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3ème Réunion des utilisateurs de Meso-NH mars 2005
CNRM/GMEI/MNPCA F. Chosson, Doctorant J-L. Brenguier, Directeur de Thèse L.Schüller, Co-directeur
Simulation 3D du transfert radiatif Simulation 3D du transfert radiatif dans les nuages de couche limite hétérogènesdans les nuages de couche limite hétérogènes
Frédérick Chosson, DoctorantFrédérick Chosson, DoctorantJean-Louis Brenguier, Directeur de Jean-Louis Brenguier, Directeur de thèsethèseLothar Schüller, Co-directeur de thèseLothar Schüller, Co-directeur de thèse
Groupe de Météorologie expérimentale et instrumentaleÉquipe Microphysique des Nuages et Précipitations
3ème Réunion des utilisateurs de Meso-NH mars 2005
CNRM/GMEI/MNPCA F. Chosson, Doctorant J-L. Brenguier, Directeur de Thèse L.Schüller, Co-directeur
Besoin de modèles de nuages réalistesBesoin de modèles de nuages réalistes
PROBLÉMATIQUEPROBLÉMATIQUE
• Paramétrisation sous-maille dans les GCM• Restituer des paramètres nuageux
Étude du biais hétérogènesur le transfert radiatif 3D
3ème Réunion des utilisateurs de Meso-NH mars 2005
CNRM/GMEI/MNPCA F. Chosson, Doctorant J-L. Brenguier, Directeur de Thèse L.Schüller, Co-directeur
OUTILS DISPONIBLESOUTILS DISPONIBLES
Le modèle Meso-NHLe modèle Meso-NH ( CNRM / LA )Modèle Non-Hydrostatique, runs de 1D à
3D,échelle synoptique à LES
Le modèle SHDOMLe modèle SHDOM (F.Evans, NCAR)Spherical Harmonic Discrete Ordinate
Methodfor 3D Atmospheric Radiative Transfer.Sélectionné au MNP après comparaison
avec lesmodèles Monte-Carlo et MOMO par
L.Schüller.
La campagne ACE-2La campagne ACE-2(Large des Canaries, été 1997)
Mesures aéroportéescoordonnées.
Nombreuses scènes de strato- cumulus marins documentées.
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CNRM/GMEI/MNPCA F. Chosson, Doctorant J-L. Brenguier, Directeur de Thèse L.Schüller, Co-directeur
MÉTHODEMÉTHODE
Transfert Radiatif 3DVisible, NIR par SHDOM
Propriétés Radiatives(ext, o, fonction de phase…)
ValidationStatistique du champ LWC
simulé
Meso-NHsimulation 3D mode LES et “bulk”
du nuage observé
Comparaison ACE-2
Statistique mesuresLWC in-situ
Off-Line
ß² Schéma Microphysique
Réaliste
Initialisation ACE-2
Champs 1D dynamiqueset thermodynamiques
Paramétrisationdu Mélange
Comparaison
ACE-2Statistique des radiances
mesurées
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CNRM/GMEI/MNPCA F. Chosson, Doctorant J-L. Brenguier, Directeur de Thèse L.Schüller, Co-directeur
MÉTHODEMÉTHODE
Transfert Radiatif 3DVisible, NIR par SHDOM
Propriétés Radiatives(ext, o, fonction de phase…)
ValidationStatistique du champ LWC
simulé
Meso-NHsimulation 3D mode LES et “bulk”
du nuage observé
Comparaison ACE-2
Statistique mesuresLWC in-situ
Off-Line
ß² Schéma Microphysique
Réaliste
Initialisation ACE-2
Champs 1D dynamiqueset thermodynamiques
Paramétrisationdu Mélange
Comparaison
ACE-2Statistique des radiances
mesuréesACE-2 9 juillet 97
Profils initiaux de :Température potentielle de
l’eau liquide θl
Rapport de mélange en eau totale qt
Vent horizontal
Caractéristique du cas d’étude : Forte InversionInstable par entraînement au sommet
θlqt
