Spécialité Energétique, Master Recherche Global Change and3ème année Mécaniques des Fluides, Climate Modelling

2ème année Team

RAPPORT DE STAGE

Mise au point d’un modèle climatique haute résolutionApplication à l’étude de la modélisation des cyclones

Présenté par : Marie Piazza

Encadré par : M. Eric MaisonnaveIngénieur de rechercheEric.Maisonnave@cerfacs.fr05 61 19 30 12

CERFACSCentre Européen de Recherche et de Formation

Avancée en Calcul Scientifique42 avenue Gaspard Coriolis

31000 ToulouseTél : 05 61 19 31 31Fax : 05 61 19 30 00

5 avril 2010 - 17 septembre 2010TR-CMGC-10-80

Remerciements

J’adresse tous mes remerciements aux personnes qui m’ont permis de réaliser ce stage dans des

conditions parfaitement favorables.

Merci à mon maître de stage Eric Maisonnave pour son accompagnement, sa patience et tout ce

qu’il m’a appris en informatique et sur les modèles climatiques. Merci à Christophe Cassou pour avoir

spontanément donné à ce stage une dimension recherche et avoir encadré mon travail sur l’étude des

cyclones tropicaux avec enthousiasme. Merci à Fabrice Chauvin pour ses explications et le travail qui a

pu être réalisé sur la détection des cyclones.

Merci aux professeurs du master Mécanique des Fluides, et notamment Mr Lamballais pour son in-

troduction à la modélisation des écoulements atmosphériques, qui m’ont guidée dans le choix de mon

stage en me donnant envie d’en savoir plus.

Merci à toutes les personnes qui participent à rendre cet environnement de travail si agréable, en

particulier les membres de l’équipe GlobC pour leur sympathie, leurs conseils et les discussions au

soleil.

Résumé - Abstract

L’étude du climat nécessite l’usage de modèles numériques complexes. Ils représentent de façon tou-

jours plus réaliste les processus climatiques physiques. Ce développement va de pair avec l’améliora-

tion permanente des ressources informatiques. Avec le passage des calculateurs scalaires aux machines

massivement parallèles, les modèles océan-atmosphère trouvent un support optimisé pour la haute ré-

solution. Il s’agit avec ce stage d’anticiper la nouvelle génération de supercalculateurs en mettant au

point la haute résolution pour le modèle climatique couplé ARPEGE-NEMO. Cette évolution offre une

meilleure prise en compte de la turbulence atmosphérique et océanique. Les cyclones tropicaux font

partie de ces phénomènes sous-mailles en basse résolution. Pourtant, une bonne prévision de ces évé-

nements est cruciale pour les populations des côtes tropicales exposées. Le modèle haute résolution mis

en place s’est avéré bien adapté à l’étude des cyclones. La configuration « couche de mélange »utili-

sée permet de mettre en évidence l’impact du couplage océan-atmosphère sur leur modélisation. Les

températures de surface observées au printemps 2010 dans l’Atlantique tropical étant particulièrement

favorables à une saison cyclonique intense, le modèle haute résolution sera utilisé pour évaluer l’impact

de ces anomalies sur la quantité et l’intensité des cyclones tropicaux dans l’Atlantique Nord.

Climate studies are based on complex numerical models which represent physical climate processes

more realistically. This development is linked to improvements in informatics resources. With the gene-

ration of massive parallel computers, high resolution coupled ocean-atmosphere models finds an opti-

mised support. With this internship we anticipate the generation of new supercomputers by developing

the high resolution for the ARPEGE-NEMO coupled model. This development will offer better consi-

deration of atmospheric and oceanic turbulence. At lower resolution, tropical hurricanes are a part of

subgridded phenomena. However, tropical coastal inhabitants need a great prediction of these ravaging

events. The newly settled high resolution model is greatly adapted to hurricane study. The mixed layer

configuration used highlights the impact of ocean-atmosphere coupling on modelling hurricanes. In

addition, observations made in the North Atlantic Ocean last spring would imply a very intensive hur-

ricane season ahead. The high resolution model will be used to evaluate the ocean temperature impact

on quantity and intensity of tropical hurricanes found in the North Atlantic Ocean.

Table des matières

Introduction 1

L’environnement de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Contexte industriel et technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Contexte scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Plan du rapport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

I Mise au point du modèle climatique haute résolution 7

1 Le modèle couplé ARPEGE-NEMO 8

1.1 Le modèle atmosphérique ARPEGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2 Le modèle océanique NEMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3 Description du couplage avec OASIS3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 La configuration couche de mélange 15

2.1 Phase forcée : calcul des corrections de flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 Phase couplée : application des corrections de flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3 Passage de la basse résolution à la haute résolution 18

3.1 Grilles utilisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2 Modification des fichiers de paramètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.3 Création des fichiers d’entrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.4 Optimisation des coûts de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4 Validation du modèle haute résolution 23

4.1 Validation de la simulation en phase forcée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.2 Validation de la simulation en phase couplée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

II Application de la haute résolution à l’étude des cyclones 27

5 Mode opératoire 28

5.1 Revue de connaissances actuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.2 Intérêt du cas d’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.3 Protocole expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.4 Méthodologie de détection des cyclones simulés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

TABLE DES MATIÈRES 7

6 Impact du couplage sur la modélisation des cyclones 33

6.1 Quantité de cyclones et période de formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.2 Intensité des cyclones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.3 Réponse océanique au passage d’un cyclone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7 Étude de l’activité cyclonique de la saison 2010 sur l’Atlantique Nord 39

7.1 Trajectoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

7.2 Quantité de cyclones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.3 Intensité des cyclones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.4 Comparaison avec les observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Conclusion 45

Bibliographie 51

Annexe : Script principal du modèle couplé ARPEGE-NEMO haute résolution 52

Introduction

L’environnement de travail

Le CERFACS (Centre Europeen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique) est un

centre de recherche dont le rôle est de développer des méthodes de calcul avancées pour les simulations

numériques et la résolution algorithmique de problèmes scientifiques et technologiques aussi bien pour

la recherche que pour l’industrie.

Présentation du CERFACS

Le CERFACS est dirigé par un Conseil de Gérance constitué par les représentants de ses actionnaires.

Un Conseil Scientifique préconise les orientations à suivre. Les sept actionnaires du CERFACS sont : le

CNES (Centre National d’Etudes Spatiales), EADS France (European Aeronautic and Defence Space

Company), EDF (Electricité de France), Météo-France, l’ONERA (Office National d’Etudes et de Re-

cherches Aérospatiales), SAFRAN (équipementier international de haute technologie en aéronautique,

défense et sécurité), TOTAL (multinationale dans le domaine de l’énergie).

FIG. 0.1 – Logos des sept actionnaires du CERFACS

Le CERFACS regroupe plusieurs équipes interdisciplinaires, à la fois pour la recherche et pour la

formation, dans les domaines suivants : physique, mathématiques appliquées, analyse numérique, dé-

velopement de logiciels. Environ 115 personnes y travaillent, dont plus de 95 chercheurs et ingénieurs

venant de dix pays différents. Ils travaillent sur des projets spécifiques dans neuf grands domaines de

recherche : l’algorithmique parallèle, le couplage de code, l’aérodynamique, les écoulements dans les

turbines, la combustion, l’électromagnétisme, l’impact environnemental, l’assimilation de données et

le climat. Une partie de l’activité de recherche du CERFACS est réalisée en association avec le CNRS

(Centre National de la Recherche Scientifique, www.cnrs.fr) en tant qu’ "Unité de Recherche Associée"

(SUC, URA 1875). Le CERFACS et l’INRIA, Institut National de Recherche en Informatique et Auto-

matique (www.inria.fr) ont également joint une partie de leurs activités. Le CERFACS fait partie du

pôle de laboratoires TVE (Terre Vivante et Espace, http ://tve.omp.obs-mip.fr/). C’est aussi un membre

du RTRA/STAE (Réseau Thématique de Recherche Avancée "Sciences et Technologies pour l’Aéronau-

tique et l’Espace", www.fondation-stae.net/fr/, voir aussi www.cerfacs.fr/RTRA-STAE.mpg) et parti-

cipe aux activités de l’AESE (Pôle de Compétitivité "Aéronautique, Espace et Systèmes Embarqués",

1

INTRODUCTION 2

www.aerospace-valley.com).

La mission statutaire du CERFACS a été définie lors de la création de la Société Civile en 1996. Ses

objectifs sont :

– de développer des recherches scientifiques et techniques visant à l’amélioration des méthodes de

calcul avancé, incluant une meilleure prise en compte des processus physiques concernés et la

mise au point d’algorithmes performants pour les nouvelles architectures de calculateurs ;

– de transférer ces connaissances scientifiques et ces méthodes techniques, pour l’application à de

grands secteurs et domaines industriels ;

– de former des personnels hautement qualifiés et d’offrir des formations avancées.

L’activité du CERFACS peut se résumer ainsi : "Le CERFACS transfère les connaissances et le savoir-faire

entre le milieu de la recherche fondamentale, où il est reconnu et considéré comme un acteur à part entière, et

le monde des applications, où il trouve à la fois ses domaines d’activités et ses principaux objectifs, pour le bé-

néfice de ses Associés et de ses autres partenaires. Il prend par ailleurs en charge, plus directement si nécessaire,

les besoins prospectifs des Associés dans des domaines insuffisamment explorés, tels aujourd’hui ceux de la si-

mulation numérique avancée, de l’exploitation optimale des nouvelles architectures de calcul et de la préparation

des nouvelles stratégies d’utilisation de ces architectures"1. Ce dernier point est notamment mis en oeuvre à

travers le projet européen IS-ENES dans lequel s’inscrit le passage de la basse à la haute résolution, évo-

lution nécessaire à la fois sur le plan scientifique et technique dont les enjeux seront détaillés au cours

de cette introduction. Parmi les orientations définies pour les années 2008, 2009 et 2010, le CERFACS est

encouragé à poursuivre et même à amplifier ses actions dans le domaines de l’algorithmique pour les

nouvelles générations de machines : architectures petaflopiques et massivement parallèle.

Les supercalculateurs

Pour chacun des domaines d’études présents au CERFACS (combustion, variabilité du climat, aéro-

dynamique des avions, cinétique chimique, etc...) le calcul intensif est nécessaire pour rester compétitif.

Les ressources de calculs peuvent être propres au CERFACS et opérées de façon interne ou bien, comme

c’est le cas pour l’accès aux plus puissants calculateurs, sont fournis via des accords avec les Associés

ou d’autres partenaires (dont le CEA), ou encore resultent de réponses à des appels d’offres de grands

centres de calcul nationaux, européens et internationaux.

Les serveurs de calculs internes offrent des performances de 21 Tflop/s. Les trois machines actuelle-

ment présentes sont les suivantes :

– IBM Massively Parallel Computer : IBM BlueGene - 11.4 peak Tflops.

– IBM Nehalem cluster : iDataPlex - 7 Tflop/s

– IBM PowerPC cluster : IBM BladeCenter - 2.2 Peak Tflops. .

De plus, des partenariats offrent au CERFACS la possibilité d’accéder à des ressources externes.

Se familiariser avec cet environnement de travail très spécialisé a été l’un des pré-requis de ce stage.

Cela signifie tout d’abord apprendre à travailler avec le système d’exploitation UNIX, via son langage

de commandes. L’initiation à divers outils de plus haut niveau s’est fait ensuite au gré des besoins, tout

1d’après le Rapport de 2009 du Comité d’Entreprise

INTRODUCTION 3

Nb. de noeuds 32 (SX8-R)Nb. de processeurs / noeud 8Mémoire / noeud 128 GoEspace disque local / noeud 500 GoEspace disque partagé (GFS) 37 ToIXS (bidirectionnel) 8 Go/sPerf. de crête / proc. 35 GflopsPerf. de crête (total) 9 Tflops

TAB. 0.1 – Caractéristiques techniques du cluster Tori

au long du stage : éditeur de texte (Emacs), outils d’analyse (NCO) et de visualisation (Ferret, langage

NCL, XMGrace).

D’autre part, les simulations climatiques réalisées lors de ce stage l’ont été sur le supercalculateur

vectoriel Tori présent à Météo-France. Le système de calcul intensif à Météo-France est constitué de trois

clusters de calcul NEC :

– Un cluster de 32 noeuds vectoriel SX8-R : Tori (recherche / réservé en partie à certains projets)

– Un cluster de 10 noeuds vectoriel SX9 : Yuki (recherche / ouvert aux utilisateurs) ;

– Un cluster de 10 noeuds vectoriel SX9 : Kumo (réservé aux applications opérationnelles).

Un noeud vectoriel possède son système d’exploitation indépendant (UNIX). Il regroupe plusieurs

processeurs partageant une même mémoire. Les différents noeuds sont inter-connectés par un réseau

rapide, l’IXS, qui permet l’exécution d’applications sur plusieurs noeuds. Un schéma simplifié est donné

sur la figure 0.2.

FIG. 0.2 – Schéma simplifié du fonctionnement d’un cluster de calcul

Les caractéristiques de la machine Tori utilisée sont montrées dans le tableau 0.1.

INTRODUCTION 4

Contexte industriel et technique

L’avenir des supercalculateurs

Les processeurs utilisés sur la machine de Météo-France sont conçus pour le calcul vectoriel et per-

mettent l’assemblage de supercalculateurs de très hautes performances. Toutefois, des performances ne

sont atteintes que sur des codes écrits spécifiquements pour ce type d’architectures. Même si ces ma-

chines sont dites « parallèles », un faible niveau de parallèlisation des codes est suffisant pour approcher

les performances crêtes. Les machines vectorielles tirent leurs performances de deux éléments : des pro-

cesseurs spécialement adaptés au traitement des vecteurs, et d’une vitesse remarquable dans le transfert

des données entre la mémoire et les processeurs. Ce sont des machines spécialisées, donc rares et chères.

