4ème Réunion des Utilisateurs de Méso-NH Discussion Scientifique

1. 4ème Réunion des Utilisateurs de Méso-NHDiscussion Scientifique 23-24 avril 2007 Laboratoire d’Aérologie - TOULOUSE

2. Discussion scientifique / PLAN A. PHYSIQUE 1. Microphysique 2. Turbulence 3. CL Océanique 4. Surface 5. Hydrologie 6. Activité électrique 7. Convection profonde 8. Convection peu profonde – Schéma statistique de nuage 9. Chimie – Aérosols – Dispersion de pollen 10. Rayonnement B. NUMERIQUE 1. Advection et schéma temporel 2. Spawning 3. Filtrage/Bogussing des Cyclones 4. Coordonnée verticale SLEVE 5. Diffusion horizontale C. ASSIMILATION – AROME 1. Approche Modèle  Satellite 2. Lidar – Radar - GPS 3. Outil d’assimilation à méso-échelle

3. A.1 Microphysique • MASDEV4_63 schémas • Kessler (chaud) • C2R2 (chaud, 2 moments + activation des CCN) • ICE3 (phase mixte, 5 classes, 1 moment) • MASDEV4_7 • Khairoudinov-Kogan modifié (KHKO) : LES de Sc (O.Geoffroy) • ICE4 • Nouveau seuil d’autoconversion glace neige (Chaboureau et Pinty, 2006) • Brouillard : sédimentation de l’eau nuageuse pour ICE3/ICE4 et activation par refroidissement radiatif dans C2R2/KHKO • Faiblesses identifiées • Algorithme de sédimentation trop diffusif et coûteux pour des pas de temps élevés • Pas de prise en compte de la nébulosité fractionnaire (sauf pour autoconversion) • Evolutions envisagées(2 ans) - Mise à disposition de C3R5 en cours de validation - Amélioration de l’algorithme de sédimentation - Intégration de nouveaux schémas : Schéma de cirrus de V.Giraud ??? ; ICE2 - Brouillard : interaction avec ORILAM : thèse de J.Rangognio - Introduction d’ une microphysique sous-maille (thèse GMEI/Méso-NH sept.2007) - Nucléation mixte : équation pronostique d’évolution de CCN/IFN (thèse proposée M.Leriche-JPP) - Amélioration dans KHKO du schéma de mélange par entraînement (O.Thouron) - Impact des processus microphysiques sur les cyclones (possible poste CNRS au LACy)

4. A.2 Turbulence • MASDEV4_7 - Moments d’ordre 3 pour q (fit à partir de LES) (Tomas et Masson, 2006) - Longueur de mélange de Deardorff modifiée • Autres travaux(depuis 2 ans) • CL neutre : S.Tomas (veine h.), Drobinski-Masson • CL stable : J.Cuxart-M.Antonia • Faiblesses identifiées • CL convective sèche : Longueur de mélange trop faible • CL stable : Mélange trop faible en vent faible (brouillard) et aux inversions. • CL neutre : BL89 infinie • Cumulus : Turbulence insuffisante – Interface nuage/environnement mal prise en compte. Donc surestimation des w. • Evolutions envisagées(2 ans) • Moments d’ordre 3 : Thèse de J.Pergaud : paramétrisation des moments d’ordre 3 à partir de considération de flux de masse (transport non local) • Longueur de mélange : Thèse de J.Pergaud : nouvelle formulation de la longueur de mélange à partir du modèle d’updraft sous-maille (collaboration F.Couvreux, S.Malardel)

5. A.3 C.L. Océanique • MASDEV4_7 (surfex2.0) • 2 nouvelles paramétrisations des flux de surface océanique : COARE3.0 et UniFTP (Thèse de C.Lebeaupin) • Validation de UniFTP en conditions cycloniques (G.Samson) • Evolutions envisagées(2 ans) • Couplage avec modèle de surface océanique 1D et initialisation de la partie océanique à partir d’analyses MERCATOR (C.Lebeaupin) : 1ers tests on-line en cours

