Direction Interrégionale Île de France - Centre Simulation de la canicule de 2003 sur Paris et Toulouse avec MesoNH-TEB Julien DESPLAT Bureau d’étude Direction Interrégionale Île de France - Centre

Simulation de la canicule de 2003 : Plan de l’exposé Objectifs et contexte de l’étude 2. Méthodologie envisagée au BE Les différents problèmes rencontrés 4. Conclusions

Simulation de la canicule de 2003 : Objectifs et contexte de l’étude Simuler la canicule à Paris et à Toulouse durant la période « la plus meurtrière » du 8 au 13 Août et connaître l’influence du bâti sur le climat urbain (à titre de comparaison entre 1 ville du « Nord » et 1 ville du « Sud ») Modéliser les comportements climatiques de Paris et de Toulouse lors de la canicule de 2003 dans une configuration « ville uniforme » ou « ville réaliste »; Réaliser des tests de sensibilité de l’impact de l’aménagement urbain sur le climat. Identifier les principaux paramètres liés à la ville en vue d’une prévision en temps réel du climat urbain en période de canicule avec le nouveau modèle AROME à résolution 2.5km (Opérationnel fin 2008)

Simulation de la canicule de 2003 : Méthodologie envisagée au BE Modélisation numérique : Utilisation de Meso-NH (modèle de ville TEB pour la surface urbaine); Technique du grid-nesting avec deux modèles imbriqués; Simulation durant 6 journées caniculaires : du 08 au 13 Août inclus. Tests de sensibilité au couvert urbain (hauteur, largeur des rues, albédo,…) Validation des simulations à partir du réseau d’observations de Météo-France : stations terrestres, satellite et radiosondage, et plus si opportunités (Ville de Paris ?).

Simulation de la canicule de 2003 : Méthodologie envisagée au BE 2 Modèles « Fils » 180*180 km Résolution 2km Modèle « Père » : 1200*600 km Résolution 6km

Simulation de la canicule de 2003 : Les problèmes rencontrés Depuis Automne 2006 : différents problèmes rencontrés : Choix d’un modèle coupleur : initialisation des réservoirs de surface Apparition d’une instabilité convective trop marquée : Configuration dynamique de Meso-NH Occurrence de pluies convectives dans le modèle père

Simulation de la canicule de 2003 : Choix d’un modèle coupleur Critère : « Remplissage correct des réservoirs » : paramètre WG2 Analyse CEP du 08/08/2003 à 0h UTC Analyse ARPEGE du 08/08/2003 à 0h UTC Pour le CEP, le champ apparaît relativement lisse et peu bruité. Sur l'ensemble du domaine, c'est plutôt plus humide que la réalité (comparaison avec les sorties SIM du jour). Cela s'explique par le fait que dans le modèle européen, les réservoirs sont très grands et donc lents à se vider. Cela implique donc un excès d'humidité. Pour ARPEGE, en revanche, le champ est plus compliqué à analyser. Il est plutôt bon en moyenne spatiale mais peut-être pas dans le détail. Par ailleurs, il est possible que cela induise des brises qui n'auraient pas de réalité physique.

Simulation de la canicule de 2003 : Choix d’un modèle coupleur Initialiser ARPEGE avec un SWI constant à 0.1 sur tout le domaine Analyse ARPEGE avec SWI constant à 0.1 Champ CLAY du 08/08/2003 à 0h UTC La solution envisagée consiste donc à choisir les analyses ARPEGE pour le couplage en imposant cependant une contrainte sur le SWI du fichier analyse initial qui est pris constant et égal à la moyenne du SWI ARPEGE sur le domaine. En pratique, c'est géré lors de l'étape du PREP_REAL_CASE, dans la namelist PRE_REAL1.nam, on ajoute la namelist &NAM_PREP_ISBA avec les trois variables XHUG_SURF=0.10 , XHUG_ROOT=0.10 , XHUG_DEEP=0.10 / Il est impératif, dès lors que l'on donne une valeur constante à l'une des trois variables, de donner une valeur constante aux deux autres. (sinon plantage) Après cette modification, on obtient un champ WG2 (fig.3) assez sec et proche du champ d'argile (fig.4), en particulier les zones faiblement argileuses des Landes et du Massif Central qui ressortent plus sèches que le reste du domaine.