En revanche, les supercalculateurs scalaires utilisent des éléments conçus pour un usage générique

dans divers systèmes. La principale raison en est que le développement de technologie de masse est

plus facile à amortir sur des marchés plus larges que le marché scientifique. Le développement de ces

architectures pour le calcul haute-performance a été tel ces dernières années que les supercalculateurs

scalaires sont désormais en mesure de remplacer les supercalculateurs vectoriels dans les centres de

calcul intensif.

Le projet IS-ENES

Mon stage s’est déroulé dans l’équipe Modélisation du Climat et Changement Global du CERFACS.

Créée en 1990, elle devient en 1998 une unité de recherche associée au CNRS. Elle nourrit la recherche

fondamentale et appliquée dans le domaine du climat. Son objectif principal est d’apporter une contri-

bution significative à la compréhension de la variabilité climatique terrestre, de l’échelle globale aux

échelles régionales, avec pour finalité d’améliorer la prévision climatique et de mieux apprécier les

impacts anthropiques. Pour cela, l’équipe GlobC adopte une double approche basée sur la théorie et

l’étude de la modélisation autant que sur le développement de logiciels hautes performances requis par

les modèles climatiques (logiciels de couplage, modèles couplés haute résolution, modèles adaptés aux

grilles de calculs, compression des données). On peut découper ainsi l’activité de l’équipe, selon ces trois

thèmes :

1. variabilité climatique et prévisibilité,

2. changement climatique et impacts associés,

3. nouveaux outils pour la modélisation du climat.

La première partie de ce stage est la mise au point d’une nouvelle version haute-résolution du modèle

couplé ARPEGE-NEMO ; elle entre directement dans les objectifs principaux du troisième thème cité. En

effet, développer l’expertise du passage des codes de calcul sur les machines de la nouvelle génération

est un enjeu fort dans ce contexte d’évolution technologique des supercalculateurs.

Le projet IS-ENES (InfraStructure for the European Network for the Earth System Modelling) dans

lequel s’inscrit ce stage a été lancé par l’ENES (European Network for the Earth System Modelling) le

1er mars 2009 et finira le 28 février 2013. Son but est de promouvoir la distribution d’une infrastructure

INTRODUCTION 5

de modélisation commune en Europe, afin de faciliter le développement et l’exploitation des modèles

de climat, et de mieux répondre aux besoins sociétaux liés entre autres au changement climatique.

IS-ENES rassemble 18 partenaires à travers 10 pays d’Europe, utilisant ainsi leurs six principaux mo-

dèles climatiques globaux. La mission propre au CERFACS est de préparer les modèles pour les futures

générations de machines, qui seront des machines scalaires et, probablement, massivement parallèles,

c’est-à-dire rassemblant plusieurs milliers ou millions de noeuds de calcul faibles performances et à mé-

moire distribuée. Or une étude comparative des performances des différents modèles utilisés au CER-

FACS met en évidence une augmentation conjointe de la scalabilité d’un modèle et de sa résolution (Mai-

sonnave 2009)(voir figure 0.3). La mise au point du modèle couplé ARPEGE-NEMO haute-résolution est

donc une étape dans la réalisation du portage des modèles utilisés sur la prochaine génération de ma-

chines.

FIG. 0.3 – Comparaison de la scalabilité du modèle ARPEGE-NEMO à moyenne résolution (à gauche)et à haute résolution (à droite). La scalabilité maximale (courbe noire) s’obtient pour des modèles par-faitement parallélisables (qui vont n fois plus vite en utilisant n fois plus de processeurs)

Contexte scientifique

Dans le cadre du thème de recherche "variabilité climatique et prévisibilité", la prévision saisonnière

a pour but de déterminer les conditions moyennes (température et précipitations) sur les mois à venir

pour une région donnée.

Le printemps 2010 présente des températures de surface exceptionnellement élevées dans l’océan At-

lantique tropical Nord et qui devraient perdurer jusqu’à l’automne 2010. Des études ont montré qu’une

température de surface de la mer elevée (>26°C) favorise le développement de cyclones tropicaux. En

effet, c’est dans les couches superficielles de l’océan que le cyclone puise son énergie thermique. Etant

donné les conséquences humaines et matérielles dramatiques engendrées chaque année par le passage

de cyclones sur les littoraux tropicaux, l’amélioration de la prévision de ces phénomènes extrèmes est

nécessaire.

INTRODUCTION 6

L’usage du modèle haute résolution est un outil tout à fait approprié à l’étude des cyclones. En

effet, contrairement à un modèle basse résolution, les mailles sont suffisament petites pour modéliser les

phénomènes physiques nécessaires à la génèse et à la propagation de ces tourbillons. Il s’agira donc dans

la deuxième partie de ce stage d’étudier l’impact du couplage en haute résolution sur la modélisation

des cyclones, et nous nous intéresserons plus précisément à la saison cyclonique 2010 sur l’Atlantique

Nord.

Plan du rapport

La première partie de ce rapport sera consacrée aux étapes nécessaires à la mise en place du modèle

haute résolution. Pour cela, nous présenterons au préalable le fonctionnement du modèle climatique

couplé ARPEGE-NEMO ainsi que la configuration « couche de mélange »utilisée. La deuxième par-

tie présente les éléments de validation du modèle haute résolution mis en place. Ces éléments ayant

été suffisamment concluants, nous pourrons finalement presenter dans la dernière partie les résultats

d’études de l’activité cyclonique sur l’Atlantique Nord. Nous nous intéresserons d’abord à l’influence

du couplage entre atmosphère et océan sur la modélisation des cyclones, puis au cas particulier de la

saison 2010.

Première partie

Mise au point du modèle climatiquehaute résolution

7

1 Le modèle couplé ARPEGE-NEMO

Un modèle climatique est un code numérique décrivant mathématiquement les phénomènes phy-

siques participant à l’évolution du climat terrestre. Pour l’océan et l’atmosphère, les modèles numé-

riques simulent l’évolution des écoulements de fluides (eau, air), le transport de chaleur et le transport

de matière associés, sur la base des lois de conservation de la masse, de l’énergie et de la quantité de

mouvement. Deux modèles sont utilisés : un modèle d’atmosphère et un modèle d’océan. Un logiciel de

couplage assure l’intéraction entre ces deux environnements en réalisant l’échange des informations au

niveau de l’interface air-mer.

1.1 Le modèle atmosphérique ARPEGE

Le modèle numérique ARPEGE (Action de Recherche Petite Echelle Grande Echelle) est un modèle

de circulation générale global et spectral développé en collaboration avec le Centre Européen de Prévi-

sion (CEP). La version climat d’ARPEGE, nommée ARPEGE-Climat, a été développée dans les années

90. Pour le développement du modèle et de sa physique, les collaborations se font principalement avec

le CEP, divers groupes de recherche du CNRM (Centre National de Recherche Météorologique) et l’IPSL

(Institut Pierre Simon Laplace, à Paris). En revanche, ARPEGE est utilisé par de nombreux laboratoires

dans le monde pour diverses applications. Entre autres, il est devenu la composante atmosphérique du

modèle "système terre" du CNRM. La version 5.1 utilisée lors de ce stage est actuellement installée sur

FIG. 1.1 – Schéma du système atmosphérique modélisé par ARPEGE

8

CHAPITRE 1. LE MODÈLE COUPLÉ ARPEGE-NEMO 9

la machine de calcul vectoriel NEC SX8 présente à Météo-France. D’un point de vue évolution techno-

logique, le modèle ARPEGE est en cours d’adaptation au calcul scalaire.

Caractéritiques du code : scripts principaux en code UNIX et routines en Fortran90, 2500 fichiers, 600

000 lignes de code.

1.1.1 Applications

Les études réalisées à Météo-France et au CERFACS avec le modèle ARPEGE portent notamment

sur :

– les études de processus climatiques globaux (mousson indienne, mousson africaine, El Niño),

– les études de processus climatiques régionaux (cyclogénèse en Méditerranée, évènements extrêmes

en Europe, circulation thermohaline en mer Méditerranée, cyclones tropicaux),

– les scénarios de changement climatique globaux ou régionaux,

– la prévision saisonnière,

1.1.2 Le système d’équations primitives

Les paramètres qui définissent l’état de l’atmosphère sont le vent horizontal ~v, la température T ,

et l’humidité massique qv . L’évolution de ces paramètres est régie par les équations de la dynamique

suivantes :

– Equation du mouvement

d~vdt

+ 2Ω× ~v︸ ︷︷ ︸Coriolis

+RT−−→grad(ln p) +

−−→gradΦ = −g ∂η

∂p

∂ ~F~v∂η

+ ~S~v + ~K~v (1.1)

– Equation de la thermodynamique

dTdt− κT ω

p= −g ∂η

∂p

∂Fh∂η

+ Sh +Kh (1.2)

– Equation de l’humiditédqvdt

= −g ∂η∂p

∂Fqv

∂η+ Sqv

+Kqv(1.3)

– Equation de continuité

∂

∂η

(∂p

∂t

)+ div

(~v∂p

∂η

)+

∂

∂η

(η∂p

∂η

)= −g ∂Fp

∂η(1.4)

Dans ces équations, l’indice a correspond à l’air, l’indice v correspond à l’eau, et on a :

R = qaRa + qvRv

cp = qacpa+ qvcpv

κ = Rcp

Les termes F, S et K représentent respectivement les flux verticaux, les sources et la diffusion horizontale,

pour la quantité de mouvement (indice ~v), l’enthalpie (indice h) et l’humidité massique (indice qv). Fp

est le flux de masse, le terme source est supposé nul. η(p, ps) est la coordonnée verticale dérivant de la

pression p, avec ps la pression de surface, et définit par deux fonction A et B telles que en tout point

p = A(η) +B(η)ps.

CHAPITRE 1. LE MODÈLE COUPLÉ ARPEGE-NEMO 10

1.1.3 Hypothèses utilisées

Les principales hypothèses prises en compte pour la résolution des équations sont les suivantes :

– L’approximation de la couche mince : la hauteur de l’atmosphère est négligeable devant le rayon

de la Terre solide.

– La loi des gaz parfaits pour l’air sec et la vapeur d’eau.

– L’approximation de l’hydrostatique : le gradient de pression vertical est négligeable.

1.1.4 Conditions initiales et conditions aux limites

Pour mener à bien la résolution des équations atmosphériques, le modèle a besoin des valeurs d’un

certain nombre de variables au temps t=0 (conditions initiales), ainsi qu’un certain nombre de variables

pour lesquelles l’évolution n’est pas calculée (conditions aux limites). Les conditions initiales et aux

limites sont lues dans un fichier appelé par des sous-routines au début de chaque intégration. Ces va-

leurs proviennent soit de fichiers de climatologies mensuelles, soit du couplage avec l’océan (tempéra-

ture de surface de l’océan, la couverture de glace et l’albédo de la glace de mer), ou encore de fichiers de

constantes propres au modèle : orographie, nature des sols, aérosols. Les échanges ayant lieu à l’interface

surface terrestre-atmosphère sont réalisés selon le schéma « sol-végétation »du composant ISBA (Inter-

action Soil Biosphère Atmosphère). C’est une paramétrisation des différents échanges énergétiques et

hydriques ayant lieu à la surface continentale.

1.1.5 Grille utilisée

Le modèle ARPEGE utilise une représentation horizontale spectrale avec transformation sur une

grille gaussienne pour le calcul des quantités non-linéaires et de certaines équations. L’avantage du

maillage spectral est d’éviter le problème des points singuliers aux pôles. Dans un souci d’économie

de ressources informatiques, le nombre de longitudes sur une même latitude est réduit en dehors des

tropiques, dans le but d’obtenir une grille quasi-isotropique. Sinon, la densité de mailles serait beau-

coup plus forte aux pôles qu’à l’équateur. En revanche, les calculs réalisés dans le domaine spectral ne

rencontrent pas cette situation et la grille est isotropique. Le nombre de longitudes est calculé de façon

à optimiser le compromis entre la précision de la transformation spectrale (réduction de la troncature)

et l’isotropie des paramètres de l’espace physique.

1.2 Le modèle océanique NEMO

L’océan a un rôle fondamental dans l’évolution du climat de la Terre et il intervient dans les bi-

lans d’énergie et de transfert de masse avec des constantes de temps qui vont du mois à mille ans.

NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean) est une structure de modélisation pour la re-

cherche océanographique, la prévision océanographique saisonnière opérationnelle et les études du cli-

mat. OPA (Océan PArallèlisé) est le composant de NEMO permettant la représentation de la dynamique

des océans. Il modélise la circulation océanique et les glaces de mer (composant LIM) ainsi que la bio-

géochimie et la biologie marines (modèle PISCES). Ce système de modélisation de la circulation générale

de l’océan est utilisé aussi bien en océanographie que dans l’étude du climat. Ce modèle est développé

au Laboratoire d’Océanographie et du Climat Expérimentations et Approches Numériques (LOCEAN)

CHAPITRE 1. LE MODÈLE COUPLÉ ARPEGE-NEMO 11

à l’université de Paris VI Jussieu.

Caractéritiques du code : scripts principaux en code UNIX et routines en Fortran90, 230 fichiers, 100

000 lignes de code.

1.2.1 Grille utilisée

Le modèle OPA repose sur un système d’équations appliqué à la circulation océanique régionale et

à la circulation océanique globale. Utilisé lors de ce stage dans sa version 8.2, les variables du modèle

sont portées par une grille de type Arakawa-C. La disposition des variables sur la grille est illustrée sur

la figure 1.2. Les variables scalaires (température potentielle θ = cpT/psκ, géopotentiel Φ et pression de

FIG. 1.2 – Schéma d’une maille de grille Arakawa de type C

surface ps) sont évaluées aux points correspondant à des couples de valeurs entières (X,Y ) = (i, j). Les

variables dynamiques sont décalées par rapport aux variables scalaires : le vent zonal est calculé aux

points (X,Y ) = (i+ 1/2, j) et le vent méridien aux points (X,Y ) = (i, j + 1/2). La composante verticale

du vent est portée par les milieux des facettes supérieures et inférieures.