6. A.4 Surface • SURFEX2.0 • Introduction de ISBA-A-gs et évaluation sur Carbo-Europe • Introduction d’ORILAM (Tulet et al., 2006) • Introduction des poussières désertiques (Grini et Tulet, 2006) et des sels marins • Introduction d’une paramétrisation de l’irrigation • Introduction du schéma de neige EBA • Possibilité d’utiliser des champs physiographiques autres qu’ECOCLIMAP • Nouvelles interpolations pour la CLS • Effort important de documentation et de présentation (P.Le Moigne, stages Méso-NH) • Faiblesses identifiées - Absence de paramétrisation de la température des lacs (modèle de lac) • Evolutions envisagées(2 ans) • Nouvelle version ECOCLIMAP II + récente et + fine (100m) (S.Faroux) • Introduction de la représentation de la glace sur l’Antarctique (E.Masciadri) • Transport de neige (Vincent Vionnet au CEN) • Emission et dépôt sec des pollens (INRA Bordeaux) • Evaluations sur AMMA (Aaron Boone, projet Almip) • Evaluation de ISBA-A-gs sur CarboEurope • Inclusion d’un modèle de CLS dans ISBA et TEB (V.Masson) • TEB : Améliorations (A.Lemonsu, V.Masson) • Intégration possible d’un modèle de lac (collaboration Rui Salgado,HIRLAM/ALADIN) • Développement d’un schéma d’analyse des variables pronostiques dans le sol(JFMahfouf)

7. A.5 Hydrologie • Travaux réalisés • Couplage Méso-NH-ISBA-TOPMODEL pour simuler ‘on line’ les crues rapides (K.Chancibault puis B.Vincendon et L.Bouilloud). Fonctionne off-line en surfex2.0 • Evolutions envisagées(2 ans) • Intégration de la version ‘on line’ dans une prochaine version de la surface • Tests avec Méso-NH et AROME

8. A.6 Activité électrique • Evolution(depuis 2 ans) Développement d’un modèle quasi-complet d’électrisation des nuages (C.Barthe, G.Molinié, JP Pinty): • Explicite: une variable pronostique charge pour chaque espèce mf (ICE3). Chargements non inductifs (choc glace-glace) et inductif (choc eau-eau polarisé). Transferts de charge. Calcul du chemin des éclairs  production de NOx. • Implicite: Paramétrisation de la fréquence des éclairs dans KFB (JP Pinty et T.Fehr), et production de NOx. Implicite resté dans TROCCINOX2 et AMMA. Explicite sur un cas STERAO. • MASDEV4_7 • Introduction de la partie implicite • Evolutions envisagées(2 ans) • Améliorer la technique de parallélisation pour le traitement explicite des éclairs • Introduction des ions pour simuler les charges d’espace autour des nuages • Simulation d’un cas réel explicite • Mise à disposition de la partie explicite (ELEC3) dans une prochaine version. • Introduction d’un module de calcul de taux d’éclair en fonction de la microphysique (développement réalisé dans WRF par C.Barthe)

9. A.7 Convection Profonde • Etat actuel • Schéma KFB • Nombreux développements dans KFB pour la chimie (transport, éclairs, lessivage), l’électricité • Faiblesses identifiéesMêmes défauts que les autres • Pas d’évolutionperte d’expertise sur KFB • Evolutions envisagées(2 ans) • Importance de maintenir KFB

10. A.8 Convection Peu Profonde • Etat actuel • Schéma KFB • Evolution(depuis 2 ans) • Développement d’une plate-forme commune 1D ARPEGE/ALARO/AROME (S.Malardel) • Développement d’une paramétrisation unifiée des thermiques secs et de la convection peu profonde basée sur l’approche EDMF de P.Soares : Travaux de J.Pergaud, S.Malardel et V.Masson. Interactions avec le schéma statistique de nuage (sconv). Application du mélange sur le vent. • Validation en 1D (Bomex, ARM, RICO, Ayotte, Wangara) et début des tests en 3D dans AROME : très encourageant. • Evolutions envisagées(2 ans) • Poursuite des tests dans AROME • Evaluation en cours des Sc à la résolution d’AROME à partir des données CloudNet (stage M2 de E.Perraud en cours) • Introduction du nouveau schéma dans la prochaine version • Proposition de sujet de thèse (sept.2007) : Amélioration du schéma statistique du nuage vers une pdf pronostique selon Tompkins (2002). Interactions avec le rayonnement et la microphysique. Demande des utilisateurs Rédaction d’une note expliquant le traitement des nuages explicites/implicites. Note à mettre à jour en fonction des nouveaux développements.

