Simulations LES d’une couche limite convective: variabilit© de la vapeur d’eau

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Simulations LES d’une couche limite convective: variabilité de la vapeur d’eau. Fleur Couvreux. Françoise Guichard, Jean-Luc Redelsperger, Cyrille Flamant, Jean-Philippe Lafore, Valéry Masson. PLAN Objectifs de l’étude Configuration Validation /observations IHOP - PowerPoint PPT Presentation

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  • Simulations LES dune couche limite convective: variabilit de la vapeur deau PLANObjectifs de ltude ConfigurationValidation /observations IHOP Des nouveaux diagnostiques LESFleur CouvreuxFranoise Guichard, Jean-Luc Redelsperger, Cyrille Flamant, Jean-Philippe Lafore, Valry Masson

  • Objectifs de ltudeLa modlisation LES :Un tel modle haute rsolution est-il capable de reproduire la variabilit de vapeur deau observe?Renseigne-t-il sur les mcanismes responsables?Pourquoi sintresser la vapeur deau ?Paramtre fondamental pour bcp domaines sciences atmos. (convection, rayonnement, climat..)Hautement variable (spatialement et temporellement, diff. chelles)Les observations de la campagne IHOP2002:Campagne sur les Grandes Plaines (USA) en 2002 regroupant bcp dinstrumentsBase de donnes pour la validation des simulations

  • Caractristiques : Cas relativement simple (peu de cisaillement) de dveloppement de la couche limite: couche limite bien mlange paisse de 1.5 km Cas continental, bien document Haute Pression , champ de temprature homogne Vent faible (< 5m/s) de N NE Prsence de thermiques (cf Cloud radar) Gradient NE/SW en humiditCas dtude : le 14 Juin 2002

  • Configuration : x=y=100m, z strech (< 50m dans CL) domaine 10kmx10km flux de surface homognes = drivs dobs. profil initial = composite de sondages 6h30 local prescription dadvections de grande chelle estimes partir des simulations MM5simulation de 7h : tt matin- dbut aprs-midiCas idalis mais ralisteProfils initiaux & sondagesrvConfiguration de la simulation LES

  • Validation des profils moyens (1)volution temporelle des valeurs moyennesrv

  • Evaluation des distributionsVols avions P3Vols avions KAZ=0.4ziwrv. . . . max_ _ min

  • Validation des coupes verticalesExistence de descentes dair secPlusieurs thermiques dans une zone humide 12h local5.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.

    5.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.

    Le modleObservation LIDAR

  • VariancesCoupes DIALMso-NH (>200m)Contribution non ngligeable des chelles infrieures 200m pour la varianceMso-NH (200m)Mso-NH* Wyngaard* Sorbjan 12h localrvrvrv

  • Comparaisons LES et Mesures Lidars LEANDRE2Donnes uniques, car premire fois quune DIAL tire horizontalementRsolution dgrade de la simulation,cohrence avec les donnesQualitativement bonnes structures et valeursrv par LEANDRE rv par LESdonnes C. Flamant

  • Cycle de vie des descentes dair secContour de rv (iso-contour de 7.7 g/kg)2 km10 km10 km

  • Nouveau diagnostique LES: distributions simplesrvLes thermiques qui montentw 13h localGaussienne quivalentezi

  • Nouveau diagnostique LES: Probabilit de distribution jointe z/zi=0.3 z/zi=0.75 13h localContribution au flux de wrv

  • Dveloppement de nouveaux diagnostiques LES : - moments dordre 3 - distributions simples de , v, rv et w - distributions jointes de w, wv, wrv,Conclusions :valuation de la simulation L.E.S. avec un tel modle (haute rsolution) on est capable de reprsenter la variabilit de vapeur deau observe des chelles de lordre de 10 km (cf comparaison aux radiosondages, lidars (DIAL et SRL), mesures de surface, vols avions)Dtermination des mcanismes : au premier ordre, la dynamique de la couche limite explique la variabilit observe lchelle de 10 km les descentes dair sec sont omniprsentes dans la couche limite et impactent sur les chelles caractristiquesOutil de dveloppement de paramtrisation car simulation LES et bien valide

  • F I N

    Illustration les diffrentes structures/chelles ds CBL prsentes dans sim dtailles aprs

