC-P.Dubuisson (Univ.Littoral) pour VIS

C.2 Assimilation hybride Aladin-3DVar/Meso-NH• Etat actuel

– Pas d’assimilation dans Méso-NH– 3D-Var ALADIN (MF)

• Evolution (depuis 2 ans)– Forte implication du CNRM/GMME pour utiliser le 3D-Var du

CNRM/GMAP et l’adapter pour la méso-échelle (Ducrocq, Jaubert, Nuret…)– Outil fonctionnant à MF, en mode analyse et assimilation (scripts Méso-NH

(prep-experiment) + interface opérationnelle OLIVE) – Assimilation actuelle uniquement de certains types d'observations

atmosphériques (pas de chimie)– Potentiel important, surtout sur des simulations courtes

• Evolutions envisagées (2 ans)– Poursuite au GMME en forte interaction avec le projet AROME– Ouverture à la recherche hors MF (via l’interface OLIVE)

MF répondra à la demande et proposera un outil et un soutien adaptés

• Axes de recherche à encourager– Développement d’opérateurs d’observation– Implication croissante des laboratoires extérieurs dans

l’assimilation à méso-échelle– Outil assez lourd fort investissement des laboratoires

intéressés

C.3 Lidar-Radar-GPS• Etat actuel

– Version 1 d’un simulateur radar

• Evolutions envisagées (2 ans)– RADAR : Simulateur plus complet développé par O.Caumont (géométrie

du faisceau, plusieurs modèles de rétrodiffusion, atténuation) : Intégration dans un prochain cycle (2005) dans DIAG.

– GPS : Développement des observables délais zénithaux par H.Brenot. Intégration dans un prochain cycle (2005). Observables délais obliques et gradients en cours de validation. Intégration fin 2005 dans DIAG.

• Axes de recherche à encourager - RADAR : Simulateur vitesses radiales Doppler – Assimilation des réflectivités en cours dans le 3D-Var ALADIN (MICADO-GMAP). - GPS : Assimilation des délais zénithaux totaux dans le 3D-Var ALADIN (MICADO-GMAP). - LIDAR : H.Chepfer a développé un simulateur lidar, pour le SIRTA. Intégrable dans Méso-NH si personne identifiée. Validations possibles sur SIRTA + cas MAP.

D.1 Chauffage dissipatif

• Constat Blister et Emmanuel (1998) ont montré que l’énergie thermodynamique due au chauffage dissipatif souvent négligée dans modèles de méso-échelle Sous-estimation de l’intensité des cyclones/tempêtes. taux de dissipation par viscosité dans l’équation de la TKE.

• Evolution (depuis 2 ans) Masdev4_6 : Introduction du terme de chauffage dissipatif dans l’équation de

• Evolutions envisagées (2 ans)– Apport de ce terme à quantifier : conseillé sur un exercice

académique.

D.2 « Pellicule mince »

• Constat Généralement, hypothèse H RT: viole le principe de conservation du moment angulaire.

• Evolution (depuis 2 ans) Abandon de cette hypothèse dans la Masdev4_5.

• Evolutions envisagées (2 ans)– Quantifier cet abandon (TP).

D.3 Sédimentation des précipitations

• Etat actuelConstat : Dans un fluide multiphasique, les hydrométéores ont des températures et des vitesses qui différent de celle de l’air sec et de la vapeur d’eau.Dans Méso-NH : On ne tient pas compte du refroidissement créé par les hydrométéores précipitants lors de la sédimentation, ni du flux de quantité de mouvement associé (traînée).

• Contexte plus général: AROME– Revisite du système d’équations en présence d’hydrométéores

précipitants:• recherche d’une convergence AROME/Méso-NH• Travail de Malardel, Bénard, Stein, Geleyn et al. Sur les équations

• Evolutions envisagées (2 ans)– Evaluer les termes manquants (à finaliser):

Travail important réalisé par S.Malardel sur les équations, également pour AROME. Collaboration avec JP Pinty pour retrouver les équations de Bannon (2002)

– Coder les termes manquants (JP Pinty)

Book1 Documentation Scientifique• Etat actuel

P.Mascart et al.

• Evolutions envisagées (2 ans)Mise à jour : effort de tous !Surface externalisée.

-Atouts de Méso-NH

• Simulations LES pour améliorer les paramétrisations

• BILANS (bilans LES, bilans de masse …)

• TRACEURS - trajectoires