INITIALISATIONINITIALISATIONPARAMETRES DU MODÈLE LESPARAMETRES DU MODÈLE LES
10 km
1.5km
Taille Pixel 50 m
50 m 10 mà
Taille du Domaine
10 km
Parois du domaine cyclique Schéma de turbulence d’ordre un et demi Pas de pluie, pas de glace Schéma microphysique “Bulk” (LWC par ajustement à la saturation) Schéma de condensation sous-maille (impact sur turbulence uniquement) Pas de Temps 0,5 sec Schéma radiatif ECMWF toutes les 2,5 min Durée simulation: 3h
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MÉTHODEMÉTHODE
Transfert Radiatif 3DVisible, NIR par SHDOM
Propriétés Radiatives(ext, o, fonction de phase…)
ValidationStatistique du champ LWC
simulé
Meso-NHsimulation 3D mode LES et “bulk”
du nuage observé
Comparaison ACE-2
Statistique mesuresLWC in-situ
Off-Line
ß² Schéma
Microphysique
Initialisation ACE-2
Champs 1D dynamiqueset thermodynamiques
Paramétrisationdu Mélange
Comparaison
ACE-2Statistics of remotelymeasured Radiances
VALIDATIONVALIDATIONÉpaisseur géométrique
Simulation Mesures LWC
Distribution verticale LWC Distribution par colonne (LWP)
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MÉTHODEMÉTHODE
Transfert Radiatif 3DVisible, NIR par SHDOM
Propriétés Radiatives(ext, o, fonction de phase…)
ValidationStatistique du champ LWC
simulé
Meso-NHsimulation 3D mode LES et “bulk”
du nuage observé
Comparaison ACE-2
Statistique mesuresLWC in-situ
Off-Line
ß² Schéma
Microphysique
Initialisation ACE-2
Champs 1D dynamiqueset thermodynamiques
Paramétrisationdu Mélange
Comparaison
ACE-2Statistics of remotelymeasured Radiances
VALIDATIONVALIDATIONÉpaisseur géométrique
Distribution verticale LWC Distribution par colonne (LWP)
Structure et organisation du champ nuageux (2D)
L2
L1
L1
L2 Tailledes
cellules
distanceentre
cellules
L1 L2
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MÉTHODEMÉTHODE
Transfert Radiatif 3DVisible, NIR par SHDOM
Propriétés Radiatives(ext, o, fonction de phase…)
ValidationStatistique du champ LWC
simulé
Meso-NHsimulation 3D mode LES et “bulk”
du nuage observé
Comparaison ACE-2
Statistique mesuresLWC in-situ
Off-Line
ß² Schéma
Microphysique
Initialisation ACE-2
Champs 1D dynamiqueset thermodynamiques
Paramétrisationdu Mélange
Comparaison
ACE-2Statistics of remotelymeasured Radiances
Schéma MicrophysiqueSchéma Microphysique β β22
h
r²
ß²(h)
Distribution en surface des gouttelettes à la
base du nuage
Hypothèses :AdiabatismeConcentration en gouttelettes (N) constanteGrossissement des gouttelettes par diffusion de vapeur uniquement
Schéma de MélangeSchéma de Mélange
Hypothèse :LWC sub-adiabatique = Zone d’entraînement
Mélange Homogène pur
h
r²
N = cst
Reff diminue
h
r²
N diminue
Reff =Rad =cste
Mélange Hétérogène pur
Temps caractéristique de
Turbulence >> Évaporation gouttelettesTurbulence << Évaporation gouttelettes
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MÉTHODEMÉTHODE
Transfert Radiatif 3DVisible, NIR par SHDOM
Propriétés Radiatives(ext, o, fonction de phase…)
ValidationStatistique du champ LWC
simulé
Meso-NHsimulation 3D mode LES et “bulk”
du nuage observé
Comparaison ACE-2
Statistique mesuresLWC in-situ
Off-Line
ß² Schéma
Microphysique
Initialisation ACE-2
Champs 1D dynamiqueset thermodynamiques
