stage surfex · executable trpixel.bash executable pro l.bash SXPOST permet d’extraire un champ 2d du chier de sortie issu de PGD ou PREP a n de le tracer. Il utilise un chier d’entr

ENVIRONNEMENT ET OUTILSINITIALISATION : PREP

EXPERIENCE UTILISATEURLACS ET OCEANS

LE MODELE SBLAEROSOLS

stage surfex

10-12 octobre 2011

S. Faroux, P. Le Moigne, E. Martin

CNRM / GMME

10-12 octobre 2011 stage surfex




connexioninstallation du stagesoumission jobexecutable SXPOSTexecutable trpixel.bashexecutable profil.bash

machine enm

login enm + passwd enm






machine cnrm

commande

ssh -X -l login cnrm sxmosa1.cnrm.meteo.fr






login enm pwd enm login cnrm pwd cnrmjaudoin 2011surfex15 surfex1 surfex1vbaeh2 2011surfex16 surfex2 surfex2ibea2 2011surfex17 surfex3 surfex3

gbeffrey 2011surfex18 surfex4 surfex4hberthel 2011surfex19 surfex5 surfex5

sblein 2011surfex20 surfex6 surfex6jboe 2011surfex21 surfex7 surfex7

jdemarty 2011surfex22 surfex8 surfex8jdudek 2011surfex23 surfex9 surfex9

mdumont 2011surfex24 surfex10 surfex10ietcheve 2011surfex25 surfex11 surfex11ggiraud 2011surfex26 surfex12 surfex12

gguyomar 2011surfex27 surfex13 surfex13

login enm pwd enm login cnrm pwd cnrmplucaspi 2011surfex28 surfex14 surfex14

amezdour 2011surfex29 surfex15 surfex15mmoine 2011surfex30 surfex16 surfex16vrivalla 2011surfex31 surfex17 surfex17csorbe2 2011surfex32 surfex18 surfex18cvelluet 2011surfex33 surfex19 surfex19aveloso 2011surfex34 surfex20 surfex20sfaroux 2011surfex35 surfex21 surfex21emartin 2011surfex36 surfex22 surfex22

plemoign2 2011surfex37 surfex23 surfex23






telechargement

sur sxmosa1.cnrm.meteo.fr

sous votre $HOME, faire :

chmod 600 .rhosts

cp ../lemoigne/aneto stage2011.tgz .

tar zxvf aneto stage2011.tgz

cd aneto

binaries/ pgd/ prep/

alqueva/ isba/ ma01/ isba snow

exp/






architecture ”aneto/” sur sxmosa1

binaries/

PGD : permet de faire le fichier de constantes (relief,fractions des cover, ...)

PREP : permet de faire le fichier de conditions initiales

OFFLINE : permet de faire tourner surfex en mode off-line(sans interaction avec l’atmosphere)

SXPOST : permet de post-traiter les fichiers issus de PGD etPREP

trpixel.bash : permet de tracer les champs post-traites avecSXPOST







pgd/

exemples de PGD a realiser parmi cuba, parisI, spitzberg, japan

prep/

exemples de PREP a realiser parmi cuba, parisI, spitzberg, japan

isba/

un run modele complet incluant PGD + PREP + OFFLINE

isba snow/

un run modele complet incluant PGD + PREP + OFFLINE







alqueva/

un run modele complet utilisant le modele de lac FLake

ma01/

un run modele complet utilisant le modele TEB

exp/

un run modele complet a realiser






options et soumission job

namelists

OPTIONS.nam pour PGD, PREP, OFFLINE

SXPOST.nam pour SXPOST

a partir de sxmosa1

qsub nom job






structure job

entete

#PBS -N pgd.sfx#PBS -l pmem=5gb#PBS -l cput=01 :00 :00#PBS -l nodes=1 :ppn=1#PBS -b 1#PBS -j oe






structure job

les fichiers en entree

ln -s /home/lemoigne/ecoclimap/clay fao.dir clay fao.dirln -s /home/lemoigne/ecoclimap/clay fao.hdr clay fao.hdr

ln -s /home/lemoigne/ecoclimap/sand fao.dir sand fao.dirln -s /home/lemoigne/ecoclimap/sand fao.hdr sand fao.hdr

ln -s /home/lemoigne/ecoclimap/gtopo30.dir gtopo30.dirln -s /home/lemoigne/ecoclimap/gtopo30.hdr gtopo30.hdr

ln -s /home/lemoigne/ecoclimap/ECOCLIMAP I GLOBAL.dir ECOCLIMAP I GLOBAL.dirln -s /home/lemoigne/ecoclimap/ECOCLIMAP I GLOBAL.hdr ECOCLIMAP I GLOBAL.hdr#rcp $USER@sxmosa1 :/home/$USER/aneto/binaries/PGD pgd.exe#rcp $USER@sxmosa1 :/home/$USER/aneto/pgd/cuba/OPTIONS.nam OPTIONS.nam






structure job

l’execution./pgd.exe

les fichiers de sortie

rcp PGD.txt $USER@sxmosa1 :/home/$USER/aneto/pgd/cuba/PGD.txt

rcp LISTING PGD.txt $USER@sxmosa1 :/home/$USER/aneto/pgd/cuba/LISTING PGD.txt

rcp class cover data.tex $USER@sxmosa1 :/home/$USER/aneto/pgd/cuba/class cover data.tex






SXPOST

permet d’extraire un champ 2d du fichier de sortie issu de PGD ouPREP afin de le tracer.Il utilise un fichier d’entree SXPOST.nam ayant la structuresuivante :1- MASK01 HREC1ou MASK01 vaut ’FULL ’, ’NATURE’, ’SEA ’, ’WATER ’ ou ’TOWN ’et HREC1 est le nom du champ defini sur le masque MASK01. Exemple :

2- NATURE TG1- FULL ZS

les fichiers produits sont TG1.dat et ZS.dat et ont la forme lat, lon, valeur






trpixel.bash

permet de tracer un fichier irregulier de type lat, lon, valeurtrpixel.bash ZS.dat






profil.bash

permet de tracer un profil de temperature de l’eau dans le cas ou lemodele FLake est active





fonction de l’outilles variables pronostiquesinitialisationprincipenamelistexercice pratique

l’outil PREP

Permet d’initialiser les variables pronostiques des modeles ISBA(nature), TEB (ville), FLAKE et WATFLX (lacs) ou SEAFLX(mer/ocean)

∂X

∂t= · · · ← X (t = 0)






les variables d’ISBA

profils verticaux de T, wl et wi

contenu en eau du reservoir d’interception

equivalent en eau de la neige, albedo, ...






les variables de TEB

temperatures du toit, des murs et de la route

contenu en eau sur le toit

contenu en eau sur la route






les variables de FLAKE

temperature de surfacehauteur de la couche de melangetemperature profonde du lactemperature moyenne de l’eaucourbure du profil






les variables de WATFLX/SEAFLX

temperature de surface

Elle est maintenue constante pendant la duree du run






les variables de CMO1D

temperature de surface

salinite

courant

energie cinetique turbulente






initialisation

initialisation de type uniforme

valeurs valables a l’altitude z=0 metres

initialisation a partir d’un fichier

type modele atmospherique ou d’ocean :ECMWF, ARPEGE, ALADIN, Meso-NH, MOCAGE, MERCATORtype lat lon valeur :pour certains champs uniquement (T et wl d’ISBA)






principe

variables d’Isba

lecture des champs atmospheriques

projection sur une grille de sol detaillee (20 niveaux)

interpolations horizontales sur grille fine

interpolation verticale sur grille finale

retour aux variables modele (si besoin)






exemple

initialiser toutes les variables pronostiques a partir d’un grib du CEP sauf le profil de temperature et d’humidited’ISBA a partir de fichiers externes :

&NAM PREP SURF ATMCFILE=’ecmwf.OD.20050526.18’,CFILETYPE=’GRIB ’ /

&NAM PREP TEBCFILE TEB =’ecmwf.OD.20050526.18’,CTYPE=’GRIB ’ /

&NAM PREP SEAFLUXCFILE SEAFLX=’ecmwf.OD.20050526.18’,CTYPE=’GRIB ’ /

&NAM PREP WATFLUXCFILE WATFLX=’ecmwf.OD.20050526.18’,CTYPE=’GRIB ’ /

&NAM PREP ISBACFILE ISBA =’ecmwf.OD.20050526.18’,CTYPE=’GRIB ’ ,CFILE HUG SURF = ’SWI1 SIM 2005052618 ALL’ ,CFILE HUG ROOT = ’SWI2 SIM 2005052618 ALL’ ,CFILE HUG DEEP = ’SWI3 SIM 2005052618 ALL’ ,CFILE TG SURF = ’TG1 SIM 2005052618 ALL’ ,CFILE TG ROOT = ’TG2 SIM 2005052618 ALL’ ,CFILE TG DEEP = ’TG3 SIM 2005052618 ALL’ ,CTYPE HUG = ’ASCLLV’, CTYPE TG = ’ASCLLV’ /






exercice pratique

adapter la namelist pour :

activer LPGD (ecriture des champs de constantes)utiliser le fichier arpifs.AN.20050719.00 en entree

adapter le script job prep pour l’utilisation du fichier arpifs

soumettre le job

quels sont les nouveaux champs ecrits dans le fichier PREP.txtpar rapport au PGD.txt

tracer la temperature de surface sur continents (TG1)

tracer la temperature de surface des toits (T ROOF1)

tracer la temperature de surface de la mer (SST)

tracer l’indice foliaire (LAI)





preparation de forcageslecturenamelistcompilationsoumission jobexercice pratiquestructure driver

preparation de forcages

fabriquer un jeu de donnees

variables : Tair, Qair, Vent, Precip, P, Rayonnements incidentssolaire et infra-rouge

series temporelles

dans un ou plusieurs fichiers sous aneto/exp/Data/stage/

par exemple, cycle diurne, donnees toutes les heures : Tair,Rsol, Rir variables et les autres parametres fixes.






preparation code

sous aneto/exp/forcing/src/ :

preparer le code de lecture

programme principal : my forcing.f90

programme utilisateur : my forc stage.f90






namelist PGD

sous /aneto/exp/namelist/OPTIONS.nam

fabriquer la namelist OPTIONS.nam

XLONMIN =XLONMAX =XLATMIN =XLATMAX =NLON =NLAT =






namelist

sous /aneto/exp/namelist/MY PARAM.nam

fabriquer la namelist MY PARAM.nam

YEXPERIMENT NAME = ’STAGE ’ ,NUMBER GRID CELLS = nb de pts de grille,NUMBER OF TIME STEPS INPUT = 49 ,NUMBER OF TIME STEPS FINAL = 49 ,ZATM FORC STEP = 1800. ,YFORCING FILETYPE = ’ASCII ’






compilation

sous /aneto/exp/forcing/

compilation, edition de liens et preparation des fichiers

1 compile and link.bash2 prepare files.bash stage






soumission job

sous /aneto/exp/rundir/stage/

preparer le job

adapter le temps d’execution

adapter la memoire allouee

verifier que tous les fichiers necessaires sont presents

verifier que tous les fichiers produits sont rapatries

soumettre le job






exercice pratique

pensez a sauvegarder les resultats de l’experience de reference !

modifier les forcages

modifier /aneto/exp/forcing/src/my forc stage.f90

baisser la temperature de l’air de 1 K

passer les precipitations de 0 a 10−4 mm/s

doubler l’humidite de l’air

regarder l’impact sur les champs modelises






driver

etapes principales

initialisations

boucle temporelle

lecture forcagesinterpolation temporelleexecution modeleecriture sorties






driver





les echangesflux de surfacecoefficients d’echangesmodele de CMO 1Dequations du modeleexemplesmodele de lac FLake

Lac/Oceans

les echanges air-eau






flux de surface

methode Bulk

Les flux turbulents en surface sont lies aux gradients des variablesmeteorologiques grace a un jeu de coefficients d’echanges quidependent de la stratification de l’atmosphere :

Qmom = ρ · w ′U ′ Qsen = ρ · Cp · w ′θ′ Qlat = ρ · Lv · w ′q′

w ′η′ = −Cη ·∆U ·∆η






flux de surface

flux cinematiques

Les flux cinematiques peuvent etre exprimes grace aux echellescaracteristiques u∗, θ∗ et q∗ de la facon suivante :

w ′U ′ = −u∗2 = −CD · (∆U)2

w ′θ′ = −u∗ · θ∗ = −CH ·∆U ·∆θ

w ′q′ = −u∗ · q∗ = −CE ·∆U ·∆q






coefficients d’echanges

le but revient a calculer les coefficients CD , CH et CE pourconnaıtre les flux de surface

approche directe

a partir de la connaissance de la stabilite de l’atmosphere(RI ), on deduit CD pour un z0 de 10−3

puis u∗ et Qmom

l’approche de Charnock donne : z0 = 0.015u∗2

g

on deduit alors CH et CE

puis Qsen et Qlat connaissant la temperature de surface del’eau maintenue constante pendant le run






coefficients d’echanges

approche iterative

Elle est basee sur le calcul iteratif de u∗, θ∗ et q∗

ECUME sur mer/ocean

les coefficients d’echanges neutres sont calibres en fonction dumodule du vent a 10m a partir des donnees de campagnes demesures (Pomme, Equalant, Albatros, ...)






ECUME

impact sur les flux






mer/oceans

modele de couche de melange oceanique 1D






equations du modele (1)

decomposition d’une variable en moyenne + fluctuation

α = α + α′ ; temperature T , salinite S , courant ~u,TKE e

equations

∂T

∂t=

Fsol

ρ0Cp

∂I (z)

∂z−∂w′T ′

∂z

∂S

∂t= −

∂w′S′

∂z

∂u

∂t= fv −

∂w′u′

∂z

∂v

∂t= −fu −

∂w′v′

∂z

condition limite superieure

w′T ′(0) = −(Qsen + Qlat + FIR )/(ρ0Cp)

w′S′(0) = (P − Evap)/(ρ0Cp)

w′u′(0) = −τu/(ρ0Cp)

w′v′(0) = −τv/(ρ0Cp)






equations du modele (2)

fermeture du systeme

w′T ′ = −K ·∂T

∂z

w′S′ = −K ·∂S

∂z

w′u′ = −K ·∂u

∂z

w′v′ = −K ·∂v

∂z

coefficient de diffusivite

K = ck · lk · e1/2

energie cinetique turbulente : e = 12

(u′2 + v′2 + w′2)

∂e

∂t= −

∂

∂z

„w′e +

1

ρ0

w′p′«−

„w′u′

∂u

∂z+ w′v′

∂v

∂z

«+ b′w′ − ε

−∂

∂z

„w′e +

1

ρ0

w′p′«

= −Ke ·∂e

∂z

Ke = cε · lε · e1/2

b =g

ρ0

(ρ− ρ0) ρ = ρ(T , S)

ε = cε · lε · e3/2






initialisation temperature






initialisation salinite






reponse a de fortes precipitations : Aude 12/11/99 21TU

apport d’eau douce

diminution de la salinite

augmentation de la stratification

baisse de la temperature






reponse a un fort courant jet

cas de l’Herault : 4 decembre 2003 00TU

vent d’est (delta Rhone)

formation courant surface

perturbation possible ruissellement riviere






Pourquoi s’interesser aux lacs ?

un lac peut affecter la structure de la CLA et donc le temps sensible

cela depend de sa taille, forme et de la situation meteo

les zones boreales, la region des grands lacs americains, ..., ont une forte couverture de lac






impact dans un modele de climat






modele 3D complets trop chers (CPU)

modele 1D multi couches : chers

modele 1D mono couche : grandes erreurs (pas destratification)

FLake : modele 1D a 2 couches :

parametrisation de la structure verticalecout numerique faiblephysique realiste






concept de ”self-similarity”

le profil de temperature dans la thermocline peut etre parametre par une fonction universelle de la profondeur(adimentionnee), polynome ordre 4

Φ(ζ) =θs (t) − θ(z, t)

∆θ(t); ζ =

z − h(t)

∆h(t)






θ(z, t) = θs (t) dans la couche de melange

θ(z, t) = θs (t) − (θs (t) − θb(t))Φ(ζ) dans la thermocline

temperatures θs , θb

epaisseur de la couche h

CT =∫ 1

0 Φ(ζ)dζ

temperature moyenne θ

θ = θs − CT (1− h

D)(θs − θb)






conservation de l’energie totale :

ρwcwD dθdt = Qs−Qb + Is− I (D)

conservation de la couchemelangeeρwcwh dθs

dt = Qs −Qh + Is − I (h)

evolution de h : calculee entenant compte des regimesconvectifs ou stables

evolution de CT : calculee avecune equation de relaxation detemps caracteristiqueproportionnel a (D − h)2






module de sediments

prise en compte du gel desurface

depot de neige sur la glace





Surface Boundary Layerschema de principehypothesesequationsactivationvalidation

SBL : un modele de CLS pour la ville

dans les modeles atmospheriques les schemas urbains sontmulti-couches ou a une seule couche

les schemas mono-couche sont numeriquement efficaces

les schemas multi-couches permettent une meilleuredescription de l’air dans le canyon. Mais leur implementationest tres complexe.

