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Couplage océan-atmosphère : l’état de
l’art en climatologie et les progrès
futurs.
Olivier Marti
IPSL / LSCE
Journées Scientifiques LEFE/GMMC 2017 20, 21, 22 juin 2017
L’interface océan-atmosphère
Valider, évaluer un modèle couplé ?
Quelques directions pour le futur
IPSL CM ModelLMDz : atmosphere dynamics and physics.ORCHIDEE : soil/atmosphere transfers - Phenology - Vegetation dynamics - Carbon cycle - atmospheric chemistry.
OPA/ORCA : ocean dynamics and physics -carbon cycle - oceanic tracers
LIM : sea-ice dynamics and thermodynamics
Diffusion verticale – condition limite
dqdt
= ∂∂z
k∂q∂z
+…Diffusion verticale :
Condition de Neumann à l’interface
k∂q∂z
z=0
= ?
Couplé et forcé
• Atmosphère forcée :
IN : T surface (obs.)
OUT : flux = f( Tsurface, variables
atm).
• Océan forcé :
IN : flux imposé au sommet
OUT : T 1er niveau ( = T surface)k
∂q∂z
z=0
k∂q∂z
z=0
=
Atm
Oce
Atm, Ice, Oce
•@surface
Flux
Atmosphère
Glace : thermo
Océan
Glace : rhéologie,
dynamique
•@surfaceFlux
Rapide
Lent
Depuis Bryan et Lewis (1970) à aujourd’hui
Flux∂Flux/∂Tsurface
Contraintes
• Grilles différentes
– Trait de côte
• Conservation : eau, chaleur, traceurs
• 4 sous-surfaces
Trait de côte et sous-surfaces
Fraction of ocean in each atmosphere grid box
Ocean Sea-ice Land-ice Land
Sub surfaces in atmospheric boundary
layer
Vertical profile of T, q @ t
4 independent resolutions of the vertical profiles of T, q, using different z0 (characteristic length) and Cd (cdrag)
4 vertical profiles of T, q, with 4 values of turbulent fluxes.
_ _ _ _
t+1 : keep average profilekeep individual surface fluxes
IPSL Earth system (team)
J. Pipitone and S. Easterbrook, 2012
Système ouvert / système fermé
• Modèle : Ocean = F ( Q )
• Mode forcé : Ocean0 = F ( Q0 )
• Quid de ∂F/∂Q ?
Flux, dérive, équilibrage
Flux au sommet
Contenu thermique 0-300m
Convergence climatologique
Ecart quadratique moyen à une simulation de contrôle
Longueur de la période de comparaison (années)
2450 2500 2550 2600 2650
284.
528
5.0
285.
528
6.0
286.
5
Glo
bal T
empe
ratu
re 2
m (
K)
REF (piControl2)Historical
Merc. SX9 (rec.)Vargas
TitaneCurie
A venir
• Améliorer les bulks, encore et encore et encore et ...
– Hétérogénéité sous-maille
• Couches limites : océan et atmosphère
– Augmentation de la fréquence de couplage ?
• Tsurface = f ( T 1er niveau, ... )
– Diurnal warm layers
– Température de peau
– ...
• Couplage de Schwarz (itératif)
• Grille ‘intersection’
• Physique délocalisée
COCOA
Time scheme and conservation• Mismatch due to explicit time-stepping between
atmosphere and sea-ice
t-1 t
Compute fluxes : open ocean & sea-ice
Apply fluxes to evolving sea-ice and open ocean t+1
Atmosphere
Ocean
SST,
se
a-i
ce
cove
r
He
at
wa
ter,
mo
me
ntu
m f
luxe
s
sea-ice evolves
Ocean grid
Atmosphere grid
•@surface
• @ 1st level
Compute fluxes
ANR COCOA: COmprehensive Coupling approach for the
Ocean and the Atmosphere
INRIA - CEA – CNRS – CERFACS
Physical and mathematical aspects of ocean-atmosphere coupling
• WP1 - Surface fluxes parameterizations, interplay with boundary layers– Task 1.1 : Evaluation and improvement of current bulk formulae used in French CMs
– Task 1.2 : Idealized and observed test cases
– Task 1.3 : LES/CRM configurations
– Task 1.4 : 1D coupled models
• WP2 - Mathematical, numerical and algorithmic formulation of the ocean-atmosphere coupling – Task 2.1 : Mathematical and numerical study of parameterization schemes in a coupled perspective
– Task 2.2 : Efficient coupling methods and grid-to-grid reconstruction schemes
– Task 2.3 : Implementation of a spatial physically justified flux calculation method in CNRM-CM
– Task 2.4 : Implementation of an iterative Schwarz algorithm in IPSL-CM
• WP3 – Impact of new developments on climate simulations– Task 3.1 : Cindy-Dynamo case studies
– Task 3.2 : Global coupled simulations
Exchanged fluxes
ORCAOcean
LIMSea-ice
LMDzAtmosphere
Wind stress (open ocean).Runoff.
Sea-ice fraction.Sea-ice albedo (weighted)
Sea-ice surface temperature (weighted)
Net solar flux.Net non-solar flux.Stress under sea ice.Freshwater flux (conc./dil.).Freshwater flux (volume flux for free surface).Sea-ice fraction.
Net solar flux (ocean).Net solar flux (sea ice).Net non-solar flux (ocean).Net non solar-flux (sea ice).Water budget (P-E), no runoff. Solid precipitation (snow). ∂Q/∂T (turbulent) (sea ice).Wind stress (sea ice).
Ocean surface temperature.
Ocean surface salinity.Surface current.
Ocean surface temperature (weighted)
Computing flux @ Interface
Flux (•)= f (•@surface, •@1st layer,
νz (•@surface, •@1st layer, wind shear, etc ..) )
Ocean grid
Atmosphere grid
•@surface
Flux
Interpolations
•@surface = •@1st level | f ( •@1st level)
• q
Flux
• q
Flux
• q
Flux
• q
Flux
• q
Flux
Atm
osp
he
reO
cea
n
Résumé
Les premiers modèles couplés océan-atmosphère ont vu le jour au début des années 1970. Ils couplaient les composantes d’océan et d’atmosphère existantes, en en reprenant tel que la physique. Quelques décennies plus tard, les composantes océan comme atmosphère ont considérablement évoluées chacune de leur coté, alors que le couplage à l’interface est restée presque figée, malgré́ des réflexions théoriques. Nous ferons le point sur la physique et le numérique de l’interface océan-atmosphère dans les modèles système Terre. Les pistes de développement, notamment celles abordées dans le projet ANR COCOA, seront décrites.
Nous aborderont aussi les problèmes spécifiques de validation des modèles océan-atmosphère. Une difficulté́ est l’aspect chaotique du système, qui conduit à une analyse statistique de grands ensembles de simulations longues. Simulations qu’il faudra confronter à des données disponibles sur une période relativement courte, dans un contexte de climat perturbé par l’homme, déséquilibré énergétiquement. Mais la difficulté́ majeure reste la diversité́ des communautés scientifiques qui participent au développement et à l’expertise des modèles, chacune avec des méthodes et des objectifs scientifiques propres.