Simulation de la canicule de 2003 : Les problèmes rencontrés Depuis Automne 2006 : différents problèmes rencontrés : Choix d’un modèle coupleur : initialisation des réservoirs de surface Apparition d’une instabilité convective trop marquée : Configuration dynamique de Meso-NH Occurrence de pluies convectives dans le modèle père

Simulation de la canicule de 2003 : Apparition d’une instabilité convective Fortes instabilités irréalistes dans le domaine « Père » dues à la contribution convective de la condensation sous-maille selon sigma_s convectif Paramétrisation dans &NAM_TURBn LSIG_CONV=F LSIGMAS=T Réalisation de tests menés par l’équipe CNRM entre des simulations couplées par ARPEGE et CEP en mode version 4.7

Simulation de la canicule de 2003 : Apparition d’une instabilité convective Apparition dans le modèle « fils parisien » de noyaux de vent fort dans toute la couche limite associés à de forts downdrafts et de fortes précipitations… qui sont inhibés en activant le schéma de convection profonde : A 2 km pas satisfaisant !…. Le modèle a besoin d’un mélange plus fort que celui créé par la turbulence ou par le schéma actuel de convection peu profonde pour évacuer l’instabilité convective contenue dans la CL Module de vent et direction associée au 1er niveau du modèle sur le modèle « fils parisien » avec ARPEGE comme modèle coupleur à 3H, 6H, 9H, 12H, 15H et 18H.

Simulation de la canicule de 2003 : Apparition d’une instabilité convective Avec un couplage CEP : Disparition dans le modèle « fils parisien » du noyau de vent fort et obtention d’un champ de vent réaliste pendant la durée de la simulation Simulation plus proche des RS en matière de stabilité de l’atmosphère Meilleure reproduction des pluies convectives dans le modèle « Père ». Module de vent et direction associée au 1er niveau du modèle sur le modèle « fils parisien » avec CEP comme modèle coupleur à 3H, 6H, 9H, 12H, 15H et 18H. Au départ, il y avait de fortes instabilités irréalistes dans le domaine 1, dues à la contribution convective de la condensation sous-maille selon Chaboureau et al.. Il faut donc choisir les options dans &NAM_TURBn LSIG_CONV=F, LSIGMAS = T. Les tests ci-dessous utilisent cette configuration. Bien que le modèle 1 fournisse des champs de vent réalistes (à 1 modèle ou à 2 modèles en 1-way), le modèle 2 crée des noyaux de vent fort dans toute la couche limite à partir de 15H et amplifiés à 18H (Fig.1), irréalistes, associés à de forts downdrafts liés à l’évaporation des précipitations (Fig.2, à 18H). Ce noyau de vent fort est associé à de fortes précipitations explicites (max=39mm/h). Le modèle développe de la même manière ces noyaux de vent fort près du sol si l’on met de la convection peu profonde, ou bien si on applique les moments turbulents d’ordre 3. En revanche, cette instabilité disparaît complètement en mettant le schéma de convection profonde (Fig.3), mais il produit des pluies convectives très faibles, uniformes sur tout le domaine, cohérentes avec celles produites par le modèle 1 (max :2 mm au total sur 18h sur tout le domaine). Activer la convection profonde à 2km n’est cependant pas satisfaisant. Mais cela montre que, sans cette paramétrisation, le modèle a besoin d’un mélange plus fort que celui créé par la turbulence ou par le schéma actuel de convection peu profonde pour évacuer l’instabilité convective contenue dans la CL. Il sera intéressant de tester prochainement sur ce cas les flux de masse associés aux schémas EDMF et EDKF. Avec les champs CEP initiaux au lieu de ARPEGE, le problème de noyau de vent fort sur le modèle 2 ne se produit pas (sans activation de la convection profonde à 2km) (Fig.4), et le champ de vent semble réaliste pendant toute la durée de simulation. Les RS observés à Trappes (Fig.5) illustrent à 00TU une forte CIN dans les 3000 premiers mètres, montrant ainsi que, sans forçage extérieur, l’air avait un caractère stable dans les basses couches en début de nuit. A 12TU, les 600 premiers mètres sont caractérisés par une instabilité, stoppée au dessus par une inversion. Si l’on compare les 2 radio-sondages ARPEGE et CEP aux RS de Trappes à 0h et 12TU, celui du CEP est plus proche des observations en altitude à 0h (Fig.5). A 12TU, en revanche, les 2 modèles sont proches des observations et reproduisent bien l’inversion au dessus de la couche de mélange, avec une température au sol de 32°C pour l’observation et le CEP, et de 31°C pour ARPEGE. Par conséquent, la CAPE produite par Méso-NH avec les champs ARPEGE est plus forte sur l’IDF à 0h que celle produite à partir du CEP (Fig.6). Cette différence à l’échéance initiale, notamment sur le Bassin Parisien, explique la différence entre les 2 simulations ARPEGE et CEP. En dehors de l’échéance 0H, la CAPE n’est pas systématiquement plus forte avec ARPEGE que CEP sur d’autres régions, elle est même plus importante avec le CEP qu’avec ARPEGE à 18H. Les valeurs de CAPE assez importantes expliquent que les 2 simulations Méso-NH produisent des pluies convectives sur le modèle 1 (Fig.7 à comparer à la mosaïque radar, Fig.8). Ces pluies convectives sont mieux reproduites avec CEP en modèle coupleur qu’ARPEGE, notamment à 00TU, où la simulation à partir d’ARPEGE produit une large zone faiblement pluvieuse sur la moitié nord, alors que les pluies sont essentiellement localisées sur la moitié sud, comme le reproduit assez correctement la simulation à partir du CEP. La figure 9 présente les champs de vent sur le modèle 1 pour les 2 simulations : on retrouve le noyau de vent fort sur l’Ile-de-France à 18H avec ARPEGE, relatif au fait que le second modèle centré sur l’Ile-de-France ne parvient pas à mélanger suffisamment sans schéma de convection profonde