La grille ORCA est déformée de façon à positionner les pôles terrestres sur des territoires émergés,

sur lesquels aucun calcul n’est réalisé dans un modèle océanique (voir figure 1.3). On évite ainsi les

problèmes de calculs pour ces points singuliers.

FIG. 1.3 – Positionnement des pôles sur la grille ORCA (Source : www.mercator-ocean.fr)

CHAPITRE 1. LE MODÈLE COUPLÉ ARPEGE-NEMO 12

1.2.2 Le système d’équations primitives

Les équations mises en oeuvre sur la grille sont dérivées des équations de Navier-Stokes en considé-

rant que le mélange turbulent dans l’océan est unidimensionnel vertical :

∂~U

∂t+(~U.−−→grad

).~U = −f~k × ~U − 1

ρ

−−→gradhP −

∂ ~U ′w′

∂z(1.5)

−−→gradh. ~Uh +

∂w

∂z= 0 (1.6)

∂P

∂z= −ρg (1.7)

∂T

∂t+ ~U.

−−→gradT =

Fsolρ0Cp

∂I(z)z− ∂T ′w′

∂z(1.8)

∂S

∂t+ ~U.

−−→gradS = −∂S

′w′

∂z(1.9)

~U représente le courant, T la température et S la salinité. Fsol est le flux solaire net reçu en surface,

I(z) est la fraction de Fsol qui pénètre à la profondeur z.

Remarque : Pour le modèle d’océan, comme pour le modèle d’atmosphère, la difficulté principale de ce système

d’équations est la représentation de la turbulence, phénomènes existant à petite échelle comme à grande échelle.

Très bonne illustration de l’enjeu de la modélisation de la turbulence, les cyclones, qui sont des phénomènes sous-

mailles dans un modèle d’atmosphère basse résolution, sont représentés de façon réaliste en haute résolution.

1.2.3 Hypothèses utilisées

Le modèle NEMO-OPA résout les équations à partir des approximations suivantes :

– La sphéricité de la Terre : la gravité locale est dirigée vers le centre de la Terre

– La couche d’eau est mince : la profondeur de l’océan est petite par rapport au rayon de la Terre

– L’approximation de l’hydrostatique : le gradient de pression vertical est négligeable

– L’écoulement est incompressible : la divergence du champ de vitesse tridimensionnelle est nul

– Les équations d’état non-linéaires couplent les champs de température et de salinité

– La surface de l’océan est libre

– L’hypothèse de la couche limite au fond

1.2.4 Conditions initiales et conditions aux limites

Les conditions initiales de température et de salinité sont calculées à partir de la banque de données

climatologique Levitus98. Les composantes méridienne et zonale du vent sont quant à elles initialisées

à zéro.

Remarque : La base de données Levitus98 (ou World Ocean Atlas Data 1998) a été réalisée en 1998 par le

NOAA (National Oceanographic Data Center, Washington, D.C). Cet atlas océanique recense les moyennes an-

nuelles, saisonnières et mensuelles, de 1990 à 1997, pour la température et la salinité, en surface avec une précision

CHAPITRE 1. LE MODÈLE COUPLÉ ARPEGE-NEMO 13

allant de 5°x5° à 1°x1° selon les zones, et sur plusieurs niveaux verticaux jusqu’à 5500 mètres de profondeur.

En ce qui concerne les conditions aux limites, le fichier de bathymétrie a été élaboré à partir de

mesures par satellite et in situ. Les débits d’eau douce issus des embouchures de fleuves proviennent

aussi d’une climatologie mensuelle. Ce fichier prend en compte les 99 fleuves les plus importants en

terme de débit à l’échelle du monde.

1.3 Description du couplage avec OASIS3

Le coupleur OASIS (Ocean Atmosphere Sea Ice Soil) est un logiciel permettant de synchroniser

l’échange des informations entre des modèles numériques représentant différents éléments du système

climatique. Il est développé depuis plus de 15 ans au CERFACS et est utilisé depuis plusieurs années

par une trentaine de centre de modélisation climatique en Europe, Etats-Unis, Canada, Australie, Japon,

Inde et Brésil. La version OASIS3, utilisée pour les simulations réalisées pendant ce stage, se comporte

comme un processus indépendant. Il fonctionne comme un exécutable séparé qui pilote le couplage

des modèles d’océan et d’atmosphère, interpole et transforme les champs de couplage. Un champ de

couplage est une quantité issue de la résolution des équations d’un premier modèle et qui constitue un

champ d’entrée intervenant dans la résolution des équations d’un second modèle, intéragissant avec

le premier par l’intermédiaire du couplage. Exemples de champs de couplage : les flux d’eau (précipi-

tations, fleuves, évaporation), la couverture de glace, le flux solaire total, la température de surface de

l’océan, l’albédo, la force exercée par le vent sur la surface des océans.

Caractéristiques du code : Fortran 90, 220 fichiers, 45 000 lignes de code.

Pour communiquer avec OASIS3 ou directement avec un autre modèle via MPI (Message Passing

Interface), ou encore pour réaliser des actions I/O (entrées/sorties), un modèle doit être interfacé avec

PSMILe, la librairie OASIS du système d’interface du modèle. Cette librairie PSMILe permet :

– la communication en parallèle entre un modèle et OASIS3,

– la communication directe entre deux modèles en parallèle lorsqu’aucune transformation ou redé-

coupage n’est nécessaire (pas utilisée ici),

– l’envoi et la réception automatique au moment indiqué par l’utilisateur dans la « namcouple » (le

fichier de paramétrisation d’OASIS),

– l’intégration temporelle ou l’accumulation des champs de couplage,

– l’envoi/la réception de données vers/à partir des fichiers.

La configuration d’une simulation avec le modèle climatique ARPEGE-NEMO se fait grâce à des

fichiers de namelists, un par modèle, qui contiennent les paramètres (ou clefs) souhaités par l’utilisateur.

Il existe plusieurs milliers de paramètres (environ 2500 paramètres rien que dans le modèle ARPEGE),

et tous ont une valeur définie par défaut dans le code. Ainsi même si certaines clefs sont absentes des

fichiers, le modèle peut fonctionner.

Remarque : La multiplicité des paramètres disponibles confère une grande souplesse dans les simulations réa-

lisées. En revanche, si les résultats obtenus ne correspondent pas aux résultats attendus, cela rend plus délicat le

CHAPITRE 1. LE MODÈLE COUPLÉ ARPEGE-NEMO 14

diagnostic du ou des paramètres erronés.

1.3.1 Les fichiers en sortie

La fréquence des sorties est définie par l’utilisateur (toutes les 6 heures, tous les jours, par exemple).

L’élément limitant dans le choix de cette fréquence est la capacité de stockage des fichiers sur les disques

disponibles. Cette problématique est d’autant plus contraignante que la résolution du modèle augmente,

et avec elle la taille des fichiers produits. Une fois ces fichiers produits, ne pouvant être stockés sur la

machine de calcul utilisée pour réaliser les simulations, ils sont rapatriés sur les disques du CERFACS.

Ils sont ensuite post-traités de façon à obtenir des informations plus facilement manipulables avec les

logiciels de visualisation et d’analyse (format NetCDF).

Remarque : Les capacités de stockage limitées sur les disques et les temps de calculs importants imposent une

sélection rigoureuse des champs utiles pour une étude donnée.

Sorties ARPEGE

L’utilisateur définit la liste des champs qu’il souhaite exploiter et qui apparaîtront donc dans les

fichiers de sortie. Parmi les champs produits par ARPEGE, on trouve notamment :

– les champs dynamiques 3D : composantes horizontales du vent, pression, température, humidité

spécifique et relative, géopotentiel

– les champs dynamiques 2D

– les champs physiques de surface : émissivité, masque terre-mer, pourcentage de végétation, épais-

seur de neige

– les flux instantannés de surface : rayonnement solaire, couverture nuageuse, précipitation

Sorties NEMO

De même que l’atmosphère, l’océan produit plusieurs types de champs :

– les variables d’état du modèle : température, salinité, vent zonal et méridien, coefficient de diffu-

sivité verticale

– les variables venant de l’atmosphère : tension du vent zonal et méridien, flux de chaleur entrant,

flux solaire, flux d’eau (précipitations + embouchures de fleuves - évaporation)

– les variables diagnostiques (calculées d’après certains critères du modèle) : profondeur de la couche

de mélange, élévation du niveau de la mer

Les fichiers de redémarrage

A la fin d’un mois de simulation, des fichiers de restarts sont produits pour permettre la réalisation

automatique de la simulation du mois suivant. Ces fichiers contiennent les valeurs des variables pronos-

tiques du modèles ainsi que de champs de couplage tels qu’ils étaient à la fin du dernier jour du mois

précédent, et qui seront transmis par OASIS à ARPEGE au début du premier jour du nouveau mois de

simulation.

2 La configuration couche de mélange

La couche de mélange correspond à la partie superficielle de l’océan brassée sous l’action de l’atmo-

sphère. Dans la couche de mélange, les propriétés physiques de l’eau de mer restent quasi constantes :

densité, température et salinité. Le modèle NEMO calcule la profondeur de cette couche d’après un cri-

tère de densité. Elle peut atteindre moins de 20 m par endroits et plus de 100 m à d’autres. En dessous,

l’océan est considéré inerte et les valeurs des variables d’état de température et de salinité sont celles de

la climatologie Levitus98. La configuration dite « couche de mélange »(ou 1D) d’un modèle océanique

représente un océan unidimensionnel, qui modélise uniquement les transferts verticaux ayant lieu dans

la couche de mélange. L’advection et la diffusion horizontale sont supprimées. Le gradient de pression

et les vitesses verticales générées par la divergence ou la convergence des courants sont inexistants. Le

système d’équations présenté au paragraphe 1.2.2 est ainsi simplifié de la façon suivante :

∂~U

∂t= −f~k × ~U − ∂ ~U ′w′

∂z(2.1)

∂w

∂z= 0 (2.2)

∂P

∂z= −ρg (2.3)

∂T

∂t=

Fsolρ0Cp

∂I(z)z− ∂T ′w′

∂z(2.4)

∂S

∂t= −∂S

′w′

∂z(2.5)

Les modèles couplés comprenant une couche de mélange océanique sont de nos jours largement

utilisés par la communité scientifique pour de nombreuses études, et en particulier lorsque le coût en

ressources numériques (temps et puissance de calcul) est trop élevé pour un modèle complet. Dans le

cadre du projet SPADES1 financé par l’ANR (Agence Nationale pour la Recherche), la configuration

couche de mélange océanique a été mise en place au CERFACS pour le modèle couplé ARPEGE-NEMO.

Le rapport de validation réalisé décrit les avantages de cette configuration (Maisonnave et al. 2010) ; en

effet, outre le gain de performances qu’elle offre par rapport à un modèle couplé complet, elle présente

aussi l’intérêt de réduire les biais systématiques se mettant en place rapidement lors des premières

années de simulation (voir figure 2.1).

De plus, la démarche consistant à dériver un modèle de couche de mélange d’un modèle océanique

complet comme NEMO :

1Référence du projet : 08-ANR-SEGI-025

15

CHAPITRE 2. LA CONFIGURATION COUCHE DE MÉLANGE 16

FIG. 2.1 – Différence entre la SST annuelle moyenne et Levitus avec ARPEGE-NEMO basse résolution.A gauche : couplé complet. A droite : configuration couche de mélange.

1. simplifie le codage d’un modèle embarquant toutes les dernières paramétrisations mises au point

par la communauté des océanographes

2. offre la possibilité d’interchanger facilement couche de mélange et océan complet dans de futures

études (prévisions mensuelles, saisonnières,...)

Cependant, pour assurer la conservation globale de l’énergie, le système doit pallier aux pertes dues

à l’absence d’advection et de diffusion horizontale dans l’océan. Il s’agit pour cela d’appliquer locale-

ment une correction permettant de compenser l’énergie gagnée ou perdue par l’océan dans cette confi-

guration par rapport à un modèle idéal (valeurs climatologiques). Il y a deux corrections calculées : une

pour le flux de chaleur et une autre pour le flux d’eau. Nos simulations ont lieu en deux temps :

1. une première phase dite « forcée »qui sert à calculer les corrections de flux à apporter à l’océan,

2. une deuxième phase dite « couplée »pendant laquelle ces corrections sont appliquées.

2.1 Phase forcée : calcul des corrections de flux

Les corrections de flux sont calculées à la fon de chaque boucle de couplage entre ARPEGE et NEMO

et une valeur journalière moyenne est sauvée. Le calcul de ces corrections de flux est basé sur l’écart

entre les valeurs Levitus et les valeurs calculées par le modèle océanique unidimensionnel vertical. Pour

cela, l’atmosphère reçoit de la part du coupleur les valeurs Levitus de température et de salinité de

surface de l’océan (appelées par la suite SST et SSS respectivement, pour « Sea Surface Temperature »

et « Sea Surface Salinity ») et effectue ses intégrations avant de transmettre les champs de couplage

atmosphériques à OASIS. NEMO réalise alors l’intégration des champs océaniques, et à la fin de la

boucle de couplage, OASIS calcule à partir des valeurs calculées par NEMO les corrections de flux

nécessaire pour maintenir l’océan à l’état climatologique Levitus.

Remarque : Le modèle de glace est désactivé et la couverture de glace est celle des observations.

On réalise une simulation de n années. A l’issue de cette première phase, on obtient un fichier conte-

nant les valeurs journalières des corrections de flux. Celles-ci sont moyennées de façon à obtenir des

CHAPITRE 2. LA CONFIGURATION COUCHE DE MÉLANGE 17

FIG. 2.2 – Mode forcé : Calcul des corrections de flux

corrections de flux climatologiques, qui seront appliquée lors de la deuxième phase de la simulation.