    Attention ici restriction a la partie modlisation LES avec Mso-NH de notre tudeLe cas du 14 juin est un cas classique dune CLC en croissance au-dessus dun continent. Cest un cas relativement simple car peu de cisaillement. La CL est bien mlange et atteint 1.5 km au dbut de laprs midi. La situation est caractrise par une HP et un champs homogne de temprature, une subsidence faible mais constante totue la journe. Les vents sont faibles, Les thermiques existent tout au long de la journe comme le montrent les msures du WCR. Un gradient dhumidit et qqs cumulus se dveloppent en fin de matine.Les mesures du radar nuageux de 7h30 a 13h local indique lexistence de petites cellulesle matin qui se transofmrten en thermiques atteignant 1.2 km a 12h30. Ces thermiques deviennent de plus en plus large. On peut noter egalement quils ne sont ~pas penchs indiquant un vent faible. Soulignons aussi que durant notre cas detudes lesorganisations dans la CL sont des cellules et non des rouleaux cohrent avec lexistence dun vent faible.Les donnes utilises :Ici cas idalis non acadmique (on cherche avoir une simulation la plus raliste possible)On cherche a avoir une simulation LES de ce cas pour tudier en dtail les mca responsables de la var. observe en utilisant Mso-NHLa rsolution utlisie Domaine de 10km par 10km test en 5km par 5km ou 15x15 peu de snesibilitSimulation du matin 7h jusquen dbut daprs midi 14h. Dure de 7h advection =ncessaireSimulation la plus comparable aux observations du coup on utilise comme profil initial = compositve de RS observe dans le domaine detude (Ces profils sont indiques en noir sur les figures alors que les profils en rouges correspondent aux sondges observes., flux de surfaces mesursqui sont prescrits homogenement sur tout le domaine . Des simulations avec des flux horizontales ont ete effectuees montrant peu dimpact sur la variabilit simulee.Advection de grande chelle a du etre prise en comte comme lindique la compa aux obs de diff. Tests de sensibilites. Elles ont ete drives de MM5 et obs.Evolution typique dune couche limite convective continentale avec une. CL qui crot et se rchauffe au cours de la journe et saasche asez fortement dans notre casDes comparasions syst. Ont et menes entre les obs et la simulations pour valuer la simulation. Les profils simuls sont dans la gamme de variations des observations. Ainsi que la valeur du gradient au somment de la couche limite.Par la suite je vais vous montrer differentes caract statistiques de la simulation LES avec lorsque cest possible des valuations de la simulation via une comparaison aux obs.La comparaisons des histogrammes obtenus par la simulation en gris et a paritr des mesures in-situ aeroportees en bleu et rouge pour respectivement 2 avions vers 12h local a 0.4zi. LA ligne pointillee et continue correspondent aux enveloppes min et max respect. Des distributions des mesures in-situ.les dist. Simulees sont dans la gamme de variations des dist. Obs. La sk postive de w caracteristique dune CL convective lie a la presence de thermiques avec des coeurs fortement ascendants ds updrafts mais couvrant une peite aire.La sk negative pour le rv observee et simulee est liee a lexistence de desc dair sec que je detaillerai par la suite. La compa des histogrammes de hauteur de couche limite relative derivees des lidars a partir de profils aerosols et simulees. Bonne correspondance avec des var. du meme ordre de grandeur Malgre les simplifications de notre simu on obtient une bonne representation de la variabilit de la hauteur de couche limite notamment de sa variance.Bonne distribution malgr surface hommogne et profil initial homogneAu del des diffrences d valeurs moyennes qui peuvent sexpliquer par bcp autres facteursLetude des coupes verticales montrent dans la simu comme dans les observations lidars lexistence de desc. Dair sec responsables des ech caract plus grandes pour rv. En haut une coupe dans la simulation LES couleurs = rv plus humide en rouge et plus sec en bleu et isocontours correspondent aux w. 2 desc. Dair sec plongeant (cf w < 0) depuis la tropo libre atteigent des niv. + ou bas dans la couche limite. On peut noter egalement qu une ano humide correspond 3 ano w illustrant la dispartie entre les ech carac.Simulation des moments (cf compa mesure lidars +valuation de limpact de la rsolution et de formules analytiquesIl sagit pas dune validation de la simu mais cest plutot la LES qui sert de ref par rapport a lobtention de CH par LEANDRE. 1er fois que de telles mesures. Degradation de reso de LES pour avoir coherence avec donnees lidars. Bonnes struct et valeur qualitativement reste quantification.Evaluation de LEANDRE cf pure de pois + pas de sol donc dindice de distanceAnalyse des pdfj a differents niveaux de la cl. A 0.3 zi les dist. Sont assez symtriques avec les ano + et contribuant de maniere equivalente aux flux dhumidite pour w et rvA 0.9zi on note une assymtrie forte. Avec une pert positive donne pour rv et negative donnee pour w qui contribue essentiellement aux flux dhumidite mais par contre un spectre plus large des rv- et w + traduiant lexistence dune large population de thermiques (diff w) et de descentes dair sec (diff rv origine de niv diff.)A METTRE EN COULEURSAide aux paramtrisations LES bien valide