Paramétrisation de la couche limite convective :

le modèle du thermique

Frédéric Hourdin, Anne Mathieu, Alain Lahellec (LMD/IPSL).

+ Fleur Couvreux, Laurent Menut, Abderrahmane Idelkadi

I. Le modèle du thermique. Validation 1D avec des résultats LES.

II. Les traceurs. Simulations radon 3D.

III. Couplage avec les nuages. Etudes locales (au SIRTA) avec le

modèle 3D.

Motivations :

- Couche limite du modèle LMDZ obsolète.

- Prise en compte du transport par les structures organisées de la couche

limite (convective).

- Modélisation intégrée du climat et changement climatique

-> contraintes suplémentaires sur les modèles comme la bonne

représentation du transport des espèces traces.

-> paramétrisations plus ''physiques'' et moins adhoc.

La couche limite convective

chauffage par le bas -> couche bien mélangée (q=cste)

-> chauffage réparti uniformément

-> W' q' décroit linéairement avec z

Structures organisées (thermiques, panaches, rouleaux ...)

-> MiseS en défautS des paramétrisations en diffusion turbulente

Diffusion turbulente :

Kz(Ri) ex: Louis 1979, et schéma LMD (Laval et al., 1981)

Mellor et Yamada (MY) Kz=l e de/dt = ..., TKE

Schémas non locaux

-> Contregradient (Deardorf, 1966). LMD : contregradient imposé

similarité étendue à la couche limite convective (Troen & Mart, 1986,

Holtzlag & Boville, 1993= HB)

-> Longueurs de mélange non locales (Bougeault)

-> Flux de masses

* Modèles de couche mélangée (Betts, Albrecht, Wang, Suarez et al....)

* au sens des paramétrisations de la convection profonde

(Chatfield & Brost, 1987, TH : Hourdin et. al., JAS, 59:1105-1123)

-> Matrices de transiliance (Stull, 1984, Pleim & Chang, 1992)

-> Schémas d'ordre plus élevé

(Abdella & Mc Farlane, 1997, Randall et al., 1992, Lapen & Ransall, 2002)

LMD+TH

MY+TH

Vision idéalisée d'un panache thermique

Les équations du modèle du thermique

Fermeture pour le modèle du thermique

Mellor et Yamada

(MY)

MY+Thermiques

q (K)

W' q ' (K m/s)

B

Diffusion turbulente

Thermiques

Décomposition du flux de chaleur

dans le cas MY+thermiques

Exemple de comparaison avec les LES (modèle du NCAR, Moeng et al.)

pour la température potentielle et un traceur B, atmosphère sèche.

Forçage : flux de chaleur au sol w'q'0=0.24 Km/s

vent géostrophique u=10m/s

Total

Cas 24SC

w'q'0 = 0.24 Km/s

Strongly Capped

Cas 05WC

w'q'0 = 0.05 Km/s

Weakly Capped

A1

A1

Q

B

A1

Forte inversion

Faible

Flux de chaleur croissants

Convection libre (vent geostrophique nul)

Barocline (vent geostrophique = f(z))

MY

MY+TH

LMD

LMD+TH

Q (K)

HB

(may) days of year (june)

Zingst

Heidelberg

Simulation du radon 222

émis par les continents, demie-vie 3,5 jours

maille de 40 km sur l'Europe

Mai et juin 1998

Mace Head

Cycle diurne moyen normalisé

de la concentration de radon en surface

Concentrations de surface

Evolution sur la verticale

,ta

,td

LMD

LMD+TH

MY

MY+TH

LMD

LMD+TH

MY+TH

MY

Etude de la couche limite au SIRTA

Modèle guidé (par NCEP) et zoomé (100km, en 48x32)

Constante de temps (jours)

de guidage (ou nudging)

Grille utilisée pour les

simulations SIRTA

Exemple de simulation:

Simulation de 10 jours en mai 2003

Test de la sensibilité au schéma de surface (bucket)

SIM1 : très sèche

SIM2 : moins sèche

SIM3 : pas mal

SIM1 : très sèche

SIM2 : moins sèche

SIM3 : pas mal

SIM1 : très sèche

SIM2 : moins sèche

SIM3 : pas mal

SIM1 : très sèche

SIM2 : moins sèche

SIM3 : pas mal

SIM1 : très sèche

SIM2 : moins sèche

SIM3 : pas mal

LMD

LMD+TH

LMD

LMD+TH

LMD

LMD+TH

Comparaison de mesures SIRTA avec des simulations LMDZ guidées par des analyses et zoomé sur le SIRTA. Deux versions de la paramétrisation de la couche limite sont utilisées : couche limite du LMD avec ou sans thermiques (TH).

Hauteurs de couche limite et niveau de condensation libre

Diagnostics effectués par Anne Mathieu

Lidar

Sondages

de Trappes

Comparaison entre LMD et LMD+TH

(après réglage du schéma de surface)

LMD

LMD+TH

LMD

LMD+TH

LMD

LMD+TH

Les 10 jours était sélectionnés pour les 3 derniers jours :

couche limite convective + cumuls + données LIDAR

Conclusions

Prise en compte du transport vertical par les structures organisées méso-échelles de la couche

limite convective

-> Comparaison favorable avec les LES (couche limites sèches)

-> Bonne représentation du cycle diurne de traceurs émis en surface.

Méthodes de validations

-> LES académiques en plus des études de cas : tester la réponse aux paramètres de forçage.

-> Validation systématique sur un site instrumenté (le SIRTA) très préliminaire.

Tests encourageants. Echantillonnage plus systématique.

Besoin de méthodologie pour séparer les problèmes liés aux analyses (Anne Mathieu).

-> Complémentaire des études de cas sur campagnes.

-> Intéret des traceurs.

-> Test des physiques de ARPEGE/CLIMAT et LMDZ avec une interface commune en mode

uni-colonne (Marie-Pierre Lefebvre). Comparaison et percolation des approches.

Inclusion de la composante nuages

-> CAPE humide pour le flux de masse ascendant.

-> Couplage avec un schéma en PDF (Bony et Emanuel, 2001).

-> Tests en version climatique 3D.

-> Strato-cumulus/cumulus. Instabilité d'entrainement et descentes organisées.

-> Couplage avec la convection.

Simulations LES de la couche limite convective sèche

Résolution verticale 10-20 m, horizontale 50-100 m.

Forçage : flux de chaleur + vent géostrophique

Modèle LES du NCAR (Moeng et al.), profils fournis par Ayotte

Rectangular

Le Treut and Li, clim dyn 1991

Generelized Log normal with P(0)=0)

Bony and Emanuel, JAS, 2001

IPSL_CM4

Convective regime

Subsidence

Présentation PowerPoint

IPSL

2001-11-22T10:28:32