Exemple : Calcul de la correction de flux climatologique Qcorrclim du 1er janvier à partir d’une simula-

tion de n années : Qcorrclim(1erjanvier) =Pn

i=1Qcorr(1erjanvier,iemeannee)

n

2.2 Phase couplée : application des corrections de flux

Lors de cette phase, l’atmosphère ne voit plus les valeurs Levitus mais reçoit bel et bien les champs

de couplage calculés par l’océan. En outre, celui-ci reçoit chaque jour, en plus des flux calculés par

l’atmosphère, les corrections de flux calculées précédemment (voir figure 2.3).

FIG. 2.3 – Mode couplé : Application des corrections de flux

Remarque : Les valeurs climatologiques sont des valeurs de températures et de salinité moyennes calculées

sur plusieurs dizaines d’années. Elles ne rendent donc pas compte de la variabilité inter-annuelle pilotée par les

courants océaniques de certaines régions (les phénomènes El Niño et La Niña dans l’océan Pacifique Tropical par

exemple). Le fait d’utiliser ces valeurs climatologiques en phase forcée réduit fortement la probabilité d’occurence

d’un tel phénomène en phase couplée. En revanche, dans les régions où la variabilité inter-annuelle des courants

est fortement influencée par l’atmosphère (en particulier dans l’Atlantique Nord), les variations de la profondeur

de la couche de mélange sont très proches de celles observées.

3 Passage de la basse résolution à lahaute résolution

Le modèle ARPEGE-NEMO haute résolution a été dérivé du modèle basse résolution pré-existant.

Si les premiers jours du stage ont été consacrés à la découvert de l’environnement de travail (et notam-

ment d’UNIX et de ses commandes), les premières semaines ont ensuite permis de mener de front deux

actions :

1. la découverte d’un modèle climatique couplé : quelques simulations réalisées avec le modèle basse

résolution m’ont permis de m’habituer à l’arborescence des fichiers d’entrées et de sorties sur les

différentes machines (locale ou à Météo-France), le fonctionnement des modèles ARPEGE, NEMO

et du coupleur OASIS3 ( initialisation des modèles, réalisation d’une simulation, analyse des fi-

chiers de diagnostics des erreurs lors d’une simulation, corrections de ces erreurs, possibilités de

post-traitement en local, analyse et visualisation des fichiers de sorties) ;

2. la mise au point du modèle haute résolution, au fur et à mesure des connaissances acquises grâce

à la manipulation du modèle basse résolution.

Les connaissances techniques acquises grâce à la réalisation de simulations basse résolution sont

multiples :

– commandes UNIX

– édition de texte avec Emacs : lecture et modification de scripts, lecture des fichiers de diagnostics,

réalisation de petits exécutables en séquences de commandes ;

– post-traitement des fichiers de sorties (ARPEGE produits des fichiers au format tar, NEMO au

format NetCDF) : outils d’analyses (Statpack, NCO, NCL) et de visualisation (Ferret, NCL) spéci-

fiques

– compréhension du fonctionnement du modèle couplé ARPEGE-NEMO et des difficultés liées au

couplage notamment : problème de corrections de flux sur la glace aux pôles, interpolations entre

les grilles d’océan et d’atmosphère, dénomination et unités d’un champ différentes d’un modèle à

l’autre.

La compréhension du modèle basse résolution est nécessaire à la mise au point de la haute résolution,

dont le principe de fonctionnement reste le même, mais où certaines difficultés supplémentaires ap-

paraissent : l’utilisation de plusieurs noeuds de calculs (parallélisation), temps et coût de calcul plus

importants, problème de stockage de fichiers très volumineux.

18

CHAPITRE 3. PASSAGE DE LA BASSE RÉSOLUTION À LA HAUTE RÉSOLUTION 19

3.1 Grilles utilisées

Pour l’atmosphère il s’agit de passer de la résolution t63 à la t359 ce qui correspond à une résolution

au sol de 150 km2 et de 75km2, approximativement. Quant à l’océan, on passe de la grille ORCA2 à

la grille ORCA025, soit à des mailles de 2˚ x 2˚ x 31 niveaux verticaux et de 0.25˚ x 0.25˚ x 46 niveaux

verticaux. Cela correspond à une résolution à l’équateur de 220 km2 et de 25 km2, respectivement. Cette

augmentation importante de la résolution spatiale s’accompagne d’une augmentation de la résolution

temporelle pour assurer la stabilité des schémas numériques mis en oeuvre.

La mise au point du modèle océanique haute résolution (NEMO 1/4°) ne nécessite pas la création de

la grille associée. En effet, la grille ORCA025 haute résolution est déjà utilisée par la communauté des

océanographes. Sa résolution verticale est accrue dans la couche supérieure de l’océan de façon à avoir

dix niveaux dans les 100 premiers mètres d’eau, sur lesquels s’étend la couche de mélange (voir figure

3.1).

FIG. 3.1 – Résolution verticale de la grille ORCA025 (étoiles bleues). A droite : sur toute la profondeurocéanique. A gauche : sur les 300 premiers mètres

3.2 Modification des fichiers de paramètres

La création des fichiers nécessaires aux simulations est un travail qui demande au préalable d’avoir

bien saisi le fonctionnement du modèle, pourquoi tel fichier est appelé avant tel autre, à quoi il va

servir, qu’est-ce qu’il contient exactement. Et enfin il faut savoir comment le produire. Suivant le for-

mat, cela peut se faire plus facilement ou plus rapidement avec un outil qu’avec un autre. Avec un

éditeur de texte comme Emacs par exemple, on modifie simplement les fichiers dits de namelists. Ces

fichiers contiennent pour chaque sous-modèle du modèle couplé la liste des paramètres propres aux

expériences :

ARPEGE Il existe environ 2500 paramètres pour le modèle ARPEGE, à la dénomination plus ou moins

(plutôt moins) évocatrice de leur fonction (voir figure 3.2), autrement dit nous n’en ferons pas

la liste dans ce rapport. Cependant, attardons nous sur certaines modifications réalisées. Tout

d’abord, la résolution ; nombre de longitudes, nombre de latitudes, nombre de longitudes par

cercle de latitudes (la grille n’est pas rectangulaire de façon à assurer une certaine isotropie des

mailles de l’équateur jusqu’aux pôles), nombre de niveaux verticaux, pas de temps. Ensuite, pour

CHAPITRE 3. PASSAGE DE LA BASSE RÉSOLUTION À LA HAUTE RÉSOLUTION 20

une meilleure prise en compte des phénomènes dynamiques de petite échelle tels les cyclones, le

coefficient de diffusion horizontale est doublé, la troncature spectrale horizontale dans la strato-

sphère est réduite.

NEMO Concernant la namelist de NEMO, il existe une quantité presque aussi considérable de para-

mètres, dont les fonctions générales sont les suivantes : organisation de la simulation, découpage

des domaines, conditions aux limites (surface, côtes et fond), équations et leurs schémas de réso-

lution, prise en compte des mers intérieures, augmentation de la résolution sur certaines zones

d’intérêt.

FIG. 3.2 – Extraits de namelists. A gauche ARPEGE, à droite NEMO

Pour chacune des phases de la simulation (phase forcée et phase couplée), le fichier dit « nam-

couple »(voir figure 3.3) spécifie à OASIS les champs de couplage et les caractéristiques de l’interpo-

lation à réaliser : grille de départ, grille d’arrivée, type d’interpolation, dénominations du champ avant

et après, ordre des interpolations. Lors de la phase couplée, la namcouple utilisée en forcé est complétée

par l’attribution des corrections de flux de chaleur et de flux d’eau d’un petit module appelé Neomeris

vers l’océan NEMO. Neomeris est un pseudo-modèle, qui lit les valeurs des corrections de flux et qui

ne fait que les transmettre à OASIS une fois par jour, simultanément au couplage entre l’atmosphère et

l’océan.

Pour l’océan et l’atmosphère, les fichiers de conditions initiales et de forçage fonctionnent de telle

façon qu’ils attribuent une valeur à chaque point de grille du modèle correspondant. Pour la haute

résolution, il s’agit donc de créer ces fichiers sur les nouvelles grilles.

Remarque : Le formalisme et la dénomination des fichiers utilisés lors d’une simulation sont très rigoureux,

de telle sorte que les routines du modèles y fassent appel de façon complètement automatique lors de l’exécution

du modèle. En cas d’erreur, en général, la simulation s’arrête et l’utilisateur explore alors les fichiers d’erreurs

produits pour remonter à l’origine du problème et s’empresser de le corriger.

CHAPITRE 3. PASSAGE DE LA BASSE RÉSOLUTION À LA HAUTE RÉSOLUTION 21

FIG. 3.3 – Extrait de la namcouple OASIS utilisée

3.3 Création des fichiers d’entrée

Les modèles ARPEGE et NEMO ont besoin lors de l’initialisation des valeurs des conditions aux

limites et des conditions initiales ainsi que des valeurs de forçage tout au long de la simulation (valeur

fixée de la concentration des gaz à effet de serre par exemple). Ces fichiers existent déjà pour le modèle

basse résolution ; créer ces fichiers en haute résolution consiste à interpoler les valeurs des grilles t36

et ORCA2 aux grilles t359 et ORCA025. Le modèle océanique, configuré en couche de mélange, on

rappelle les température et salinité en-dessous de la couche de mélange avec un coefficient qui peut

varier spatialement. On doit donc créer un fichier 3D qui fixe ce coefficient en chaque point. La phase

de calcul des corrections de flux nécessite aussi le forçage de la surface de l’océan aux valeurs Levitus

(valeurs climatologiques observées). La phase d’application de ces corrections de flux nécessite d’avoir

des fichiers contenant les valeurs des corrections (un fichier par mois, contenant les valeurs jour par

jour). Ces fichiers, issus de la première phase de simulations, sont ensuite renommés et quelque peu

modifiés de façon à correspondre au formatage du modèle. Enfin, OASIS requiert des fichiers spécifiques

permettant de calculer les interpolations entre les points de grilles des modèles d’océan et d’atmosphère.

Pour cela, le coupleur a besoin des trois fichiers suivant :

– un fichier de masque masks.nc : définit la nature mer ou terre de chaque point en lui attribuant la

valeur 0 ou 1, respectivement.

– un fichier de grille grids.nc : définit les coordonnées en longitude et latitude de chaque point de

grille.

– un fichier d’aires areas.nc : définit la surface de chaque maille.

CHAPITRE 3. PASSAGE DE LA BASSE RÉSOLUTION À LA HAUTE RÉSOLUTION 22

Modèle basse résolution Modèle haute résolutionRessources numériquesTemps réel requis (heures) 1 :00 :00 3 :00 :00Nb. de noeuds utilisés 1 2Nb. de processeurs / noeud 2 8Taille mémoire max /noeud 10gb 100gbPas de tempsARPEGE 1800 s 900 sOPA 5760 s 1200 s

TAB. 3.1 – Comparaison des variables spécifiques aux modèles ARPEGE-NEMO basse et haute résolu-tion

3.4 Optimisation des coûts de calcul

Les travaux de calcul doivent être lancés en « batch » (traitement par lots). L’utilisateur soumet sa

requête (un programme ou un script à exécuter) par l’intermédiaire de la frontale en précisant dès le

début les ressources dont il souhaite disposer :

– Le temps d’exécution

– La mémoire nécessaire

– Le nombre de noeuds

– Le nombre de processeurs par noeud

En fonction de ces éléments ainsi que des ressources disponibles et des requêtes soumises par les autres

utilisateurs, l’ordonnanceur va planifier l’exécution de la requête sur le cluster de calcul de façon à opti-

miser l’utilisation de celui-ci. Le tableau 3.1 présente les ressources utilisées pour les modèles ARPEGE-

NEMO basse-résolution et haute-résolution (ARPEGE-NEMO est le nom du modèle de climat utilisé et

étudié lors de ce stage).

L’entête du script principal a été changée de façon à augmenter les ressources numériques néces-

saires aux simulations. Chaque noeud de calcul comprend huit processeurs. Contrairement à la basse

résolution où ARPEGE, NEMO et OASIS tournent sur un seul noeud et deux processeurs, le modèle

haute résolution utilise deux noeuds et 16 processeurs. Un noeud de huit processeurs est consacré à

NEMO, l’autre à ARPEGE et OASIS3. Après quelques essais de différentes répartitions des modèles sur

les processeurs, il s’avère que c’est bien cette configuraton qui est la plus équilibrée en temps de calcul

par noeud : seulement une dizaine de minutes d’écart sur une durée moyenne de 6h25 pour un mois de

simulation (transferts des fichiers de sorties non compris). C’est le meilleur compromis entre le coût des

ressources numériques disponibles (NEC SX8) et l’efficacité des calculs.

C’est aussi dans le script principal (voir 7.4) du modèle que sont définies les variables spécifiques à la

simulation : définition des répertoires (répertoire de travail, des fichiers d’entrées, des fichiers de sorties

et des diagnostics), définition de la date (mois de départ de la simulation, type de calendrier, comptage

des jours).

4 Validation du modèle hauterésolution

La validation d’un modèle est un processus rigoureux soumis à des normes et qui demande beau-

coup de temps et de personnes. Elle consiste à vérifier la validité de la distribution statistique (état

moyen, variance, extremums) des champs atmosphériques et océaniques simulés en réalisant des com-

paraisons avec les valeurs climatologiques observées. Ce travail ne rentre pas dans le cadre de ce stage.

Cependant, il est nécessaire de s’assurer que le modèle ne comporte pas de biais majeurs ou de vices

de fonctionnement majeurs qui pourraient polluer nos futures analyses. La validation de notre mo-

dèle haute résolution consiste ici à comparer l’état moyen de la surface de l’océan (température et sali-

nité) avec les observations sur l’ensemble de la simulation. Les moyennes comparées sont saisonnières

(moyennes sur décembre-janvier-février, mars-avril-mai, juin-juillet-août, septembre-octobre-novembre).

