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Revisite de l'ajustement des paramétrisations de nuages dans LMDZ à l'aide d'émulateurs. Frédéric Hourdin, Arnaud Jam, Fleur Couvreux, Catherine Rio, Binta Diallo, Daniel Williamson, Victoria Volodina, Marie-Pierre Lefebvre. I. Parameterization de nuages dans LMDZ II. Revisite à l’aide d’émulateur (processus gaussien) et refocalisation itérative

Revisite de l'ajustement des paramétrisations de nuages ...€¦ · Hourdin et al., JAS, 2002; Rio et Hourdin, JAS, 2008, Rio et al., 2010, Jam et al., 2013 Internal variables -

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Revisite de l'ajustement des paramétrisations de nuages dans LMDZ à l'aide d'émulateurs.

Frédéric Hourdin, Arnaud Jam, Fleur Couvreux, Catherine Rio, Binta Diallo, Daniel Williamson, Victoria Volodina, Marie-Pierre Lefebvre.

I. Parameterization de nuages dans LMDZ

II. Revisite à l’aide d’émulateur (processus gaussien) et refocalisation itérative

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The thermal plume model and associated cloudsHourdin et al., JAS, 2002; Rio et Hourdin, JAS, 2008, Rio et al., 2010, Jam et al., 2013

Internal variables

- w: mean vertical velocity within thermals- α: fractional coverage of thermals- e: entrainment rate within thermals- d: detrainment rate from thermals- qa: concentration of q within thermals

LeMone and Pennell, MWR, 1976

X

Z

200 km

20 km

q < qsat

Environment | cloud

Parameterization of the subgrid-scale distribution of s=q-qsatJam et al., 2010

senv

=s sth

=su

α 1-αz

(m)

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3

LES

LMDZ5BL130 L95 L79

200 km

3 km

SCM/LES comparison, LMDZ5B version = thermal plume model with bigaussian distribution→ Reasonable representation of cumulus clouds

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4

LES

LMDZ5B/L130

200 km

3 km

SCM/LES comparison, LMDZ5B version = thermal plume model with bigaussian distribution→ Reasonable representation of cumulus clouds→ But not the stratocumulus clouds nor the transition from cumulus to stratocumulus

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5

LES

SCM/LES comparison, LMDZ5B version = thermal plume model with bigaussian distribution→ Reasonable representation of cumulus clouds→ But not the stratocumulus clouds nor the transition from cumulus to stratocumulus→ Bi-gaussian cloud schemes works fine when applied to the LES sampled variables

Bi-Gaussian

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6

InterprétationVertical profiles after 3 hours.The mass flux overshoots two far above inversion

LES : detrainment (colors) and cloud cover (contour)All the air should be detrained below cloud top.

Origine of the disapearance of stratocumulus :The thermal plume model overshoots and mixes too much dry air from above inversion with the cloud top layer.

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7

Mixing in Shallow Cumulus Clouds Studied by Lagrangian Particle Tracking Heus et al, Jas, 2017

Fig 14c : Destination level versus exit level

From LES sampling

→ Modified detrainmentB*

qv ,th (z) - qv ,env (z+h)B* (z) = g

qv (z)

Destination level : zExit level : z+h with h = A z

Sandu LES (w, colors) and cloud water (grey)

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8

Sandu transition REF case LESOriginal schemeModified scheme

Does not affect too much the cumulus cases

LES

desactivating thermal plumeLMDZ5B

LMDZ6A without modification

LMDZ6A

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9

II : Revisite avec émulateur (processus gaussien) et méta modèleII : Revisite avec émulateur (processus gaussien) et méta modèle

The modified scheme with A ~ 0.7-1.2 seems to work fine.Questions to be revisited with UQ :→ Is there a range of parameters acceptable for all cases ?→ Is the choice of the A parameter dependent of the choice of other parameters ?→ Is it possible to define a range of acceptable values for A for further 3D GCM tests ?