Paramétrisationdu Mélange
Comparaison
ACE-2Statistics of remotelymeasured Radiances
Transfert radiatif 3DParamétrisation simple de la diffusion Rayleigh f(P,)
Angle solaire zénithal : 24.4°Nb ordonnées discrètes : zénith 16
azimut 32Parois cycliques, 3D
Pas d’albédo de surface, pas d’aérosols
SHDOMSHDOM
SHDOM
Réflectances au Nadir comparéesVALIDATIONVALIDATION
simulation mesuresOVID
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BILAN de la MÉTHODEBILAN de la MÉTHODE
Données d’entrées :Profils 1D, Nmax, choix mélange
Résultats :H, PDF(LWC(h)), PDF(LWP) validés
Structure cellulaire comparablePDF(Refl. Vis/Nir) comparables
Nuages réalistes
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CNRM/GMEI/MNPCA F. Chosson, Doctorant J-L. Brenguier, Directeur de Thèse L.Schüller, Co-directeur
RÉSULTATSRÉSULTATS
Paramètres de Tunage du modèle : Critère CTEI et durée de simulation (hétérogénéité structurale et fraction nuageuse) Profils initiaux de qt , θl (épaisseur géométrique)
Production de champs nuageux réalistes Production de champs nuageux réalistes d’épaisseur et d’hétérogénéité variées ainsid’épaisseur et d’hétérogénéité variées ainsi
que leur propriétés radiatives correspondantesque leur propriétés radiatives correspondantesavec des concentrations et un schéma de avec des concentrations et un schéma de
mélangemélangedifférentsdifférents
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CNRM/GMEI/MNPCA F. Chosson, Doctorant J-L. Brenguier, Directeur de Thèse L.Schüller, Co-directeur
‘’‘’Tunage’’ de l’épaisseur : ΘTunage’’ de l’épaisseur : ΘLL,q,qtottot couche limite couche limite
ΘΘL L couche limitecouche limite
qqtot tot couche limitecouche limite
ΘΘL L couche limitecouche limite
qqtot tot couche limitecouche limite
<<>>
H nuageH nuage H nuageH nuage<<
3ème Réunion des utilisateurs de Meso-NH mars 2005
CNRM/GMEI/MNPCA F. Chosson, Doctorant J-L. Brenguier, Directeur de Thèse L.Schüller, Co-directeur
‘’‘’Tunage’’ de l’hétérogénéité : Critère CTEITunage’’ de l’hétérogénéité : Critère CTEI
ΔqtotΔΘL
Critère d’instabilité : K =
ΔΘe
(L/cp) Δqtot
> 0,23
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CNRM/GMEI/MNPCA F. Chosson, Doctorant J-L. Brenguier, Directeur de Thèse L.Schüller, Co-directeur
‘’‘’Tunage’’ de l’hétérogénéité : Critère CTEITunage’’ de l’hétérogénéité : Critère CTEI
ΔΘL
Δqtot
3ème Réunion des utilisateurs de Meso-NH mars 2005
CNRM/GMEI/MNPCA F. Chosson, Doctorant J-L. Brenguier, Directeur de Thèse L.Schüller, Co-directeur
‘’‘’Tunage’’ de l’hétérogénéité : le Temps !Tunage’’ de l’hétérogénéité : le Temps !
Stephan De Roode , 2003
Taille des structures augmente avec le temps
Taille domaine >> taille cellule (t)Taille domaine >> taille cellule (t)Simulation réaliste : contrainte de taille du domaine :
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INVERSION DE FLOTTABILITEou Instabilité d’entraînement au sommet du
nuage( CTEI )
Une parcelle d’air secest entraînée dans le nuage
refroidie et humidifiéepar évaporation.
Plus lourde que l’air environnant,la parcelle « coule », entraînantde nouvelles parcelles d’air sec.
Critère d’instabilité : K =
ΔΘe
(L/cp) ΔRtot
> 0,23