11. A.9 Chimie – Aérosols - Pollen • MASDEV4_7 • Introduction d’ORILAM (Tulet et al., 2006) • Introduction de 2 nouveaux schémas chimiques CACM et ReLACS2 • Introduction des LiNOx • Possibilité d’initialiser l’atmosphère et la chimie à partir de 2 sources différentes • Autres travaux • Analyse des sous-estimations d’O3 sur Escompte et impact du nudging (P.Farjounel) • Evolutions envisagées(2 ans) • Modification de la prise en compte des émissions industrielles ( surfex vers Méso-NH) : Didier ? • Lessivage par les précipitations liquides et solides explicites (existe mais lourd avec ICE3). Bénéficierait de ICE2 ? • Nouvelle méthode de solveur chimique + efficace et + précis, notamment pour chimie aqueuse (Maud Leriche et JP Pinty, projet SOLSTICE) • Emissions de No par les sols (C.Delon) • Evaluation sur AMMA (C.Mari) • Chimie en phase aqueuse (M.Leriche, C.Mari) • Dispersion des pollens (INRA Bordeaux) incluant les aspects vieillissement/mort • Evolutions à plus long terme - Activation des aérosols (P.Tulet, M.Leriche, JP Pinty) - Chimie en phase aqueuse et glacée (M.Leriche, C.Mari, JP Pinty) - Noyaux glaçogènes (JP Pinty, M.Leriche) - Forçage des émissions par les feux de biomasse (C.Delon)

12. A.10 Rayonnement • MASDEV4_7 Révision du code de transfert radiatif LW et SW et du couplage avec Méso-NH par O.Thouron, et corrections: - Nonprise en compte des hypothèses de recouvrement pour le calcul de AZE - Corrections en SW sur le calcul des propriétés optiques et de l’efficacité de diffusion Autres : - Prise en compte des poussières désertiques (A.Grini) - Modification du SSA par inclusion d’aérosol dans les gouttelettes (Sandu et al., 2006) • Faiblesses identifiées • Calcul des propriétés optiques : En mp à 1 moment, rayon effectif selon Martin et al.(1994) : adapté aux Sc. En mp à 2 moments, paramétrisations peu récentes (Tables de Mie). • Non prise en compte de la phase neige, pénalisante pour le LW dans les cirrus • Non prise en compte des particules de pluie • Non prise en compte de la fraction en eau de pluie sous-maille • En LES avec mp à 2 moments, besoin d’un schéma radiatif plus complet • Evolutions envisagées(2 ans) • Révision des paramétrisations des propriétés optiques (Stage M1 avec O.Thouron) - mp à 2 moments : Prise en compte des CN pronostiqués à partir du processus de nucléation mixte (O.Thouron) • Prise en compte des particules de pluie pour la mp à 2 moments • Couplage avec GAME pour les simulations à 2 moments (P.Dubuisson, en collaboration avec O.Thouron)

13. B.1 Advection et schéma temporel • Précédente réunion des utilisateurs : Décision de développer un nouveau schéma d’advection, + stable pour des Dt + élevés, + précis, avec priorité sur le traitement des scalaires • MASDEV4_7: Développements de Tomislav Maric - Schéma centré du 4ème ordre pour u,v,w : CEN4TH - Schéma eulérien PPM pour les scalaires météo (q,r,TKE) et traceurs : PPM_00 sans contrainte, PPM_01 avec contrainte de positivité et de monotonie - Schéma « Forward in Time » (FIT) pour l’advection, Leap-Frog pour le reste  Amélioration de la précision et de la stabilité (ratio sur Dt de 1 à 2). Limitation due au schéma d’advection de u,v,w • Autres travaux : - Implémentation rapide de PPM_00 pour u,v,w : pb de précision dû aux interpolations multiples - Implémentation de WENO 3ème ordre, mais impose schéma temporel RK3 - Test sur maquette : RK3 pour l’advection et FIT pour le reste du modèle : pbs pour le moment • Propositions : - Faire évoluer le schéma temporel pour le reste du modèle vers RK3 : gros chantier, à évaluer. - Privilégier WENO 5ème ordre plutôt que WENO 3ème ordre pour u,v,w (difficulté supplémentaire pour la parallélisation ?) - Etendre PPM vers SL sur la verticale pour le rendre inconditionnellement stable

14. B.2 Spawning • Masdev4_7 • Spawning à partir de 2 modèles: le père (P) + un fils (F1) (D.Barbary, I.Mallet) • Nouveau pg ZOOM_PGD • Spawning des champs de surface à l’étape Spawning • Evolutions envisagées(2 ans) • Sur l’initialisation : Initialisation/couplage à partir des fichiers AROME (I.Mallet) B.3 Filtrage-Bogussing des Cyclones • Masdev4_7 • Modification du filtrage pour que le vent soit modifié uniquement dans la zone de filtrage

