3ème Réunion des Utilisateurs de Méso-NH Discussion Scientifique Christine Lac et J-Philippe Lafore 7-8 mars 2004 Centre International de Conférences – Météo-France - TOULOUSE

Discussion scientifique / PLAN A. PHYSIQUE 1. Microphysique 2. Turbulence 3. CL Océanique 4. Surface 5. Hydrologie 6. Activité électrique 7. Convection profonde 8. Convection peu profonde 9. Chimie – Aérosols 10. Rayonnement B. NUMERIQUE 1. Spawning 2. Filtrage/Bogussing des Cyclones 3. Semi-Lagrangien 4. Coordonnée verticale SLEVE 5. Diffusion horizontale C. ASSIMILATION – AROME 1. Approche Modèle Satellite 2. Assimilation hybride ALADIN-3DVar / MésoNH 3. Lidar – Radar - GPS D. EQUATIONS 1. Chauffage dissipatif 2. Hypothèse de la « pellicule mince » 3. Sédimentation des précipitations

A.1 Microphysique Etat actuel 3 schémas –Kessler (chaud) –C2R2 (chaud, 2 moments + activation des CCN) –ICE3 (phase mixte, 5 classes, 1 moment) Evolution (depuis 2 ans) –schémas à 2 moments gamme détudes plus large (aérosols…) Faiblesses identifiées –Cirrus: cycle de vie, excès dans Troccinox… –Stratocumulus (thèses I. Sandu, O. Geoffroy) – Enjeu =contrôle cycle diurne –Brouillard: sédimentation… –Interaction / rayonnement + propriétés optiques Evolutions envisagées (2 ans) –ICE4: 1 moment, + grêle (thèse F. Lascaux) –C3R5: 2 moments pour la phase mixte –Schéma de Cirrus: 2 classes de glace primaire (V. Giraud) à compléter, intégrer et valider –Schéma de Khairoudinov-Kogan: 2 moments, chaude, pour les Sc : extension aux Cu? –Brouillard: introduction sédimentation (T. Bergot) –Réglages des schémas grâce à lapproche modèles satellites Axes de recherche à encourager –Schémas plus simples (Lopez) assimilation, PN, lessivage et aérosols… Qui ? –Brouillard (T. Bergot) –Prise en compte de la nébulosité fractionnaire pour la (LA)

A.2 Turbulence Etat actuel Schéma 1D et 3D de Cuxart, Bougeault et Redelsperger (2000). Fonctionnement 1D (intérêt pour PN), 3D et LES (spécificités de Méso-NH). Evolution (depuis 2 ans) –CLS : Longueur de Redelsperger, Mahé et Carlotti (2001) –Turbulence de la glace (cirrus) –Augmentation de la longueur de mélange dans les Cb (M.Tomasini) Faiblesses identifiées –CL convective sèche (S.Tomas): Pas de contre-gradient, longueur de mélange trop faible –CL stable (J.Cuxart): