L'impact de la représentation de l'évolution de la température de l'eau
dans les circulations atmosphériques au-dessus des lacs
Rui Salgado Centro de Geofísica de Évora / Universidade de Évora
Cinquième réunion des utilisateurs de Méso-NH
Toulouse, 13 Oct 2009
Méso-NH AROME Arpège / Aladin
Atmospheric forcing Sun position Downward radiative fluxes
albedo emissivity radiative temperature
momentum flux sensible heat latent heat CO2 flux Chemical fluxes
Surfex
FLake © Patrick Le Moigne
Toulouse, 13 Oct 2009
Le modèle FLake
Développé par Mironov (2008) Pour Application dans modèles
de prévision du temps (DWD) Modèle 1D a 2 couches:Couche de mélange: Température constanteThermocline – “forme assume” Calcule:Évolution du profil thermiqueFlux superficiel d'énergie et de vapeur d'eau
Toulouse, 13 Oct 2009
CT=0.8
CT=0.8
CT=0.65
Limite pendant la croissance de la couche limite
FLake: description
Variables (eau liquide):
s Température de la surface
b Température profonde
Température moyenne de la colonne d'eau
h épaisseur de la couche de mélange
Ct Facteur de forme - thermocline
Principaux paramètres: Albedo e émissivités Coefficient d’extinction
rayonnement solaire dans l’eau
Profondeur du lac
Toulouse, 13 Oct 2009
Équations d'évolution – conservation d'énergie: Couche superficielle:
Colonne:
Équations d'évolution empirique pour h et le facteur de forme (processus: convection, entrainment, etc) Inclue modules pour: Sédiments Glace Neige
I(h)QI+Qcρ
=dt
dθh hss
ww
s 1
I(D)QI+Qcρ
=dt
θdD bss
ww1
FLake: description
Toulouse, 13 Oct 2009
Le code original de FLake a été retenu (http://nwpi.krc.karelia.ru/flake/). Le code n’es pas dans la norme Meso-NH.
Une interface (flake_interface.f90) pour communiquer avec SURFEX a été créée.
FLake code is prepared for single-column applications. So, The flake_interface calls the flake routines inside a DO loop over the horizontal grid points where lakes are present.
Le couplage est explicit. The fluxes are computed before the advance of flake variables,
namely of the Surface Temperature. The fluxes of momentum and of sensible and latent heat may be
computed using the routines provided by FLake (SfcFlx routines) or by the SURFEX WATER_FLUX routine.
For the moment, no changes have been done in the SURFEX chemistry routines.
All the routines for the pgd, prep and diag procedures have been modified in accordance.
Implémentation dans SURFEX
Toulouse, 13 Oct 2009
Pour utiliser Flake:
CWATER = 'FLAKE ' in the namelist:
NAMELIST/NAM_PGD_SCHEMES/CNATURE, CSEA, CTOWN, CWATER Pour PREP_PGD: namelist NAM_DATA_FLAKE
Fortran name Default Description unit
XUNIF_WATER_DEPTH 20. Lake Depth (m)
YWATER_DEPTH none filename
YWATER_DEPTHFILETYPE none
XUNIF_WATER_FETCH 1000 Typical Wind Fetch over Water (m)
YWATER_FETCH none filename
YWATER_FETCHFILETYPE none
XUNIF_T_BS 286 Temperature at the outer edge of the thermally active layer of the bottom sediments (K)
YT_BS none filename
YT_BSFILETYPE none
XUNIF_DEPTH_BS 1 Depth of the sediments layer (m)
YDEPTH_BS none filename
YDEPTH_BSFILETYPE none
XUNIF_EXTCOEF_WATER 3 Extinction coefficient of solar radiation in water (m-1)
YEXTCOEF_WATER none filenameYEXTCOEF_WATERFILETYPE none
Comment utiliser Flake dans SURFEX / MESONH / …
Toulouse, 13 Oct 2009
Pour PREP_REAL: namelist NAM_PREP_FLAKE
Fortran name Default Description unit
XUNIF_TS_WATER none Lake surface (water, ice or snow) temperature (K)
XUNIF_T_SNOW 273.15 Surface temperature of Snow (K)
XUNIF_T_ICE min(273.15,XTS_WATER) Surface temperature at the ice-atmosphere or ice-snow interface (K)
XUNIF_T_MNW depends on XTS_WATER Mean Water Column Temperature (K)
XUNIF_T_BOT depends on XTS_WATER Water Temperature at the bottom of the lake (K)
XUNIF_T_B1 depends on XTS_WATER Temperature at the bottom of the upper layer of the sediments (K)
XUNIF_H_SNOW 0. Snow layer thickness (m)
XUNIF_H_ICE 0. or 0.01(if XTS_WATER<273.15) Ice layer Thickness (m)
XUNIF_H_ML 3 Thickness of the water mixed layer (m)
XUNIF_H_B1 0.3 Thickness of the upper level of the active (m)
CFILE_FLAKE
CTYPE
Le facteur de forme initial est calculé (notre choix …)
Comment utiliser Flake dans SURFEX / MESONH / …
Toulouse, 13 Oct 2009
Pour MODEL RUN: namelist NAM_FLAKEn
Fortran name Values Default Description
LSEDIMENTS .TRUE: To use or not the bottom sediments scheme
CFLAKE_SNOW “NON” FLAKE” “ISBA-ES” “FLAKE” Name of the snow scheme to use over lakes
LWATFLX .FALSE. Use WATER_FLUX to compute surface fluxes over water?