Chaque phase de l’expérimentation (forcé puis couplé) est réalisée avec 10 membres de 6 mois cha-

cun (du 1er mai au 31 octobre). Chaque membre diffère des autres par son état atmosphérique initial.

On réalise d’abord la phase de calcul des corrections de flux, dans laquelle l’atmosphère est forcée avec

des valeurs climatologiques observées de température et de salinité de surface de la mer. On applique

dans un second temps ces corrections, dans la phase dite couplée.

Remarque : Dans la suite de ce rapport, la température et la salinité de surface de l’océan seront appelées res-

pectivement SST et SSS (pour Sea Surface Temperature et Sea Surface Salinity).

Rappelons qu’en configuration couche de mélange, l’océan est unidimensionnel vertical et l’advec-

tion et la diffusion horizontale ne sont pas prises en compte. De plus, pour éviter des biais systématiques,

le modèle de glace LIM est désactivé et la couverture de glace est restorée aux valeurs climatologiques

observées.

4.1 Validation de la simulation en phase forcée

Les corrections de flux calculées sont moyennées sur les 10 membres, à l’aide des outils NCO. Puis

on trace les résultats sous forme de projection terrestre avec le logiciel Ferret. La figure 4.1 montre les

valeurs des corrections de flux de chaleur, calculées en mode forcé, pour des moyennes sur les mois de

juin, juillet, août.

Remarque : Ferret est un logiciel de visualisation et d’analyses de données océanographiques et météorologiques

prévu pour manipuler des jeux de données sur des grilles atmosphériques et océaniques. C’est un outil à "ligne de

23

CHAPITRE 4. VALIDATION DU MODÈLE HAUTE RÉSOLUTION 24

commandes", interprétant et exécutant les commandes dès qu’elles sont saisies sur le clavier. Ferret peut également

interpréter les commandes lorsqu’elles sont enregistrées dans un fichier script.

FIG. 4.1 – Corrections de flux de chaleur avec ARPEGE t359 – NEMO ORCA025 (haute résolution)

Le modèle ARPEGE-NEMO basse résolution a, quant à lui, été validé dans les règles de l’art. Le fonc-

tionnement des deux modèles est suffisamment proche pour pouvoir effectuer des comparaisons entre

eux, en prenant alors la basse résolution comme référence. Les structures obtenues en haute résolution

sont très proches de celles du modèle basse résolution (voir figure 4.2). La répartition structurelle des

corrections de flux de chaleur est comparable entre la haute et la basse résolution : corrections de flux

négatives aux latitudes inter-tropicales, globalement positive aux latitudes extra-tropicales et présente

plusieurs petites structures dans l’hémisphère sud. Cependant, les valeurs de ces corrections sont accen-

tuées en haute résolution : là où la correction de flux est faible en basse résolution, elle est encore plus

faible, et là où la correction est élevée en basse résolution, elle est encore plus élevée. On remarque aussi

un plus grand nombre de petites structures surtout aux basses latitudes. Or, les valeurs moyennes de la

corrections de flux en basse résolution ont été calculées avec 40 années de simulations, et 4 fois moins en

haute résolution (10 membres), ce qui peut expliquer que les structures obtenues soient moins atténuées.

Pour conclure, étant donné que le modèle basse résolution est validé et que les corrections de flux de

chaleur sont proches entre la basse et la huate résolution, on en déduit que le calcul des corrections de

flux en haute résolution est valable.

4.2 Validation de la simulation en phase couplée

Comme nous l’avons vu au paragraphe 2.2, les corrections de flux calculées sont utilisées pour la si-

mulation des 10 membres en mode couplé. La figure 4.3 présente en haut à gauche les valeurs moyennes

CHAPITRE 4. VALIDATION DU MODÈLE HAUTE RÉSOLUTION 25

FIG. 4.2 – Corrections de flux de chaleur avec ARPEGE t63 – NEMO ORCA2 (basse résolution)

des SST, à droite les valeurs moyennes des SSS (moyennes de mai à octobre). Les deux graphes en-

dessous comparent ces valeurs aux SST et SSS moyennes calculées lors du mode forcé, ce qui revient

pratiquement à les comparer à la climatologie observée. Rappelons qu’en mode forcé, l’océan est rap-

pelé tous les jours aux valeurs de SST et de SSS climatologiques Levitus. Les résultats obtenus en forcé

sont donc très proches des valeurs Levitus. L’écart obtenu représente les biais en SST et SSS du modèle

couplé haute résolution. Ces biais sont calculés avec les moyennes de mai à octobre. On peut constater

que ces biais sont assez faibles pour la SST (moins de 1 °C pour la plupart des régions là où les mo-

dèles couplés classiques gardent 1 à 2 °C de biais en moyenne) et très faibles pour la SSS, ce qui permet

de continuer de penser que notre modèle ne présente pas de problèmes majeurs pouvant contrarier la

validilité de nos analyses futures.

Bilan

Les éléments de validation présentés, ainsi que la comparaison aux observations d’un certain nombre

de caractéristiques de notre modèle d’atmosphère (pression de l’air à la surface de la mer, vents, flux ra-

diatif basse énergie sortant de l’atmosphère), sont suffisamment concluants pour nous permettre d’uti-

liser le modèle ARPEGE-NEMO haute résolution afin d’étudier la modélisation des cyclones dans la

dernière partie de ce rapport.

CHAPITRE 4. VALIDATION DU MODÈLE HAUTE RÉSOLUTION 26

FIG. 4.3 – Comparaison des SST (à gauche) et SSS (à droite) avec les valeurs climatologiques observées.En haut, les moyennes de SST et SSS (de mai à octobre). En bas, les biais du modèle couplé (moyennésde mai à octobre) par rapport au modèle forcé.

Deuxième partie

Application de la haute résolution àl’étude des cyclones

27

5 Mode opératoire

Le diamètre du mur d’un cyclone tropical (zone où les vents sont maximals) est d’environ 100km

(voir schéma 5.1). Une maille de 50 km de côté, telle notre configuration, est le minimum requis pour

simuler les principales caractéristiques des cyclones : les tourbillons, la distribution des précipitations,

l’oeil du cyclone. Il est possible d’étudier implicitement les cyclones en basse résolution, avec des diag-

nostics indirects : plusieurs critères se recoupent pour laisser penser qu’un cyclone se serait effective-

ment développé si le cyclone avait été explicitement résolu dans les modèles. En revanche le modèle

ARPEGE t359 - NEMO ORCA025 précédemment réalisé et validé a une résolution spatiale suffisante

pour commencer à représenter de façon réaliste ces phénomènes. De plus, les fichiers de sortie en haute

résolution permettent un diagnostic direct et une bonne visualisation des tourbillons modélisés.

FIG. 5.1 – Structure d’un cyclone de l’hémisphère Nord

Nous avons décidé de mettre le modèle haute résolution à contribution dans les deux études sui-

vantes :

– l’impact du couplage océan-atmosphère sur les cyclones simulés

– la prévision de l’activité cyclonique 2010 sur l’Atlantique Nord

5.1 Revue de connaissances actuelles

Etant donné la puissance dévastatrice redoutable des cyclones, l’anticipation de ces événements est

nécessaire pour les populations des littoraux à risque. Les modèles numériques tendent à représenter

28

CHAPITRE 5. MODE OPÉRATOIRE 29

de la façon la plus réaliste possible ces perturbations, d’une part grâce à l’amélioration permanente des

technologies de modélisation, d’autre part grâce à l’étude et à la compréhension du processus physique

et notamment l’interaction entre le cyclone et l’océan. Dans notre modèle, en configuration couche de

mélange, la phase forcée impose les températures de surface de l’océan. La signature en température

du passage d’un cyclone sur l’océan est donc impossible car la rétroaction océan-atmosphère est coupée

par construction. En revanche, la phase couplée permet cette interaction. Bender et al. (1993) montrent à

l’aide d’un modèle d’océan haute résolution (1/6˚) que le couplage induit une chute de la température de

surface et par suite une diminution de l’intensité des cyclones modélisés. Les résultats des tests réalisés

par Bender et al. sont rapportés dans le tableau 5.1. Le couplage aurait donc une rétroaction négative

sur l’activité cyclonique. Les différences entre le modèle couplé et le modèle forcé se traduisent par une

augmentation de la pression centrale et une diminution du vent maximum. Les résultats présentés dans

ce tableau indiquent que plus le cyclone se déplace vite, plus l’impact du couplage est faible.

Vitesse de déplacement Différence de pression Différence de vent Différence dedu cyclone (m.s−1) minimum (hPa) maximum (m.s−1) SST (°C)Ecoulement vers l’ouest2.2 15.6 -6.7 -4.64.2 12.0 -4.8 -3.76.6 7.0 -2.6 -3.0

TAB. 5.1 – Impact du couplage océan-atmosphère sur l’intensité des cyclones modélisés, mis en évidencepar Bender et al.(1993) Différences entre couplé et forcé

L’échelle de Saffir-Simpson est l’échelle de classification de l’intensité des cyclones tropicaux, in-

cluant le bassin cyclonique de l’océan Atlantique. Elle fut développée en 1969 par l’ingénieur civil Her-

bert Saffir et le docteur Bob Simpson, directeur du National Hurricane Center à cette époque. Saffir

avait développé cette échelle à la demande de l’Organisation météorologique mondiale (ONU) pour dé-

crire les effets potentiels d’un cyclone tropical sur les infrastructures humaines. Elle est graduée en cinq

niveaux d’intensité, correspondant à des intervalles de vitesses de vents normalisées (voir figure 5.2).

Les vents les plus violents ont lieu autour de l’oeil du cyclone. La zone centrale est d’autant plus

dépressionnaire que les vents périphériques sont rapides. Dans l’étude de l’intensité des cyclones mo-

délisées, on s’intéressera donc au minimum de pression dans le vortex, ainsi qu’à la vitesse de rotation

maximum du cyclone (ou vorticité).

Classe Intensité Vitesse des vents max1 Faible 118 à 153 km/h2 Modéré 154 à 177 km/h3 Fort 178 à 210 km/h4 Très fort 211 à 249 km/h5 Dévastateur supérieurs à 249 km/h

TAB. 5.2 – Echelle de classification des cyclones selon Saffir-Simpson

CHAPITRE 5. MODE OPÉRATOIRE 30

5.2 Intérêt du cas d’étude

L’Atlantique tropical présente au printemps 2010 des températures anormalement élevées par rap-

port à la climatologie. Ces anomalies sont uniformément réparties de la côte ouest de l’Afrique jusqu’au

Golfe du Mexique, et entre 0˚et 20˚de latitude. Elles s’élèvent par endroits à plus de 2.5˚C. Pendant la

saison cyclonique tropicale, du 1er juin au 30 novembre selon la définition de l’Organisation météo-

rologique mondiale, cette zone accueille la naissance d’une dizaine de cyclones en moyenne chaque

année, qui prennent naissance dans les eaux chaudes des tropiques en se dirigeant d’est en ouest, puis

se cambrent vers le nord et le nord-est à l’approche du continent américain, et s’éteignent aux latitudes

plus élevées (voir carte 5.2). Parmi les facteurs participant à la cyclogénèse, la température de surface de

l’océan est déterminante avec un seuil minimum à 26.5˚C (Gray et al. 1979).

FIG. 5.2 – Traces des cyclones sur l’Atlantique Nord de 1985 et 2005

5.3 Protocole expérimental

Un protocole expérimental a été mis en place, qui permet de répondre aux besoins des deux études.

Il a été réalisé dans une perspective de prévision opérationnelle saisonnière. La validité d’une simula-

tion pour réaliser une prévision est mise en défaut par l’aspect chaotique de l’évolution atmosphérique.

En effet, quand bien même le modèle et les conditions initiales seraient parfaites, l’état de l’atmosphère

est imprévisible au-delà d’une certaine durée. La prévision climatique s’appuie sur la prise en compte

du chaos atmosphérique en réalisant un grand nombre de simulations et en moyennant les résultats ob-

tenus. Ces simulations ne partagent que leurs conditions océaniques initiales, et évoluent indépendam-

ment les unes des autres. Les résultats sont ensuite analysés statistiquement pour établir la probabilité

d’occurrence de tel ou tel scénario. Ici, une année entière de simulation n’étant pas nécessaire, on réalise

des membres de six mois, de début mai à fin octobre.

Remarque : Pour obtenir les 10 conditions atmosphériques initiales différentes, on réalise une simulation du

1er janvier au 10 mai. Les 10 membres se sont vus attribuer comme conditions atmosphériques initiales celles de

ces 10 premiers jours du mois de mai.

Deux expériences sont réalisées : une expérience témoin et une expérience rendant compte des ano-

CHAPITRE 5. MODE OPÉRATOIRE 31

malies de 2010. Le modèle d’océan est utilisé dans sa configuration couche de mélange, il y a donc deux

phases dans la réalisation de chaque expérience :

1. Calcul des corrections de flux (mode forcé)

– 10 membres de référence (ou témoins), pour lesquels l’atmosphère voit la température et la

salinité d’un océan climatologique (valeurs Levitus),

– 10 membres perturbés, pour lesquels l’atmosphère voit la température et la salinité d’un océan

climatologique excepté sur la bande tropicale de l’Atlantique où les anomalies de températures

ont été observées. Sur cette bande seulement, les températures de surface de l’eau vues par l’at-

mosphère seront maintenues aux valeurs observées en mai (figure 5.3). On fait l’hypothèse que

ces anomalies de températures perdureront toute la saison cyclonique. Cette hypothèse s’ap-

puie sur le fait que statistiquement, c’est le cas, les anomalies de SST dans cette région ayant une

persistence de 6 mois environ.

2. Application des corrections de flux (mode couplé)

– 10 membres auxquels sont appliqué les corrections de flux de référence,

– 10 membres auxquels sont appliqué les corrections de flux de 2010.

