ADOMOCA Assimilation de Données dans des Modèles de Chimie Atmosphérique

1. ADOMOCAAssimilation de Données dans des Modèles de Chimie Atmosphérique P. Ricaud Laboratoire d’Aérologie Toulouse D. Cariolle CERFACS Toulouse

2. Plan • Historique • Outil • Science • Futur

3. Historique • Atelier Novembre 2003 • Communauté « chimie atmosphérique » • Etat des lieux des travaux engagés en assimilation • Outils d’assimilation • Séquentiel, 3D-VAR, 4D-VAR • Modèles chimiques • ROSE, MIMOSA, MOCAGE, LMDz, MIPLASMO, REPROBUS, MOZART, MESO-NH, RAMS, CHIMERE • Jeux de données • Satellites : UARS, ENVISAT, Odin, MOPITT, GOME, IASI • Ballons, avions • Comment appréhender les incontournables à venir ? • Jeux de données • ENVISAT, AURA, IASI, futur sondeur troposphère, futur sondeur UTLS • Europe : GMES, SAF O3, les programmes ASSET, SCOUT-O3, ACCENT, AMMA, … • Pôle de Compétence Thématique Ether • Relations recherche  produits systématiques  produits opérationnels

4. Organisation -1- Centres d’Expertises : Opérateurs d’obs modèles directs et méthodologie Satellites : GOMOS, Odin, MOPITT, … Modèles : REPROBUS, MIMOSA, … Méthodologie: Filtre de Kalman, 3DFGAT, 4DVAR PALM 2 Chaînes Palmées: MOCAGE & MSDOL/REPROBUS MOCAGE & LMDz-REPROBUS Recherche : Autres chaînes dans chaque labo Chaînes D’assimilation Non Opérationnel ASSET, SAF O3 Opérationnel GMES Ether Liens Externes

5. Organisation -2- • 7 Laboratoires • LA, CNRM, CERFACS, SA, LISA, LSCE et l’entreprise Noveltis • 2 composantes : Toulouse & Paris • ~50 chercheurs, post-docs et étudiants • 10 personnes à temps plein • Réunions • 1 par an à Toulouse ou Paris • 4-5 formations PALM au CERFACS

6. LEFE-ASSIM & LEFE-CHAT • 1 proposition LEFE sur 3 ans (2006-2009) • LEFE-CHAT (Scientifique) • Qualité de l’air (tropo) • Transport de polluants (tropo) • Processus physico-chimiques à l’interface de la troposphère et de la stratosphère (UTLS) • Bilan de l’ozone (stratosphère) • LEFE-ASSIMILATION (Outil) • Maquette PALM (V1  V4) • Palmérisation de MOCAGE et de LMDz-REPROBUS • 3DFGAT, 4D-VAR, Kalman • Demandes parallèles (ressources humaines & données) • TOSCA (IASI) : CDD & mesures spatiales • Ether : CDD & mesures spatiales en entrée et champs assimilés en sortie

7. Financement LEFEs • 2006 : 17,8 k€ • 2007 : 35,8 k€ • 2008 : 30 k€ • 2009 : 12 k€ • Solde : 8,9 k€ • Total : 104,5 k€

8. Liens avec le Pôle de Compétence Thématique de Chimie Atmosphérique Ether • Les champs de mesures spatiales en entrée de nos études d’assimilation • Des champs de mesures annexes (satellite, avion et sol) durant la phase de validation des champs assimilés PALMés, • Les outils nécessaires (fichiers de forcage, sources, scripts…) à la mise en œuvre de la chaîne PALMée MOCAGE sur plate-forme locale, • Fourniture des champs de constituants assimilés PALMés. • Différentes versions de la maquette MOCAGE-PALM

9. Outils d’assimilation • Composante toulousaine (CNRM, CERFACS, LA) • V1 disponible sur Ether • MOCAGE 2°x2°, 3D-FGAT, juillet 2003, O3 MIPAS, 47 ou 60 niveaux • CARIOLLE, REPROBUS ou RACMOBUS • V2 disponible sur Ether (2004) • Parallélisation de MOCAGE, PV en sortie, NetCDF, visualisation avec Ferret • V3 (2007) • Diffusion, opérateur d’Obs NOVELTIS, colonnes totales et/ou tropo, linéarisation CO et HNO3, RELACS, multi-capteurs • V4 (2008) disponible sur ETHER + document explicatif • Corrélations horizontale et verticale, colonnes totale et/ou partielle, optimisation de la mémoire (obs, covariances d’erreur, averaging kernels), modèle linéaire (O3, CO, traceur froid, HNO3) • Composante parisienne (SA) • PALMérisation de LMDz-REPROBUS • Assimilation 3DFGAT de mesures MIPAS O3 avec LMDz-PALM • Même étude avec MOCAGE-PALM au SA et intercomparaison

10. Canevas PrePALM pour LMDz-REPROBUS Cugnet et al.

11. The linearized ozone scheme (Cariolle et al.)  ECMWF • rO3 /  t = A1 + A2 (rO3 - A3) + A4 (T – A5) + A6 ( - A7) + A8 rO3 A1 = (P-L) : Production-Loss rate A2 =  (P-L) /  rO3 A3 ; rO3 : ozone mixing ratio A4 =  (P-L) /  T A5 ; T : temperature A6 =  (P-L) /   A7 ;  : ozone column A8 = - Khet • x/  t = 1/1 (1-x) – 1/ 2 x [Traceur Froid] With 1equal to a few hours and 1/ 2=0 if T<195 K And 2equal to several days (rate of HNO3 destruction) and 1/ 1=0 if T> 195K The linearized CO and HNO3 schemes  rx/  t = A1 + A2 (rx - A3) + A4 (T – A5) A1 = (P-L) : Production-Loss rate A2 =  (P-L) /  rx A3 ; rx: CO or HNO3 mixing ratio A4 =  (P-L) /  T A5 ; T : temperature

12. v2 without cold tracer v2 with cold tracer Cariolle et al.