Pour DIAG: namelist NAM_DIAG_FLAKEn
Fortran name Default Description
LWATER_PROFILE .FALSE: flag used to compute and write the water temperature at given depths into the output file
XZWAT_PROFILE depth of output levels (m)
Comment utiliser Flake dans SURFEX / MESONH / …
Toulouse, 13 Oct 2009
Les résultats de SURFEX_FLake et Flake seul coïncide, avec seulement quelques petites différences dues à des approximations numériques. Les tests on été fait pour différentes conditions initiales et différents paramètres, avec le même forçage atmosphérique, toujours pour des condition non gelée. Flake est correctement implémenté dans SURFEX
Water surface temperature simulated by FLake alone (black) and inside SURFEX (red) for the
period where the differences are greater
Test 1. SURFEX_Flake versus Flake seule
Toulouse, 13 Oct 2009
Test 2. 5 ans des simulations avec Flake off line
Statistiques T1m T5m T10m T15m T20m
Bias -1.28 -1.61 -1.24 0.08 0.62
EAM – Absolute mean error 1.40 1.75 1.51 0.96 1.04
RQEM – Root Mean square error 1.73 2.18 2.05 1.23 1.40
IOA - index of agreement 0.97 0.94 0.91 0.94 0.90
R^2 0.96 0.96 0.84 0.77 0.71
Correlation 0.98 0.98 0.91 0.88 0.84
Station permanente sur une plateforme sur l’eau (depuis Juillet 2002) - INAG
Toulouse, 13 Oct 2009
Alqueva: Campagne des mesures 10 Juillet – 5 Septembre 2007 Fluxes de chaleur avec an eddy
correlation system Anémomètre sonique (metek) Hygromètre de krypton
Rayonnement: Solaire (up and down) Infrarouge (up and down)
Jeux de données: Forçage complet (56 jours):
T2m, q2m, v2m, Rs, Ratm Données pour confrontation
des résultats Tw_1m, Tw_15m, Tw_20m,
Tw_profonde H (53 jours) LE (18 jours)
Expériences: Flake (lac et fluxes) FLake_WFLX (fluxes
calculated pour WATFLUX)
WATFLX
Test3. SURFEX_FLake versus WATFLUX et Observations
Toulouse, 13 Oct 2009
TS_FLK_WFLX > TS_Obs Good correlation Bias de TS_FLK_WFLX > TS
constant (for this period Ts_WATFLX ~ mean(Ts_obs) )
correlation
Bias RMSE
FLK_WFLX 0.85 0.9 1.1
WATFLUX 0.0 0.2 1.2
Test2. Water Temperature
Toulouse, 13 Oct 2009
Statistics
Correlation
Bias RMSE
T_15m 0.56 -0.4 1.1
T_20m 0.76 0.01 0.13
T_bot 0.91 0.05 0.10
Good representation of deep temperature
Bad representation of an late august episode of mixing layer deepening (3D process?)
Test2. Water Temperature
Toulouse, 13 Oct 2009
Sensible heat Flux (53 days in the mean computation) Simulated < Observed
(night time and morning) Same pattern In the afternoon H is
negative Maximum positive at 9 a.m. Impact of lake model is
weak Note: Ts in TS_Cte ~ mean
T
H Correlation
Bias RMSE
Surfex_flake
0.87 -6.2 18.4
TS_Cte 0.80 -6.5 19.8
Test2. Sensible Heat Flux
Toulouse, 13 Oct 2009
Teste 2. Latent Heat Flux
Latent heat flux (only 18 day – good days) (Less accurate data) Simulated << Observed Impact of the lake model
is more visible and positive (late afternoon)
Maximum of evaporation in the beginning of night (21 – 22 H)
Flux Scheme of Flake accord better with the observations.
H Correlation
Bias RMSE
Surfex_flake
0.62 -47. 81.
TS_Cte 0.42 -61. 113.
Flake 0.68 2.2 69.
Toulouse, 13 Oct 2009
Simulation 3D configuration
Simulation Period 16/July/2007, 30 hours, beginning at 18 TU
Vertical levels 45 stretched levels; 1º at 10m up to 25 km
Physical parameterizations:
Explicit clouds and precipitation Kessler warm microphysical
Boundary Layer TKE equation BL,1989
Convection Deep (model1)EDKF Shallow (all models)
Data bases for surface Ecoclimap, FAO, GTOPO30
Radiation ECMWF radiative scheme
Initial and forcing fields ECMWF analysis (6 hours)
Surface processes SURFEX with and without FLake
On going
Toulouse, 13 Oct 2009
Simulation 3D - Domains
Avec grid-nesting(Two way)
Toulouse, 13 Oct 2009
Simulation 3D: impact du model de lac sur les champ superficiel (nuit)
Impact sur le Chaleur latent et sensible
Impact sur la température de surface Impact sur la T2m et vent
Toulouse, 13 Oct 2009
Conclusions
Flake est disponible sur SURFEXL’implémentation a été testée pour des situations non gelées.
Pour la période considérée, l’impact de l’utilisation du modèle sur les calculs de flux est très faible.
Dans certaines situations critiques, très dépendantes de la température de la surface de l’eau, cela pourra être beaucoup plus important:BrouillardGel / dégel
Simulations 3D avec Meso-NHPendant la nuit le impact est faible, mais visible.On going
Toulouse, 13 Oct 2009