FIG. 5.3 – Différence entre les SST forcées 2010 et Levitus

Il y a ainsi types de simulations ou configurations : forcé de référence et forcé 2010, couplé de réfé-

rence et couplé 2010, soit au total 40 simulations. La première étude (l’impact du couplage) sera réalisée

à partir des simulations de référence uniquement, en forcé et en couplé, soit 20 membres en tout. La

seconde étude (l’année 2010) utilisera les résultats des simulations couplées (de référence et de 2010),

soit 20 membres également.

5.4 Méthodologie de détection des cyclones simulés

Les champs atmosphériques nécessaires à la caractérisation des cyclones sont :

– la pression de surface

– les vents à 200, 300 et 850hPa

– la température à 300, 500, 700 et 850hPa

Les valeurs toutes les 6 heures de ces champs ont été transmises à Fabrice Chauvin, du CNRM, qui

à utilisé un logiciel spécifique à la détection et au tracé des cyclones pour chacun des 40 membres de

simulations. Au préalable, les champs sont interpolés sur une grille régulière de 0.5° x 0.5° et formatés

selon les exigences du logiciel utilisé. Le domaine sera également réduit au bassin Atlantique Nord.

CHAPITRE 5. MODE OPÉRATOIRE 32

Ensuite, un calibrage est réalisé sur une simulation de référence ; il s’agit de définir les seuils de vent,

de vorticité et de température permettant d’obtenir un nombre réaliste de cyclones pour la période

considérée (du 1er juin au 30 octobre). Pour une dizaine de cyclones (moyenne saisonnière observée),

on obtient les valeurs suivantes :

– vent V = 17 m/s (tempête tropicale)

– vorticité ω = 200.10−5s−1

– anomalie de température T = +3 ˚C (différence entre le coeur du tourbillon et l’environnement)

Remarque : Les valeurs obtenues sont conformes à la réalité et correspondent aux valeurs seuils de caractérisa-

tion d’une tempête tropicale.

Une fois ces valeurs seuils déterminées à partir d’un membre-étalon, on les utilise pour détecter les

cyclones dans les membres des autres configurations. On obtient ainsi (au format NetCDF et ASCII) des

caractéristiques pour chaque cyclone et pour chaque pas de temps : date, latitude, longitude, pression

minimum, vitesse du vent maximum, vorticité maximum, et ce toutes les 6 heures. Ces données per-

mettent notamment de tracer les trajectoires sur une carte. On réalise aussi des analyses statistiques à

partir des informations suivantes :

– quantité

– durée (nombre de pas de temps)

– longitude/latitude : moyenne, minimum et maximum

– pression : moyenne et minimum

– vent : moyen et maximum

Remarque : Le travail d’interpolation des champs atmosphériques sur une grille adaptée au logiciel de détection

de cyclones a permis de comparer les performances de deux outils : NCL et OASIS en mode interpolateur. Alors que

les temps de calcul sont presque 10 fois plus élevés avec NCL (3h30 pour un champ 1D contre 20 min avec OASIS),

le formalisme d’OASIS nécessite l’utilisation préalable de plusieurs outils NCO pour chaque membre : concaténer

les 6 mois de simulations, renommer les champs, définir un champ 1D pour chaque niveau vertical des champs

3D. Ces opérations sont réalisées séquentiellement et de façon automatique à l’aide d’un script UNIX, mais sont

également coûteuses en temps. La haute résolution pose le problème de la lourdeur des temps de post-traitement,

qui sont quasiment du même ordre que les temps de simulations.

6 Impact du couplage sur lamodélisation des cyclones

Un cyclone peut être vu comme une machine thermique couplée entre l’océan et l’atmosphère. Le

tourbillon puise dans les couches d’eau superficielles l’énergie thermique nécessaire à sa formation et

à son maintien, qu’il dissipe sous forme d’énergie cinétique (vents et courants). La température de sur-

face de la mer est un facteur déterminant pour la cyclogénèse ainsi que pour l’intensité des cyclones.

Les échanges de chaleur à l’interface air-mer sont de l’ordre de 1000 W/m2, soit 3 à 4 fois plus intenses

qu’une dépression classique qui traverse la France par exemple. Cependant, en pompant la chaleur

présente dans l’eau sous-jacente, le cyclone vide son réservoir d’énergie. Il s’éteindrait rapidement s’il

restait au même endroit trop longtemps, c’est son mouvement qui lui assure son approvisionnement

énergétique. A l’échelle du bassin océanique, l’action globale des cyclones est de puiser de l’énergie

dans les tropiques et de la transporter aux moyennes latitudes (>30˚ de latitude). Ces considérations

nous invitent à réfléchir sur l’impact du couplage dans la modélisation des cyclones et sur la réponse

océanique à ces phénomènes.

On utilise ici seulement les simulations de référence 10 membres en forcé et 10 membres en cou-

plé. Ce mode expérimental permet ensuite de comparer les résultats couplés et forcés, en réalisant des

moyennes d’ensemble sur les 10 membres.

6.1 Quantité de cyclones et période de formation

FIG. 6.1 – Comparaison de la quantité de cyclones en couplé et en forcé (à gauche) et de la période deformation (à droite)

33

CHAPITRE 6. IMPACT DU COUPLAGE SUR LA MODÉLISATION DES CYCLONES 34

Le graphique à gauche de la figure 6.1 montre le nombre total de cyclones par simulations. L’axe des

abscisses donne les jours depuis le 1er mai jusqu’au 31 octobre. Les résultats commencent le 1er juin, date

de début de la saison cyclonique sur l’Atlantique. On peut voir que 108 cyclones ont été modélisés au

total dans les 10 membres couplés, et seulement 91 dans les 10 membres forcés, soit une augmentation

de 18.6% de cyclones modélisés. Rappelons que le logiciel qui a permis de détecter les cyclones a été

étalonné sur une simulation forcée avec un nombre de cyclones correspondant à la moyenne observée ;

on peut dès lors considérer que les valeurs obtenues pour les simulations forcées sont comparables aux

observations.

A droite, le graphique présente la probabilité de distribution des périodes de formation des cyclones,

avec en bleu clair les résultats des simulations couplées et en bleu foncé ceux des simulations forcées. Ces

courbes ont été lissées en calculant une moyenne glissante avec un pas de 5 jours. On voit que l’allure des

deux courbes est similaire, avec un pic au trois-quarts de la saison (mi-septembre). Cependant elles sont

décalées l’une par rapport à l’autre. Ce décalage traduit le fait que les simulations couplées produisent

leurs cyclones en moyenne 5 à 10 jours plus tard que les simulations forcées. D’autre part, les simulations

forcées présentent au 1er juin jusqu’à 4.6% de leur nombre total de cyclones. Alors que les simulations

forcées produisent 17% de leurs cyclones dès le mois de juin, les simulations couplées prennent plus de

temps pour instaurer leur saison cyclonique (à peine 10% en juin), et atteignent un pic de probabilité

de distribution de cyclones simulés en moyenne le 10 septembre, soit plus de quinze jours après les

simulations forcées.

6.2 Intensité des cyclones

Pour les simulations forcées et couplées, nous étudions la probabilité de distribution (%) des minima

de pression, des maxima de vitesse du vent et de vorticité. Les résultats sont reportés sur la figure 6.2,

après un lissage des courbes (moyenne glissante réalisée avec un pas de 4 unités).

Le graphique en haut à gauche donne la probabilité de distribution des minima de pression. Dans les

simulations forcées (courbes bleu foncé), 78% des cyclones simulés ont un minimum de pression com-

pris entre 990 et 1010 hPa, dont un tiers entre 996 et 1002 hPa. On retrouve quasiment cette répartition

pour les cyclones des simulations couplées (courbes bleu clair), avec 5% de cyclones en moins possédant

un minimum de pression compris entre 996 et 1002 hPa, et un peu plus de 10% entre 970 et 980 hPa. Ce

sont les simulations forcées qui présentent les cyclones avec les valeurs les plus basses : 9% du nombre

total de cyclones avec un minimum compris entre 955 et 970 hPa, contre seulement 1% pour les cyclones

des simulations couplées.

Concernant les vents, sur le graphique en haut à droite, on observe pour les vents supérieurs à 20

m/s une augmentation de 2 à 4% du nombre de cyclones simulés en couplé par rapport aux cyclones

simulés en forcé. 80% des cyclones produits dans les simulations forcées présentent des maximums de

vents compris entre 15 et 22 m/s, dont 40% entre 15 et 17 m/s, contre seulement 33% pour les cyclones

des simulations couplées.

Enfin, le graphique 6.2 en bas montre que les vitesses de rotation maximum pour les cyclones des

simulations forcées et couplées ont une allure identique, avec une probabilité de distribution maximum

comprise entre 14 et 16 m/s, respectivement de 39% et 42%.

CHAPITRE 6. IMPACT DU COUPLAGE SUR LA MODÉLISATION DES CYCLONES 35

FIG. 6.2 – Comparaison de l’intensité des cyclones simulés en couplé et en forcé

CHAPITRE 6. IMPACT DU COUPLAGE SUR LA MODÉLISATION DES CYCLONES 36

6.3 Réponse océanique au passage d’un cyclone

On s’intéresse ici à l’impact du passage d’un cyclone sur la température de surface (SST) de l’océan.

Pour cela, seules les simulations couplées sont pertinentes. On repère un violent cyclone dans l’un des

membres couplés et le point de la trajectoire où le cyclone atteint son minimum de pression. Sur la fe-

nêtre de gauche de la figure 6.3, on trace l’évolution temporelle de la SST en ce point (courbe noire),

ainsi que la valeur moyennée sur les 9 autres membres (courbe rouge). Sur la fenêtre de droite, on trace

la différence entre les deux courbes (SST cyclone - SST moyenne). On réalise l’expérience pour deux

cyclones différents. Les courbes, même moyennées, sont très bruitées, ce qui rend difficile la quantifica-

tion de la diminution de SST au passage du cyclone. La variation de SST due au cyclone est masquée

par la variabilité naturelle. Tout au plus, on peut conclure que l’impact du cyclone sur la SST dure une

quinzaine de jours. Cela nous donne une indication pour nos futures études.

FIG. 6.3 – A gauche : Comparaison de la SST au passage d’un cyclone (courbe noire) et de la SSTmoyenne (courbe rouge). A droite : Anomalie de la SST au passage du cyclone (différence entre lescourbes noire et rouge)

Pour palier ce problème du bruit des signaux, on propose de réaliser une étude avec un échantillon

de 10 cyclones, sélectionnés selon leur intensité (les 10 plus forts des simulations couplées). L’obectif

est de tracer une courbe enveloppe de l’évolution de la SST. On sélectionne les 10 cyclones les plus

intenses des simulations couplées de références. La carte 6.4 donne la position du maximum d’intensité

de chaque cyclone, déterminé par un critère de minimum de pression.

On s’intéresse à l’évolution de la SST et du contenu du chaleur intégré entre la surface et 300 mètres

de profondeur. On s’attend a priori à une diminution de ces quantités due au transfert de chaleur de

l’océan vers le cyclone.

A partir des résultats précédents, on limite la période d’étude à 20 jours : elle commence 5 jours

CHAPITRE 6. IMPACT DU COUPLAGE SUR LA MODÉLISATION DES CYCLONES 37

FIG. 6.4 – Positionnement des dix vortex les plus dépressionnaires

avant le passage du cyclone et se termine 15 jours après. Les valeurs au temps t=0 (jours J-5) sont prises

comme valeurs de référence. Pour supprimer l’influence du cycle annuel, on réalise des moyennes sur

les 10 membres, et on fait la différence entre les valeurs particulières et les valeurs moyennes. En effet,

soustraire à un champ sa valeur moyenne correspond à supprimer son cycle annuel (son évolution

naturelle au cours de l’année). Les variations restantes sont dues uniquement au passage du cyclone.

La figure 6.5 présente les résultats obtenus pour la SST et le contenu de chaleur :

– à gauche, les valeurs sont brutes = prise en compte du cycle annuel

– au centre, ce sont les moyennes sur les 10 membres = cycle annuel

– à droite, c’est la différence entre les valeurs brutes et les valeurs moyennes = impact des cyclones

seulement

A droite, les 10 courbes présentent effectivement une baisse de la SST et du contenu de chaleur au

passage du cyclone. Cette baisse varie d’un cyclone à un autre et on l’estime entre -0.4°C et -2.2°C au jour

J + 2. Le moment où le minimum est observé varie entre un jour avant (courbe orange) le passage du

cyclone et 5 jours après (courbe verte). Cette dispersion est due aux dates d’occurence des 10 cyclones

sélectionnés, qui sont différentes (certains ont lieu en début de saison alors que d’autres sont à la fin), et à

la diversité géographique qui confère des dynamiques différentes dans les échanges océan-atmosphère.

On peut recouper les informations données par la SST avec celles du contenu de chaleur ; en effet, si le

contenu de chaleur s’effondre (ou augmente), la SST fait de même. L’allure des courbes est comparable,

et la baisse moyenne au jour J + 2 est de −4.107J .

Remarque : L’échantillon de 10 cyclones reste faible et les moyennes réalisées présentent encore une importante

variabilité. C’est pourquoi en général les études sur les cyclones se focalisent sur des cas d’études, qui permettent

de comparer la modélisation avec les observations.

CHAPITRE 6. IMPACT DU COUPLAGE SUR LA MODÉLISATION DES CYCLONES 38

FIG. 6.5 – Réponse de l’océan au passage d’un cyclone : SST (˚C), enthalpie à 300m (J). Valeurs brutes (àgauche), moyennes (au centre) et anomalies (à droite)

7 Étude de l’activité cyclonique de lasaison 2010 sur l’Atlantique Nord

Les anomalies observées en 2010 sont de loin les plus chaudes jamais observées depuis 1950, début

des séries de SST mensuelles fiables, correspondant à plus de 3 à 4 déviations standards. Il s’agit d’éva-

luer par le modèle l’impact des anomalies de températures observées dans l’Atlantique tropical de 2010

sur la quantité et l’intensité des cyclones. Au vu du bon fonctionnement du modèle mis en place et suite

à sa validation, il s’est révélé particulièrement intéressant de mettre à profit la haute résolution pour

cette étude de cas en temps réel.

