\chapter{Advection grande échelle des traceurs et développement de LMD-ZT}



\section{Les schémas de transport en volume finis}

En 1997,
en collaboration avec Alexandre Armengaud alors en thèse au LGGE,
j'ai adapté au modèle du LMD une série de schémas d'advection en volumes finis.
Les schémas en volumes finis sont basés sur une partition du domaine considéré
en volumes de contrôle au frontières desquels on évalue les flux entrants
ou sortants de traceurs.
Nous avons ensuite effectué une comparaison systématique d'une série de schémas 
\cite[]{Hour:99}
porposés à l'origine par \cite[]{VanL:77}.
Ces schémas conduisent facilement à une mise en oeuvre tri-dimensionnelle et
satisfont des propriétés physiques fondamentales du transport: localité,
conservation, monotonie, positivité (plus généralement pas de création 
d'extréma numériques) et invariance par addition d'une constante au champ de
traceur.

\cite{VanL:77} avait en fait proposé une hierarchie de schémas dont les plus
sophistiqués ont été introduit ultérieurement et indépendamment dans la
communauté météorologique par \cite{Russ:81} (schéma de "pentes" du GISS) et
\cite{Prat:86}. Nous avons pu montrer que ces différents schémas étaient
en fait assez semblables dès lors qu'on les comparait non pas à résolution
spatiale fixée mais à coût numérique équivalent (un schéma plus précis mais
plus coûteux se comporte comme un schéma moins précis mais utilisé sur une
grille plus fine). Nous avons retenu pour le modèle du LMD le schéma le plus
simple (le schéma I dans le papier original de Van Leer souvent appelé MUSCL).

La période couverte par le présent rapport d'activité correspond à
la finalisation
de la publication sur le test des schémas et les travaux sur le développement
et la validation de LMD-ZT présentés ci-dessous.

\section{Développement de LMD-ZT}

Ce travail sur les schémas d'advection
a été à l'origine de la version traceur
du modèle de circulation générale LMD-ZT.
Ce modèle est doté de la capacité de transporter un nombre arbitraire
d'espèces traces. En pratique, il a fallu d'une part rajouter le schéma
de transport grande échelle dans la "partie dynamique" du modèle de circulation
mais également traiter l'effet du
mélange turbulent ou de la convection
sur la distribution des espèces traces. Ce dernière partie a été effectué par
Olivier Boucher et Alexandre Armengaud. Marie-Angèle Filiberti, en CDD a 
l'IPSL, a contribué à finaliser, sous ma responsabilité, la version distribuée
de ce modèle.

LMDZ-ZT a été conçu de façon très modulaire de façon à pouvoir  y rajouter
facilement des codes de chimie ou des modules d'aérosols. En pratique,
une interface vers les modules chimiques a été définies dans la "partie
physique" du modèle de circulation. L'organisation de cet outil est résumée
sur l'organigrame, \fg{organ}.

\begin{figure}
\includegraphics[width=14cm]{lmdz-t.eps}
\caption{Organigramme du modèle LMD-ZT\label{fg:organ}}
\end{figure}

Ce modèle est destiné avant tout a des études climatiques couplées
dans lesquelles les distributions d'espèces chimiques ou d'aérosols
rétroagissent sur les variables météorologiques. Cependant, notamment
pour le développement et la validation, il est intéressant de
disposer de versions "débranchées" (off-line) du modèle et de pouvoir
forcer la situation météorologique a suivre au plus près les analyses.

Le modèle a donc été conçu de façon à pouvoir débrancher la météorologie.
Les interfaces entre les parties météorologiques et traceurs ont été clairement
identifiées.
En mode "branché", on passe à chaque pas de temps les flux de masse
pour le transport grande échelle ou les coefficients de mélange turbulent
pour la partie physique. On peut également
stoker ces coefficients sur des fichiers
(en pratique, on est obligé de les cumuler sur quelques heures) qui
peuvent alors être relus pour effectuer à moindre coût des
simulations de transport débranchées.

Pour  le forçage par des réanalyses, on a principalement utilisé jusque-là
la méthode dite du "nudging": on relaxe simplement les champs grande échelle
vers les analyses. Nous testons egalement actuellement avec Marine Bonazzola
une alternative dans la quelle on "assimile" les analyses dans le modèle
avec des méthodes variationnelles.

La version débranchée et "nudgée" s'apparente finalement à un modèle de
type CTM (Chemistry-Transport Model). Mais, alors que dans les CTM la
météorologie est en général directement issue des réanalyses, on effectue
ici une première simulation météorologique nudgée. Cette approche offre
l'avantage de pouvoir extraire des paramétrisations physiques
du modèles tous les paramètres  jugés nécessaires pour le transport des
espèces traces.

\section{Application à des calculs de dispersion atmosphérique}

Comme nous l'expliquons ci-dessous, nous avons développé avec le CEA une
collaboration concernant la détection des essais nucléaires à partir de
mesures de la composition atmosphérique par un réseau de station.
Dans ce cadre, nous avons effectué un certain nombre d'études relative à la
dispersion de sources de pollution ponctuelles.

Nous avons notamment étudié le cas très bien documenté de la campagne Européenne
ETEX (European Transport Experiment). Nous avons pu montrer que le modèle
LMD-ZT, avec une maille d'une centaine de kilomètres sur l'Europe, se comparait
de façon très satisfaisante aux modèles de référence dans le domaine
\cite[]{Hour:00CRAS}.
Ce travail de validation est au coeur de la thèse qu'Abderrahmane effectue
sous ma direction au LMD.

Nous avons également effectué avec ce modèle une simulation quasiment en temps
réel (avec 4 ou 5 jours de retard) de la dispersion atmosphérique
correspondant à l'accident nucléaire de "criticité" de septembre 1999
au Japon \cite{Hour:99METEO}.

\def\orig{/d2/hourdin/tex/ARTICLES/CRAS}
\begin{figure}
\centerline{\includegraphics[width=12.25cm]{\orig/panache.eps}}
\caption{Expérience ETEX-1. Concentrations de PMCH (en ng/m$^3$) observées (à gauche) et simulées
(à droite) à $t_0+48$~h.
Les simulations sont effectuées avec le modèle LMD-ZT en version débranchée
et nudgée vers les analyses du Centre Européen pour les Prévisions
Météorologiques à Moyen Terme. Ce panache résulte de l'émission sur 12h
de 340 ng de perfluroro-méthyl-cyclo-hexane depuis le sommet d'une cheminée près
de Brest par fort flux d'ouest. Le panache observé 48 h après l'émission est
reconstitué à partir de la mesure en 168 stations réparties en Europe.
Les simulations ont été effectuées par Abderrahmane Idelkadi.
\label{fg:ETEX}}
\end{figure}