13. Paramètres clés • Résolution (observation et modèle) • Horizontale • Verticale • Diffusion (modèle) • Horizontale • Verticale • Erreurs (observation et modèle) • Echantillonage (observation et modèle) • Temporel • Variation diurne • Spatial • Super-observations • Débiaisage (observation) • Multi-capteurs • Limbe & nadir

14. Vertical sensitivity Résolution Verticale MOCAGE Mesures MOPITT limbe MOCAGE avec Résolution MOPITT nadir Barret et al.

15. Résolution Horizontale IASI CO, octobre 2008, 1 jour MOPITT CO, octobre 2008, 1 jour Clerbaux et al.

16. Super-observations • Une super-observation représente toutes les observations présentes dans une maille du modèle pendant la durée d’une fenêtre d’assimilation (30 minutes) • Comment calculer la valeur de super-observation, son erreur et sa fonction de poids ? • Super-observation : • moyenne pondérée par l’erreur • L’erreur de super-observation : • l’erreur moyenne pondérée • Fonction de lissage : • la fonction associée à la première observation dans la maille Clerbaux et al.

17. Biais sur la Colonne Totale O3 MOCAGE vs. OMI MOCAGE-PALM vs. OMI Profils verticaux O3 AURA/MLS Colonne Totale O3 SCIAMACHY sans assimilation assimilation de MLS & SCIAMACHY Massart et al.

18. assim. H assim.   écart Colonne Totale vs. Profil vertical H   écart Piacentini et al.

19. Représentations: O3 Piacentini et al.

20. Représentations: CO Piacentini et al.

21. Programme scientifique initial • Assimiler une même espèce chimique provenant de plusieurs capteurs spatiaux différents dans la troposphère ou la stratosphère (O3 et CO) oui • Coupler les mesures stratosphérique et troposphérique pour une même espèce chimique provenant de plusieurs capteurs spatiaux différents (O3, CO et HNO3) oui • Assimiler plusieurs espèces chimiques de la même famille provenant de plusieurs capteurs spatiaux différents (NOy, Cly) non • Assimiler les mesures directes (températures de brillance, radiances) non • Fournir des champs prévisionnels de constituants chimiques (O3, CO) oui • Etudier l’impact de l’assimilation de traceurs chimiques (O3) sur l’assimilation et la prévision météorologique (vents dans la basse stratosphère, rayonnement,…) oui

22. Trou d’ozone arctique El Amraoui et al.

23. Assimilation H2O stratosphérique ECMWF BASCOE MIMOSA Climatologie Bekki et al.

24. Impact dynamique d’ozone en mode 4D-Var • Etude de l’impact dynamique de l’assimilation 4D-Var d’ozone (traceur passif advecté) dans ARPEGE, Peuch et al. 2000: • OSSE : intérêt potentiel des colonnes totales d’ozone TOVS • Impact positif sur les analyses et prévisions météorologiques : nécessité des observations d’ozone plus fréquentes et des ébauches d’ozone de bonne qualité. • >> Continuité : • Assimilation des profils d’ozone d’AURA/MLS dans ARPEGE • Ebauche d’ozone fournie par MOCAGE • >> Objectif • Evaluer l’impact sur l’analyse et la prévision météorologique. Semane et al.

25. Diagnostic OMF(u,v): CTL/MLS Analyses Assimilation O3 d’AURA/MLS en 4DVAR Semane et al.

26. Transport pathways of chemicals from Asia to Africa Carbon monoxide from Barret et al., ACP, 2008. Simulation / assimilation / in-situ CO Averaged over 15-25°N Assimilated MLS CO at 200 hPa (07/2006) MOZAIC MOCAGE MOCAGE-MLS Day of July 2006 anomalous CO transport from Asia to Africa by the TEJ Barret et al.

27. Colonne Totale de CO IASI assimilé dans LMDz-Filtre de Kalman- Observations Simulation 1 Simulation 2 croissance d’erreur = 0.005*CO croissance d’erreur = 0.01*CO Clerbaux et al.

28. Synthèse • Interactions fortes • Toulouse vs. Paris • Outils vs. Science • 2 Chaînes d’assimilation • MOCAGE-PALM • LMDz-REPROBUS-PALM • Mesures spatiales hétérogènes • Nadir : MOPITT, IASI, OMI, etc. • Limbe : MLS, MIPAS, ODIN, GOMOS, etc. • Espèces chimiques • O3, CO, N2O, H2O • Profils verticaux, colonnes totale et partielle • 28 publications de rang A

29. Futur -1- • Outils • Mise en place de l’assimilation en aire limitée & très haute résolution • Parallélisation des codes • Assimilation d’espèces chimiques • HNO3 & H2O • multi-capteurs O3 et CO • plusieurs espèces chimiques de la même famille provenant de plusieurs capteurs spatiaux différents (NOy, Cly) • simultanément CO  O3 • Assimilation d’espèces radiatives (O3, H2O, CH4, …) dans les modèles de climat et de chimie-climat • Assimilation de mesures directes (températures de brillance, radiances) • Assimilation 4D-VAR • Prévision d’ensemble

30. Futur –2- • Programme scientifique • IASI • Qualité de l’air (tropo) • Etudes théoriques sur plateformes geo/leo • Transport de polluants (troposphère) • Processus physico-chimiques à l’interface de la troposphère et de la stratosphère (UTLS) • Bilan de l’ozone (stratosphère) • Nouvelle proposition aux LEFEs en 2009 • Atelier « Bilan & Prospectives » au printemps 2009