7.1 Trajectoires

FIG. 7.1 – Trajectoires pour les simulations couplées de référence

La figure 7.1 présentent la dizaine de trajectoires des cyclones obtenus avec les membres de référence,

et la figure 7.2 présentent les trajectoires des cyclones modélisés d’après les conditions de 2010. Les tra-

jectoires sont relaxées avec un critère de vorticité ω = 14.10−5s−1. Cela permet une meilleure identi-

fication des cyclones, en éliminant les tourbillons présentant provisoirement les caractéristiques d’un

cyclone mais ne perdurant pas. Cela permet aussi d’identifier plusieurs portions de cyclones comme ap-

39

CHAPITRE 7. ÉTUDE DE L’ACTIVITÉ CYCLONIQUE DE LA SAISON 2010 SUR L’ATLANTIQUE NORD40

FIG. 7.2 – Trajectoires pour les simulations couplées 2010

partenant à une seule et même perturbation. Les simulations présentent une concentration de cyclones

nettement plus développée sur les Antilles et dans le Golfe du Mexique en 2010 qu’en temps normal.

Ceci peut être dû au fait que la SST y est plus élevée en moyenne sur la saison que dans le reste de

l’Atlantique.

7.2 Quantité de cyclones

Les simulations de 2010 (forcées et couplées) présentent en moyenne presque 3 fois plus de cyclones

que les simulations de référence (voir figure 7.3). Même pour 10 membres par configuration, la faible

dispersion du nombre de cyclones par membre assure de la robustesse de ces résultats.

7.3 Intensité des cyclones

Le chapitre précédent présentait les différences d’intensité des cyclones modélisés en forcé et en cou-

plé. Dans l’étude qui va suivre, il s’agit d’évaluer l’influence des conditions de SST 2010 sur l’activité

cyclonique. Pour éviter d’amalgamer les effets du forçage des SST 2010 et les effets du couplage, nous

étudions dans cette partie uniquement les résultats des simulations couplées.

En première approche, on évalue l’intensité des cyclones dans les différentes configurations en com-

parant les minimum de pression : la valeur moyenne par configuration, la valeur moyenne par membre

(ou dispersion intra-membre) et la valeur minimale pour chaque cyclone (voir figure 7.5).

Les pressions minimales sont nettement inférieures dans les simulations 2010, avec 980 hPa en

moyenne contre 990 hPa pour les simulations de référence. D’autre part, quand on regarde la disper-

sion des valeurs moyennes par membre, on remarque que la variabilité est en moyenne deux fois plus

CHAPITRE 7. ÉTUDE DE L’ACTIVITÉ CYCLONIQUE DE LA SAISON 2010 SUR L’ATLANTIQUE NORD41

FIG. 7.3 – Comparaison du nombre moyen de cyclones par membre, dispersion et valeurs moyennespour les 4 configurations

FIG. 7.4 – Comparaison des pressions minimales moyennes par configuration

CHAPITRE 7. ÉTUDE DE L’ACTIVITÉ CYCLONIQUE DE LA SAISON 2010 SUR L’ATLANTIQUE NORD42

FIG. 7.5 – Dispersion des pressions minimales pour chaque membre. Simulations de référence (à gauche)et simulations 2010 (à droite)

grande que pour les simulations de référence (graphe 7.5). Nous pourrons retenir que les membres 2010

présentent tous plus de cyclones, et qu’en moyenne ils sont tous plus intenses.

Pour les simulations de référence et 2010, nous étudions la probabilité de distribution (%) de la

pression minimale, du vent et de la vorticité maximales. Les résultats sont reportés sur la figure 7.6,

après un lissage des courbes (moyenne glissante avec un pas de 4 unités).

Sur le graphique 7.6 en haut à gauche, le décalage systématique de 10 hPa de la courbe bleu clair vers

les basses pressions montre que les simulations 2010 modélisent des cyclones qui ont des minimum

de pression plus faibles que les simulations de référence (en bleu foncé). De plus, 10% des cyclones

des simulations 2010 ont des minimum de pression compris entre 935 et 970 hPa, qui n’apparaissent

pratiquement pas dans les cyclones des simulations de référence.

Concernant les vents, sur le graphique 7.6 en haut à droite, on observe ici aussi un décalage systéma-

tique de la courbe bleu clair par rapport à la courbe bleu foncé. Ce décalage traduit une augmentation

moyenne de 5 m/s de la vitesse des vents pour les cyclones simulés en 2010 par rapport à la référence.

Les simulations de 2010 présentent des cyclones globalement plus violents, et les plus violents sont aussi

plus nombreux.

Enfin, le graphique 7.6 en bas montre que les vitesses de rotation sont assez peu changées dans les

simulations 2010 par rapport aux simulations de référence, mais présentent cependant davantage de

cyclones à faibles vorticité : 32% des cyclones entre 9 et 13 m/s en 2010 contre seulement 19% dans les

simulations de référence.

7.4 Comparaison avec les observations

Les simulations et l’analyse des résultats ont été réalisées en parallèle de la saison cyclonique réelle.

Retrospectivement, au jour de la rédaction de ce rapport et bien que la saison cyclonique prenne fin

dans plus de deux mois, nous pouvons tout de même comparer nos études avec les observations réali-

CHAPITRE 7. ÉTUDE DE L’ACTIVITÉ CYCLONIQUE DE LA SAISON 2010 SUR L’ATLANTIQUE NORD43

FIG. 7.6 – Comparaison de l’intensité des cyclones de 2010 avec les cyclones climatologiques

CHAPITRE 7. ÉTUDE DE L’ACTIVITÉ CYCLONIQUE DE LA SAISON 2010 SUR L’ATLANTIQUE NORD44

sées jusqu’au 15 septembre1.

FIG. 7.7 – Activité cyclonique observée en 2010 sur l’Atlantique Nord (Source :www.wunderground.com)

Le mois de juin n’a présenté qu’un seul cyclone tropical (Alex), qui a cependant été le seul catégorie

2 vu en début de saison depuis 1966. Ensuite, deux dépressions tropicales et une tempête tropicale (Bon-

nie) se sont déclarées au mois de juillet. En août, le bassin Atlantique voit naître quatre tempêtes et une

dépression tropicales. Deux de ces tempêtes, Danielle et Earl, sont devenus des cyclones majeurs (caté-

gorie 4). Le 15 septembre, le cyclone tropical Karl s’éteint en atteignant la côte mexicaine, alors que pour

la deuxième fois seulement depuis 1944 deux cyclones de catégorie 4 se partagent l’océan Atlantique,

Igor et Julia. Karl est le 11ème cyclone de la saison. Jusqu’à maintenant, les seules années plus actives à

mi-saison ont été 2005, 1995, 1936 et 1933. Julia, avec ses vents à 135 mph détient le record du cyclone

de catégorie 4 le plus à l’Est. Le précedent cyclone Earl détenait quant à lui la 4ème place du cyclone

le plus intense aussi au Nord. En recoupant ces informations, il apparaît que la SST record de l’année

2010 a étandue de façon significative la surface de l’océan Atlantique sur laquelle les cyclones majeurs

peuvent exister. C’est seulement la troisième année qui présente autant de cyclones de catégorie 4, après

2005 et 1999. Et jamais ils n’avaient tous eu lieu sur une période aussi courte, 20 jours.

Nous ne sommes qu’au deux-tiers de la saison et pourtant l’historique des cyclones en compte déjà

onze, dépassant la valeur moyenne d’un dizaine de cyclones observés sur toute la saison. Sans réaliser

de projections sur le nombre de cyclones à venir, on peut cependant constater qu’en terme d’intensité, les

cyclones observés battent des records cette année, comme le laisse effectivement penser nos simulations.

1Les données des observations proviennent de l’organisation Weather Underground

Conclusion

Le travail accompli au cours de ce stage a permis d’aborder de façon complémentaire et logique

plusieurs facettes de l’étude de la modélisation du climat : la mise en place d’un modèle couplé haute

résolution, suivie de sa validation et enfin son utilisation pour l’étude de la modélisation de processus

physiques turbulents, les cyclones.

Le travail réalisé sur le modèle climatique couplé ARPEGE-NEMO a permis de mettre au point la

haute résolution, en passant de la résolution t63 - orca2 à la résolution t359 - orca025, pour l’atmosphère

et l’océan, respectivement. On a donc une résolution horizontale atmosphérique au sol deux fois plus

importante, avec des mailles de 75 km de côté, et un résolution horizontale océanique huit fois plus

importante, avec des mailles de 25 km de côté à l’équateur. Le modèle océanique utilisé présente la par-

ticularité d’être unidimensionnel vertical. Cette configuration dite « couche de mélange » a été préférée

à un modèle couplé complet d’une part pour la qualité de ses résultats (réduction des biais de SST), et

d’autre part pour l’économie en ressources numériques lors des simulations, économie d’autant plus

nécessaire en haute résolution.

L’augmentation de la résolution permet une représentation plus réaliste des phénomènes turbulents

petite échelle comme les cyclones. Nous avons donc mis à profit notre nouveau modèle pour l’étude de

la modélisation des cyclones tropicaux sur le bassin Atlantique Nord. Les simulations d’ensemble de 10

membres ont été réalisées, de début mai à fin octobre. L’étude a été divisée en deux parties : d’une part

l’influence du couplage océan-atmosphère sur les cyclones simulés, et d’autre part le cas particulier de

la saison cyclonique de 2010. Le couplage océan-atmosphère permet tout d’abord d’évaluer l’impact du

passage d’un cyclone.

La diminution de la SST au passage d’un cyclone coïncide avec celle du contenu du chaleur inté-

gré entre la surface et 300 mètres de profondeur. Un des principaux résultats de cette étude est que les

valeurs calculées pour un cas particulier ne peuvent en aucun cas être généralisées à tous les cyclones

tropicaux, du fait de l’importante dispersion des cycles annuels, pour la saison et la zone considérées.

En terme de quantité de cyclones modélisés, le couplage introduit ici une augmentation de 18.6% du

nombre de cyclones modélisés par rapport aux simulations forcées. Les simulations couplées ont be-

soin d’un certain temps pour établir un pourcentage significatif de cyclones : à peine 10% en juin contre

17% pour les simulations forcées, et elles atteignent un pic de probabilité de distribution de cyclones

simulés le 10 septembre, soit plus de quinze jours après les simulations forcées. Au point de vue de l’in-

tensité, les cyclones des simulations couplées présentent des vents maximum plus forts, des minimums

de pressions comparables à ceux des simulations forcées, et une vorticité généralement augmentée de

45

CONCLUSION 46

0.5 m/s. La prévision de l’activité cyclonique sur l’Atlantique Nord en 2010 a permis de mettre en évi-

dence l’impact d’une SST exceptionnellement élevée sur l’Atlantique tropical (anomalie par rapport à

la climatologie Levitus supérieure à 2°C) au printemps précédent. Le protocole mis a place a permis de

réaliser des expériences perturbées prennant en compte ces anomalies régionales de SST et de comparer

les résultats des simulations couplées à une expérience de référence utilisant les valeurs climatologiques

observées. Les simulations de 2010 présentent presque trois fois plus de cyclones que les simulations

de référence, avec des minima de pression et des vents maximum records. Les observations en temps

réel confirment l’activité cyclonique extrême prévue dans nos simulations, avec un nombre de cyclones

réels d’ores et déjà égal à la valeur climatologique moyenne sur toute la saison, et des records d’intensité

(déjà quatre cyclones de catégorie 4).

Perspectives

L’analyse de phénomènes localisés (le bassin Atlantique Nord par exemple) avec un modèle clima-

tique global est rendue délicate par la multitude des interactions existantes entre les différents phé-

nomènes climatiques à la surface du globe. La configuration « couche de mélange » est un moyen de

sélectionner les processus physiques qui seront pris en compte dans l’étude des phénomènes modélisés.

Ce modèle océanique simplifié s’inscrit dans le cadre plus général de la mise en place de modèles océan-

atmosphère complètement couplés, dont l’objectif à terme est de représenter de façon réaliste le climat

terrestre. Concernant l’activité cyclonique 2010, il sera bien sûr très intéressant de comparer les résultats

de nos simulations avec les observations à la fin du mois d’octobre. On pourrait aussi étudier l’impact

du couplage sur la modélisation des cyclones dans les conditions de 2010. Une première approche a

montré que, contrairement aux simulations réalisées avec les SST Levitus, les simulations réalisées avec

les SST de 2010 représentent la même quantité de cyclones en couplé qu’en forcé. D’un point de vue

technique, bien que les performances théoriques du modèle ARPEGE-NEMO haute résolution sur les

calculateurs scalaires à venir soient meilleures que sur la machine vectorielle NEC SX8 actuellement

utilisée, le portage du modèle est encore à faire. D’autre part, on pourrait envisager des solutions pour

réduire la taille des fichiers de sortie des simulations haute résolution afin de faciliter leur stockage et

les opérations de post-traitement (simulations en haute résolution et données de sorties en résolution

dégradée par exemple).

Bilan personnel

Ce stage a constitué une période intense d’acquisition de connaissances et de compétences. Un des

points forts est qu’il m’a permis d’associer les deux dimensions de ma formation : l’aspect technique

et l’aspect recherche, mettant en jeu à la fois des connaissances reçues dans ma formation d’ingénieur

(programmation, transferts de chaleur) et aux cours du master (mécanique des fluides et turbulence).

Cela a été rendu possible par la réalisation de deux projets s’inscrivant dans la continuité l’un de l’autre.