le schema SBL est a la fois efficace et d’implementation facile






les differents schemas






le schema SBL






hypotheses de SBL

Celles d’une couche de limite de surface classique :

la direction du vent moyen ne varie pas dans la couche

le transport turbulent et l’advection d’ECT est faible compare auxautres termes

au dessus de la canopee, la couche est a flux constant

les forcages de grande echelle sont uniformes avec l’altitude






principe de SBL

prend en compte les effets d’obstacle au niveau de la maille :forcage de grande echelle, introduction de forces de drag(ralentissement de l’ecoulement), rechauffement/refroidissement,assechement/humidification et production ECT de petite echelle.

∂U

∂t=∂U

∂t(za) + Turb(U) + Drag(U)

∂θ

∂t=∂θ

∂t(za) + Turb(θ) +

∂θ

∂t

∂q

∂t=∂q

∂t(za) + Turb(q) +

∂q

∂t

∂ECT

∂t= Prod Dyn + Prod Therm + Dissip +

∂ECT

∂t

Les conditions aux limites sont determinees par le niveau de forcage et

par les flux turbulents de surface calcules par surfex10-12 octobre 2011 stage surfex





activation

activation au niveau du PREP :

&NAM PREP ISBALISBA CANOPY = T /

&NAM PREP TEBLTEB CANOPY = T /

&NAM PREP WATFLUXLWAT SBL = T /

&NAM PREP SEAFLUXLSEA SBL = T /

en sortie le modele produit U, θ, q, ECT pour les 6 niveauxsupplementaires

T2m est prevue par le modele et n’est plus diagnostique

les flux de surface sont modifies






validation de SBL avec Arome

Utilisation du schema SBL au dessus de la vegetation

simulations Arome

sud-est de la France

niveau atm. bas 17m

5 niveaux supplementaires






validation de SBL avec Arome

Masson and Seity, 2009, JAMC, 48, 7, 1377-1397

simulations Arome

niveau atm. bas 17m + schema de veg.

niveau atm. bas 2m + schema de veg.

niveau atm. bas 17m + schema de veg.+ SBL

SBL fait aussi bien qu’avec la haute resolution

meilleur couplage nocture sfc/atm

flux de chaleur sensibles plus negatifs

champs de temperatures coherents





emission chimique anthropiqueemission naturelle aerosolsproduction de poussieresschema de principemodele DEADDepot sec

emission chimique anthropique

independante des conditions meteorologiques : traffic, activiteindustrielle

cadastre d’emission : Flux de NOx sur Toulouse






emission naturelle aerosols

dependante des conditions meteorologiques et des proprietesde surface

aerosols desertiques, sels marins, flux biogeniques

observation de poussieres par MODIS






production de poussieres desertiques

seuil u∗ = 0.2m/s

saltation : mouvement horizontal des particules dans unecouche turbulente proche de la surface

sablage : bombardement des agregats en surface par desparticules en saltation et production de fines particules : lesaerosols desertiques






schema de principe






modele DEAD

modelisation des emissions de poussieres

calcul du seuil d’erosion u∗d pour sol sec (fct de ρ, D, des

particules) Marticorena and Bergametti, 1995

prise en compte de l’humidite du sol :

w < w ′ : u∗w = u∗

d

w > w ′ : u∗w = u∗

d ·(1 + 1.21(w − w ′)0.68

)1/2

w ′ depend de la texture du sol (%argile) Fecan et al., 1999






modele DEAD

modelisation des emissions de poussieres

effet de la rugosite sur u∗d Marticorena and Bergametti, 1995

calcul du flux horizontal Fh de surface : White, 1979

calcul du flux vertical Fv de poussiere :Fv = α · Fh α depend du %argile






Depot sec

Parametrisation du depot sec de gaz et aerosols a la surface par transfert turbulent

caracteristiques du gaz a donner : solubilite, masse moleculaire

parametrisation du depot grace a sa vitesse de depot vd = − Fcc(z)

vd = (Ra + Rb + Rc )−1

Ra : resistance aerodynamique, Rb : resistance quasi-laminaire et Rc resistance de surface


Documents

stage surfex · executable trpixel.bash executable pro l.bash SXPOST permet d’extraire un champ 2d du chier de sortie issu de PGD ou PREP a n de le tracer. Il utilise un chier d’entr