Simulation de la canicule de 2003 : Apparition d’une instabilité convective Pourquoi une telle différence entre les couplages ARPEGE et CEP ? CAPE du champ ARPEGE du CAPE du champ CEP du 08/08/2003 à 0h UTC 08/08/2003 à 0h UTC la CAPE produite par Méso-NH avec les champs ARPEGE est plus forte sur l’IDF à 0h que celle produite à partir du CEP (Fig.6). Cette différence à l’échéance initiale, notamment sur le Bassin Parisien, explique la différence entre les 2 simulations ARPEGE et CEP. En dehors de l’échéance 0H, la CAPE n’est pas systématiquement plus forte avec ARPEGE que CEP sur d’autres régions, elle est même plus importante avec le CEP qu’avec ARPEGE à 18H. Les valeurs de CAPE assez importantes expliquent que les 2 simulations Méso-NH produisent des pluies convectives sur le modèle 1 (Fig.7 à comparer à la mosaïque radar, Fig.8).

Simulation de la canicule de 2003 : Apparition d’une instabilité convective Utilisation du CEP comme modèle coupleur, avec uniquement la paramétrisation de la convection peu profonde à 2km…. …en attendant un schéma flux de masse prenant le relais de la turbulence dans la partie supérieure de la CL

Simulation de la canicule de 2003 : Les problèmes rencontrés Depuis Automne 2006 : différents problèmes rencontrés : Choix d’un modèle coupleur : initialisation des réservoirs de surface Apparition d’une instabilité convective trop marquée : Configuration dynamique de Meso-NH Occurrence de pluies convectives dans le modèle père

Simulation de la canicule de 2003 : Configuration dynamique de MesoNH Objectif : Obtenir une aussi bonne simulation que celle réalisée par les tests du CNRM Pb : Utilisation de la version 4.6 et d’une configuration dynamique déjà utilisée au sein du BE Apparition de vents forts irréalistes sur toute la verticale faisant « exploser » les simulations !! Coupe verticale sur le Nord de la France du module de vent le 08/08/2003 à 6hUTC.

Simulation de la canicule de 2003 : Configuration dynamique de MesoNH Paramétrisation dans &NAM_DYN_XSEGLEN XALKTOP = 0.003 au lieu de 0.01 XALZBOT = 15000 au lieu de 4000 Paramétrisation dans &NAM_DYNn CPRESOPT = « RICHA » au lieu de CRESI XALKTOP : Valeur maximale de l’atténuation de Rayleigh au sommet de la couche supérieure absorbante. XALZBOT : Hauteur de la base de la couche supérieure absorbante CPRESOPT : Option pour le solveur de pression

Simulation de la canicule de 2003 : Les problèmes rencontrés Depuis Automne 2006 : différents problèmes rencontrés : Choix d’un modèle coupleur : initialisation des réservoirs de surface Apparition d’une instabilité convective trop marquée : Configuration dynamique de Meso-NH Occurrence de pluies convectives dans le modèle père

Simulation de la canicule de 2003 : Occurrence de pluies convectives dans le modèle Père Pluies convectives issues des tests CNRM Pluies convectives avec config BE du 08/08/2003 à 15h UTC du 08/08/2003 à 15h UTC La simulation du BE « donne » plus de pluies convectives dans lé région parisienne !