15. B.4 Coordonnée SLEVE • MASDEV4_7 • Introduction de la coord. SLEVE (G.Zängl, V.Masson) et adaptation de diaprog (I.Mallet). B.5 Diffusion horizontale • MASDEV4_7 • Introduction d’une nouvelle diffusion selon Zängl (2002) pour les zones montagneuses • Tests par N.Asencio sur la POI8 de MAP

16. B.6 Solveur de pression • MASDEV4_7 - Option pour ajuster automatiquement le nombre d’itérations au cours du Dt • Evolutions envisagées(2 ans) Objectif de réduire le coût numérique : • Proposition de P.Bernardet : Implémenter une CL supérieure radiative (de type Durran-Bougeault), comme dans MM5, pour réduire le nombre de niveaux verticaux. Modification du solveur associée. B.7 NUDGING • MASDEV4_7 - Ajout pour vent,q,rv - Evaluation sur Escompte (P.Farjounel) B.8 NESTING • MASDEV4_7 - Introduction par N.Asencio du 2-way pour les champs d’entrée de la surface (XWAY=3) - Apport positif sur tous les cas tests

17. C.1 Modèle  Satellite • MASDEV4_7 • Intégration RTTOV version 8: simule toutes les observations radiométriques dans l’IR et le micro-ondes des capteurs de satellite opérationnels • Evolutions dans les 2 ans • Intégration de la version 9 prenant en compte la diffusion par les aérosols • Les versions suivantes pourraient comporter des atlas d’émissivité de surface et la simulation des luminances dans le visible.

18. C.2 Outil d’assimilation à méso-échelle • Etat actuel • Utilisation via OLIVE • Partie commune pour le flux de données et la minimisation : 3DVar-ALADIN • Vecteur innovation calculé par plusieurs modèles dont Méso-NH à 10km et 2.5km (système hybride) • Evolution envisagée(2 ans) • Outils assez lourds nécessitant un investissement significatif : difficulté croissante des réanalyses de campagne au développement de l’assimilation de nouveaux types d’observation • Recommandation d’utilisation des systèmes ALADIN et AROME, avec disparition à terme du système hybride (sauf demande explicite)

19. C.3 Radar bandes centimétriques • Etat actuel • Un simulateur radar complet a été développé par O.Caumont pour la validation et l’assimilation des données nuageuses : prend en compte la géométrie du faisceau, plusieurs modèles de rétrodiffusion, et peut tenir compte de l’atténuation. Fournit en sortie les réflectivités, les paramètres polarimétriques et les vitesses radiales Doppler • Evolutions envisagées(2 ans) • Peut rentrer dans la prochaine version Méso-NH si la demande existe (sorties PPI). Réponse : la demande existe ! • L’assimilation des vents Doppler devrait être disponible courant 2007 pour le 3DVar ALADIN, et à un peu plus long terme pour les réflectivités radar. GPS • Etat actuel • Les observables délais zénithaux ont été développés, validés et documentés dans DIAG (H.Brenot) : Intégration dans la prochaine version si demande. • Les observables délais obliques (tirs en direction des satellites) et gradients ont été développés, validés et documentés dans DIAG (H.Brenot) : Intégration dans la prochaine version si demande. Evolutions envisagées(2 ans) - Assimilation des données de délais zénithaux totaux dans 3DVar ALADIN (P.Poli, MICADO)

20. Lidar • Etat actuel • M.Chiriaco et H.Chepfer ont développé un simulateur lidar rétrodiffusion dans MM5 • Code repris par JP Pinty pour traiter les aérosols et les nuages multiphasiques dans Méso-NH. Action en cours de validation par JP Chaboureau. Radar bandes millimétriques • Etat actuel • JP Pinty a développé un code pour simuler un radar atténué à visée verticale type Cloudsat (95GHz). L’atténuation par O2 et H20 est considérée, ainsi que l’atténuation par l’eau nuageuse et la pluie. • Test et utilisation conjointe avec le lidar.

21. Book1 Documentation Scientifique • Etat actuel P.Mascart et al. • Evolutions envisagées(2 ans) Mise à jour : effort de tous ! Book3 A jourNouvelle doc DIAPROG • Atouts de Méso-NH • Simulations LESpour améliorer les paramétrisations • BILANS (bilans LES, bilans de masse …) • TRACEURS - trajectoires