P. Peyrillé, G. Bellon, F. Ferry, JP. Lafore Paramétrisation de la vitesse verticale de grande échelle: comparaison entre modèles 1D et CRM P. Peyrillé, G. Bellon, F. Ferry, JP. Lafore Ateliers de Modélisation de l’Atmosphere, 19-23 Janvier 2015

Contexte Interaction entre dynamique de grande échelle et les processus “humides” est au coeur de nombreux éléments du climat tropical (ou variabilité) : ITCZ, MJO, Walker Les modèles de climats (GCM) actuels reproduisent difficilement ces éléments du climat tropical Les rétroactions avec la dynamique amplifient souvent les biais introduits par les paramétrisations (Hung et al 2013, Hwang et Frierson 2014, Oueslati et Bellon 2014) Cadres d’étude (développement) les plus fréquents: 1D, sans rétroaction de la grande échelle (Robe and Emanuel 1996; Tompkins 2001; Xu et al. 2002; Petch et al. 2006) Peu d’études et de méthodologie pour évaluer cette rétroaction dans les GCM  Nécessité d’avoir un cadre d’évaluation des paramétrisations incluant l’interaction avec la grande échelle  GASS-WTG / projet EMBRACE : Deux représentations de la grande échelle sont testées dans des modèles 1D et des modèles 3D à haute résolution (CRM)

Plan I Représentations de la vitesse verticale de grande échélle II Premiers résultats d’inter-comparaison III Conclusions

Weak temperature gradient (WTG) Bretherton et Sobel (2000), Raymond (2007) Observation de départ: Sur une grande part des Tropiques, les gradients horizontaux de temperature sont faibles dans la troposphère libre  Homogénéisation de la temperature par les ondes de gravité WTG strict: Etat de référence dans la troposphère libre : W diagnostiquée à partir de l’équation de l’énergie: WTG “relaxé”: En dessous d’une couche limite nominale (fixée), WWTG  0 Chauffage  ascendance Refroidissement  subsidence Equilibre local entre WWTG et l’écart à l’état de référence Plus chaud que l’état de référence  ascendance Plus froid que l’état de référence  subsidence

Damped gravity wave (DGW) Kuang (2008) Determination de WDGW à partir des equations de quantité de mouvement pour une onde de gravité linéaire amortie (sans rotation) Tvr , qvr: profil de référence provenant de l’Equilibre Radiatif-Convectif (RCE) ou d’une moyenne de simulations 3D W (DGW ou WTG) obtenue est utilisée pour : Advection d’humidité, d’énergie, (de quantité de mouvement) Transport horizontal de l’état de référence par le vent non-divergent Réponse non locale à (Tv-Tvr) Plus chaud que l’état de référence  convergence en bas divergence en haut Plus froid que l’état de référence  divergence en bas convergence en haut

Cadre de travail GASS-WTG: intercomparaison des cadres WTG/ DGW dans des CRM et modèles 1D EMBRACE: projet européen en cours sur évaluation/amélioration des GCM à travers leur physiques Partie prenante de GASS-WTG et cadre de comparaison commun Cadre d’intercomparaison: Cas océanique (Warm pool) avec DGW et WTG - Rayonnement fixé à -1,5 K/j dans la troposphere - Profil de référence tiré d’un RCE à SST=300K (pour chaque modèle) - Pas de rotation, pas de cycle diurne, vent horizontaux relaxés (5 m/s) - SST : 298, 300, 302 - Humidité relativie initiale: RCE, 0%, 90% - Simulation à l’équilibre (50 jours pour CRM, 300 jours pour modèles 1D) Modèles participants à EMBRACE: CRM 3D: Meso-NH, dx=dy=3km, domaine 150km x 150 km ~1 maille de GCM Modèles 1D: CNRM-CM v5 , CNRM-CM v6, LMDZA, LMDZB GASS: 6 autres modèles 1D, WRF (3D), 3 CRM (2D) mais domaine et résolution différentes (3km => 500m)

Plan I Représentations de la vitesse verticale de grande échélle II Premiers résultats d’inter-comparaison III Conclusions

Exemple d’équilibre WTG vs RCE Tendance de température , « physique » autre que rayonnement Tendance de température (K.j) RCE: refroidissement radiatif ~chauffage diabatique WTG/DGW: refroidissement radiatif + chauffage diabatique ~ advection

Précipitation vs SST Tref, qref: RCE, SST= 300K REF 3D: MesoNH Tref, qref: RCE, SST= 300K Variations SST=298,300,302K Augmentation des pluies avec la SST décrite dans tous les modèles CNRM CM5: pas de régime sec, augmentation linéaire des pluies vs SST LMDZ semble plus proche de mesoNH

Vitesse verticale () WTG REF 3D: MesoNH DGW DGW

Fraction nuageuse REF 3D: MesoNH

Stabilité du RCE vs DGW / WTG Pluies RCE (RRRCE) à SST=300K, mm/jour Courtesy C. Daleu et al., GASS CRM 2D,3D 1D Rapport RRWTG/ RRRCE CRM 2D,3D 1D WTG DGW CRM 3D (WRF, MesoNH) ont des équilibre stables en DGW, WTG, moins vrai en 2D Modèles 1D: => grande variabilité des RCE, et de leur stabilité

Conclusions Cadre d’intercomparaison de modèle 1D avec représentation de l’interaction vitesse verticale – diabatisme  cadre peu couteux et efficace pour étudier le 1er ordre d’interaction entre dynamique et physique humide Comparaison aux CRM 3D: Fournit une référence pour le développement de modèles/paramétrisation Résultats de l’intercomparaison: - Nouvelles versions des modèles 1D se comportent mieux Biais persistents: représentation des nuages GASS: Equilibre obtenus en CRM 3D et moinde mesure 2D sont consistents Forte variabilité entre modèle 1D Perspectives: EMBRACE: Simulation DGW/WTG avec rayonnement interactif  impact des nuages GASS: exploration sensibilité à l’humidité initiale et SST (équilibre multiple)