Simulation de la canicule de 2003 : Occurrence de pluies convectives dans le modèle Père Pourquoi une telle différence entre les deux simulations ? Pluies convectives issues de la Mosaïque Radar du 08/08/2003 à 15h UTC simulation du BE SANS SWI CONSTANT du 08/08/2003 à 15h UTC Attention : contrairement au transparent précédent, la simulation du BE comprend le modèle fils toulousain, d’où l’apparition de pluies convectives dans cette région !!

Simulation de la canicule de 2003 : Occurrence de pluies convectives dans le modèle Père Sans initialisation du SWI, la région parisienne n’est plus arrosée par des pluies convectives…alors qu’une initialisation du SWI à 0.1 n’entraîne pas de modifications importantes du contenu en eau (cf WG2)! Dans la région toulousaine, aucun impact de la « non initialisation » du SWI. Sans doute une mauvaise initialisation du SWI entre les modèles pères et fils : En cours de réflexion…. Que le SWI soit initialisé à 0.1 dans la nameliste &NAM_PREP_ISBA des étapes PREP_REAL_CASE pour Le modèle père seulement ou Les modèles fils seulement ou Les modèles père et fis, il y a toujours de fortes pluies convectives dans la région parisienne et également toulousaine.

Simulation de la canicule de 2003 : Conclusions Situation météorologique de blocage avec une dorsale d’altitude et une masse d’air très chaude en surface : déclenchement orageux sur les massifs et « critique » en plaine : difficulté pour MesoNH de simuler une canicule avec MesoNH, qui a tendance à simuler trop de convection ?? Première étude menée avec MesoNH : erreurs de débutants (étourderies dans les namelistes, compréhension difficile des paramétrisations dynamiques et physiques du modèle) Tests réalisés avec des « pas de temps » faibles : 1h de simulation ~ 45mn de calculs 4 mois de travail au sein du BE pour obtenir une simulation de référence la plus « réaliste » possible… … avec le soutien de l’équipe MesoNH du CNRM (Christine, Jeanine et Isabelle) et Valéry de GMME !! Merci beaucoup à eux !

Merci de votre attention…… et vous avez le bonjour de Sophie !

Simulation de la canicule de 2003 : Objectifs et contexte de l’étude Modélisation du climat urbain CNRM – DIRIC/BE Stratégies d’adaptation du bâti au changement climatique en ville CSTB Impacts sanitaires de la canicule Atelier de la Santé du Parisien INSERM (Prof. SPIRA) Étude de la canicule de 2003 Travail de thèse sur l’intégration des enjeux du climat urbain dans les différents moyens d’intervention sur la ville  Étude des causes de surmortalité à Paris durant la canicule 2003 Contact préalable avec l’INSERM. Dans le cadre de l’Atelier de la Santé du Parisien, l’INSERM n’a pas pu expliquer de manière complètement satisfaisante la cartographie de la surmortalité parisienne lors de la canicule de 2003. Elle a donc fait appel à notre BE pour éclairer cette question à l’aide de la modélisation du comportement climatique de la ville de Paris lors de la canicule de 2003. Proposition de recherche 2005 du GICC2, thématique « changement climatique et santé » rejetée. OBJECTIFS DU BE : Simuler la canicule à Paris et à Toulouse durant la période « la plus meurtrière » : 8 au 13 Août Connaître les impacts des aménagements sur le climat urbain

Simulation de la canicule de 2003 : Objectifs et contexte de l’étude Projets de collaboration avec le CSTB et le CNRM : Convention de recherche avec le CSTB Partenaires : Mairie de Paris et l’APUR Proposition à l’ANR du projet de recherche MUSCADE (Modélisation Urbaine et Stratégies d’adaptation au Changement climatique pour Anticiper la Demande Energétique) Partenaires : CNRM, EDF, CIRED, CSTB et la Mairie de Paris

Simulation de la canicule de 2003 : Apparition d’une instabilité convective Fortes instabilités irréalistes dans le domaine « fils parisien » : Apparition de noyaux de vent fort dans toute la couche limite associés à de forts downdrafts et de fortes précipitations Coupes verticales à 18h sur le modèle 2 dans le noyau de vent fort : en haut à gauche le module de vent, au milieu à droite la vitesse verticale et en bas à gauche l’eau nuageuse.