Pendant la première moitié de ce stage, la mise au point du modéle haute résolution m’a permis

d’acquérir des compétences en informatique : utilisation du code de commandes UNIX, familiarisation

avec des arborescences importantes, création et édition de scripts avec Emacs, interpolation de données

CONCLUSION 47

avec OASIS et NCL, manipulations de fichiers au format NetCDF avec les outils NCO, et accessoirement

utilisation de Latex pour la rédaction de ce rapport.

Ensuite, l’utilisation du modèle climatique m’a permis de réaliser des simulations couplées sur le

supercalculateur NEC SX8 de Météo-France. Au point de vue des connaissances scientifiques, l’étude

de la modélisation des cyclones est associée à la découverte de processus mis en jeu dans le système

climatique terrestre, la cyclogénèse et l’intéraction cyclone-océan, le fonctionnement d’un modèle cli-

matique couplé, la configuration couche de mélange pour un océan unidimensionnel vertical, l’analyse

et la visualisation des données de sorties avec des outils spécifiques (NCO, NCL, Ferret, exécutables

Statpack).

Ces quelques mois ont été l’occasion de rencontres enrichissantes avec des personnes expérimentées

et passionnées. Au fil des discussions, j’en ai appris davantage sur les disciplines et les problématiques

liées à la modélisation du climat. Le travail effectué a suscité un intérêt personnel fort et m’a donné

envie de continuer à m’investir dans cette voie.

Table des figures

0.1 Logos des sept actionnaires du CERFACS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

0.2 Schéma simplifié du fonctionnement d’un cluster de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

0.3 Comparaison de la scalabilité du modèle ARPEGE-NEMO à moyenne résolution (à gauche)

et à haute résolution (à droite). La scalabilité maximale (courbe noire) s’obtient pour des

modèles parfaitement parallélisables (qui vont n fois plus vite en utilisant n fois plus de

processeurs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1 Schéma du système atmosphérique modélisé par ARPEGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2 Schéma d’une maille de grille Arakawa de type C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3 Positionnement des pôles sur la grille ORCA (Source : www.mercator-ocean.fr) . . . . . . 11

2.1 Différence entre la SST annuelle moyenne et Levitus avec ARPEGE-NEMO basse résolu-

tion. A gauche : couplé complet. A droite : configuration couche de mélange. . . . . . . . 16

2.2 Mode forcé : Calcul des corrections de flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3 Mode couplé : Application des corrections de flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1 Résolution verticale de la grille ORCA025 (étoiles bleues). A droite : sur toute la profon-

deur océanique. A gauche : sur les 300 premiers mètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2 Extraits de namelists. A gauche ARPEGE, à droite NEMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.3 Extrait de la namcouple OASIS utilisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.1 Corrections de flux de chaleur avec ARPEGE t359 – NEMO ORCA025 (haute résolution) . 24

4.2 Corrections de flux de chaleur avec ARPEGE t63 – NEMO ORCA2 (basse résolution) . . . 25

4.3 Comparaison des SST (à gauche) et SSS (à droite) avec les valeurs climatologiques obser-

vées. En haut, les moyennes de SST et SSS (de mai à octobre). En bas, les biais du modèle

couplé (moyennés de mai à octobre) par rapport au modèle forcé. . . . . . . . . . . . . . . 26

5.1 Structure d’un cyclone de l’hémisphère Nord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.2 Traces des cyclones sur l’Atlantique Nord de 1985 et 2005 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.3 Différence entre les SST forcées 2010 et Levitus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6.1 Comparaison de la quantité de cyclones en couplé et en forcé (à gauche) et de la période

de formation (à droite) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.2 Comparaison de l’intensité des cyclones simulés en couplé et en forcé . . . . . . . . . . . . 35

48

6.3 A gauche : Comparaison de la SST au passage d’un cyclone (courbe noire) et de la SST

moyenne (courbe rouge). A droite : Anomalie de la SST au passage du cyclone (différence

entre les courbes noire et rouge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

6.4 Positionnement des dix vortex les plus dépressionnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6.5 Réponse de l’océan au passage d’un cyclone : SST (˚C), enthalpie à 300m (J). Valeurs brutes

(à gauche), moyennes (au centre) et anomalies (à droite) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.1 Trajectoires pour les simulations couplées de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

7.2 Trajectoires pour les simulations couplées 2010 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.3 Comparaison du nombre moyen de cyclones par membre, dispersion et valeurs moyennes

pour les 4 configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

7.4 Comparaison des pressions minimales moyennes par configuration . . . . . . . . . . . . . 41

7.5 Dispersion des pressions minimales pour chaque membre. Simulations de référence (à

gauche) et simulations 2010 (à droite) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

7.6 Comparaison de l’intensité des cyclones de 2010 avec les cyclones climatologiques . . . . 43

7.7 Activité cyclonique observée en 2010 sur l’Atlantique Nord (Source : www.wunderground.com) 44

Liste des tableaux

0.1 Caractéristiques techniques du cluster Tori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3.1 Comparaison des variables spécifiques aux modèles ARPEGE-NEMO basse et haute ré-

solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.1 Impact du couplage océan-atmosphère sur l’intensité des cyclones modélisés, mis en évi-

dence par Bender et al.(1993) Différences entre couplé et forcé . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.2 Echelle de classification des cyclones selon Saffir-Simpson . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

50

Bibliographie

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51

Annexe : Script principal du modèlecouplé ARPEGE-NEMO hauterésolution

#!/bin/ksh################################################################################# LEGO Application number 2## ANR (Reference ANR-CICG05-11)## OCC-25 Climate Model## Echam 5 Atmospheric Model (MPI-MG) or# Arpege 5 Atmospheric Model (CNRM)# Nemo v3.2 Oceanic Model (LOCEAN-CNRS)# Oasis 3-p Coupling Driver (Cerfacs)## Creation: 01/2010 E. Maisonnave (Cerfacs)# Adapted: 03/2010 Mixed layer config (calculate flux correction)################################################################################## Variables## [MNEMO]: experiment mnemonic# 1 experiment = 1800 chained run of this script (150 years)## [NPASS]: script rank in the 1800 chained run (1 month)## You must replace both variables by appropriate values before launching# ----------------------------------------------------------------------#################################################################################- relance directoryREL_DIR=/ext/cf/cglo/\$LOGNAME/relancesmax_relan=0#cd \$REL_DIR/[MNEMO]#JOB=\$HOME/Scripts/OCC25/Run/[MNEMO][NPASS]cat >\$JOB <<’EOJ’#PBS -S /bin/ksh# Temps necessaire#PBS -N [MNEMO][NPASS]#PBS -j o#PBS -q vector#PBS -T mpisx#PBS -b 2#PBS -l cpunum_job=8#PBS -l memsz_job=100gb##PBS -l memsz_job=10gb#PBS -l elapstim_req=3:00:00##PBS -l elapstim_req=1:00:00##PBS -l elapstim_req=40:00################################################################################# 1. GENERAL PARAMETRIZATION################################################################################set -vx#- Main information# Experiment nameexport MNEMO=[MNEMO]# Script number# (begins at 1 and to be incremented at each run)

52

ANNEXE 53

export NPASS=[NPASS]##- Processor/Machines#- Number of Arpege processorsexport NPROC_ARP=8#- Number of Opa processorsexport NPROC_OPA=8#- Number of Oasis processorsexport NPROC_OAS=1#- Number of Trip processorsexport NPROC_TRP=0#- Number of IO server processorsexport NPROC_IOS=0##- Number of Agrif zoomsexport NZOOM_AGR=0#- Mixed layer configuration#- MXL_CONFIG 0: no mixed layer, full ocean#- 1: mixed layer, flux calculation#- 2: mixed layer configurationexport MXL_CONFIG=1##- Dates / Experiment#- Starting dateexport NANDEP=1979export MOISDEP=5##- Local Directories# I/O directoriesexport RAC_DIR=\$HOME/Scripts/OCC25export SCRIPTS=\$RAC_DIR/Modules#- Directory of input filesexport INPUT=\$RAC_DIR/Inputexport INPUT_EXE=\$HOME/OCC25/binexport INPUT_NAM=\$RAC_DIR/Namelist#- Directory of output filesexport OUTPUT=\$FTDIR/OCC25/\$MNEMOexport OUTPUT_C=/exterieurs/cglo/\$USER/OCC25/\$MNEMO#- Directory where run is doneexport RUN_DIR=\$TMPDIR#export RUN_DIR=/utmp/ftdir/\$USER/OCC25/Run/\$MNEMO#export PATH=\$PATH:.:/ext/cf/cglo/\$USER/Statpack/bin/:/ext/cf/cglo/\$USER/relances/procsexport F_RECLUNIT=BYTE################################################################################# 2. Time step limits of this monthly run#################################################################################- Corresponding month and year of script number#if [ ‘expr \$NPASS \% 12‘ -eq 0 ]; then

export MOIS_RUN=12export ANNEE_RUN=‘expr \$NPASS / 12 - 1 + \$NANDEP ‘

elseexport MOIS_RUN=‘expr \$NPASS \% 12‘export ANNEE_RUN=‘expr \$NPASS / 12 + \$NANDEP ‘

fi##- Format date#export DATE_RUN=\$( printf "\%04d\%02d01\backslashn" \$ANNEE_RUN \$MOIS_RUN )export MOIS_RUN=\$( printf "\%02d\backslashn" \$MOIS_RUN )export ANNEE_RUN=\$( printf "\%04d\backslashn" \$ANNEE_RUN )##- Day length of the monthly run#N_JOURS=‘ cal \$MOIS_RUN \$ANNEE_RUN | wc -w ‘(( N_JOURS = \$N_JOURS - 9 ))################################################################ PROLEPTIC GREGORIAN PATCH#if [ \$MOIS_RUN -eq 2 ]; then

if [ ‘expr \$ANNEE_RUN \% 100‘ -eq 0 -a ‘expr \$ANNEE_RUN \% 400‘ -ne 0 ]; thenN_JOURS=28

fifiif [ \$MOIS_RUN -eq 9 -a \$ANNEE_RUN -eq 1752 ]; then

N_JOURS=30fi

ANNEXE 54

###############################################################export N_JOURS##- Seconds length of the monthly run#(( NSEC_RUN = 86400 * \$N_JOURS ))export NSEC_RUN##- Coupling frequency in seconds#export CPL_FREQ=86400##- Models time step and resolution## echam t106 1200# echam t319 360# arpege t63 1800# arpege t359 900export TSTEP_ARP=900# orca2 5760 (lim=17280)# orca05 2400 (lim=7200)# orca025 1200 (lim=3600)export TSTEP_OPA=1200export TSTEP_LIM=3600#export VERSION_ARP=1export RES_ARP=t359export RES_OPA=orca025##- Time step length of the monthly run#export NARP=‘ expr \$NSEC_RUN / \$TSTEP_ARP ‘export NOPA=‘ expr \$NSEC_RUN / \$TSTEP_OPA ‘export NTRP=‘ expr \$NSEC_RUN / 10800 ‘##- Time step length of coupling frequency#export TSTEP_CPL_ARP=‘ expr \$CPL_FREQ / \$TSTEP_ARP ‘export TSTEP_CPL_OPA=‘ expr \$CPL_FREQ / \$TSTEP_OPA ‘#if [ \$NPASS -eq \$MOISDEP ]; then

export OPA_RESTART=".false."else

export OPA_RESTART=".true."fi## Checkif [ \$MXL_CONFIG -eq 2 -a \$NPROC_OAS -gt 1 ]; then

echo "no OASIS splitting with neomeris : exit"exit

fi################################################################################# 3. Create new working directories and copy modules#################################################################################- main working directory#if [ -d \$RUN_DIR ]; then

\rm -rf \$RUN_DIR/*else

mkdir -p \$RUN_DIRfi##- output directories#if [ ! -d \$OUTPUT ]; then

mkdir -p \$OUTPUTcd \$OUTPUTmkdir ARP OPA OAS TRP

fi#cp \$SCRIPTS/* \$RUN_DIR#cd \$RUN_DIR################################################################################# 4. GET INPUT FILES################################################################################get_forcing_files_mxl_calcget_standard_parameter_files3get_executables3

ANNEXE 55

################################################################################# 5. GET INITIAL CONDITION FILES FROM PREVIOUS SCRIPT################################################################################if [ \$NPASS -ne \$MOISDEP ]; then

get_restart_files_outfi################################################################################# 6. SET EXPERIMENT PARAMETERS################################################################################modify_parameters3################################################################################# 7. PREPARE CLIMATE RUN################################################################################[ \$NPROC_ARP -gt 0 ] && concatenate_atmospheric_input_files################################################################################# 8. CLIMATE RUN################################################################################process_coupled_run#nopa8=\$( printf "\%08d\backslashn" \$NOPA )#num=0while [ \$num -lt \$NPROC_OPA ]do

num4=\$( printf "\%04d\backslashn" \$num )if [ ! -f \$MNEMO_\$nopa8_restart_\$num4.nc ]; then

exitfi(( num = \$num + 1 ))

done################################################################################# 9. POST-PROCESSING TO CERFACS SCALAR MACHINE################################################################################[ \$NPROC_ARP -gt 0 ] && tar_output_format#transfert_outputs#export_outputs##cp \$HOME/format_fichiers_sh_balance \$RUN_DIR#cp \$HOME/sh_balance \$RUN_DIR################################################################################# 12. Preparing the next run################################################################################cd \$RAC_DIR/Run#host=‘hostname‘lrelan [MNEMO] [NPASS]if test \$NPASS -eq \$MOISDEP ; then

IPASSP=0else

(( IPASSP = \$NPASS - 1 ))fi#EOJ#chmod +x \$JOBrel_int=‘cat intern‘if [ ‘hostname‘ = "tori" ]; then

echo initialisation relancerel_int=0echo \$rel_int > internqsub -V \$JOB

elif [ \$rel_int -eq \$max_relan ]; thenrel_int=0echo \$rel_int > intern/usr/bin/nqsII/qsub \$JOB

else(( rel_int = \$rel_int + 1 ))echo \$rel_int > intern\$JOB

fi