History matching for 10 metrics based on 4 cases

Cumulus to stratocumulus transition caseSANDU : nebzave, hour: 55-60 average cloud height neb4zave, hour: 55-60 height of max cloudiness

case of dry convection over continentsIHOP : Ay-theta, hour: 9-9 Boundary layer top entrainment

Continental cumulus caseARMCU : Ay-theta, hour: 7-9 nebzave, hour: 7-9 neb4zave, hour: 7-9 nebmax, hour: 7-9 Max (z) cloud cover

Marine cumuls caseRICO : nebmax, hour: 7-9 nebzave, hour: 7-9 neb4zave, hour: 7-8

∫ f 4 z dz /∫ f 4 dz

« Obs » errorrs : average / 10

∫ f . dz /∫ f . dz

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10

HIOP top entrainment alone : same parameters dominate as in Diallo’s presentation

c

b1

a1

A

CldlcCldlc

Cldt

Autoconversion cloud → rainThreshold

Time constant

Coef for rain reevaporation

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11

c

b1

a1

A

CldlcCldlc

Cldt

SANDU case. 1/2 of the points removed in one wave

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12

c b1 a1

A Cldlc

Cldt

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13

c b1 a1

A Cldlc

Cldt

Error bars : leave one out

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14

Multi-wave history matching for 10 metrics based on 4 cases

Cumulus to stratocumulus transition caseSANDU : nebzave, hour: 55-60 neb4zave, hour: 55-60

case of dry convection over continentsIHOP : Ay-theta, hour: 9-9

Continental cumulus caseARMCU : Ay-theta, hour: 7-9 nebzave, hour: 7-9 neb4zave, hour: 7-9 nebmax, hour: 7-9

Marine cumuls caseRICO : nebmax, hour: 7-9 nebzave, hour: 7-9 neb4zave, hour: 7-8

average cloud heightheight of max cloudinessBoundary layer top entrainmentMax (z) cloud cover

W1G=3

W2G=1.5

W3G=1.5

W4G=1.5

W5G=2

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Remaining space after Wave1: 0.503Wave2: 0.113Wave3: 0.0069wave4: 3.35e-06wave5: 3.5e-07A

A A

A

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c

b1

a1

A

Cldlc

Cldt

WAVE 4

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17

c

b1

a1

A

Cldlc

Cldt

W1

W3

W5

WAVE 5 (adding Rico)

A

Height of max cloudiness, Sandu Error bar : Leave One Out

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18NPv6.1, Control

Sandu Rico Hiop Armcu

5 simulations chosen randomly in NROY #6

Improved Rico case. Stratocumulus a little bit to low but consistant with given error bars.

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Conclusion

Exeter tools work fine !!!!! Tanks !

→ Is there a range of parameters acceptable for all cases ?Not too bad→ Is the choice of the A parameter dependent on the choice of other parameters ?Not too much !→ Is it possible to define a range of acceptable values for A for further 3D GCM tests ?Yes ! 0.07 – 0.1+ privilege larger t and smaller theshold for cloud→rain conversion+ use larger values of coef_eva

Automatic tuning on average as good as the control case.Possibility to improve Rico case without regrading too much the othersStratocumulus a bit too low (error bar should be refined).

To be noticed :

Importance of having a robust setup for SCM/LESWith a reduction of a factor 10⁷ of the parameter space, requires samples of 10 , a bit too ⁹, a bit too much for the current version of HighTune script

Next step : use EOFs on the time evolution of cloud height, top entrainment ...

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A : varying from 0 to 0.25

A A

A A

A A

A A

A

A

One wave : one metrics each time

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Tuning :Métriques utiliséesBarres d’erreur

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ONE BY ONE

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Série[1] "Remaining space after wave1: 0.5036888"[1] "Remaining space after wave2: 0.1131553"[1] "Remaining space after wave3: 0.00695575"[1] "Remaining space after wave4: 3.35e-06"[1] "Remaining space after wave5: 3.5e-07"

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200 km

3 km

e

d

w

a

Etc ...

Thermal plume Descente compensatoire plus lente

Diffusion turbulente Transport par le modèle de panache

Cloud

II.1 Thermal plumes and cloudsII.1 Thermal plumes and clouds

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Tracer emitted at surface

Clouds

Explicit simulation, ARM continental case

Thermiques et cumulusThermiques et cumulus

z (m

)

LeMone and Pennell, MWR, 1976

X

Z

Diffusion turbulenteThermiques

Décomposition du flux de chaleurdans le cas MY+thermiques

Total

M&Y+Thermiques

Hourdin et al., 2002

Thermiques : transport convectifThermiques : transport convectif

II – Paramétrisation des nuages bas : principes et méthodologie

Cumulus : partie condensée des panaches thermiquesRio et Hourdin, 2008, Hourdin et al., 2012

Couvreux, et al., 2010, Rio et al., 2010

15 ans de collaboration MOANA (CNRM) / LMD

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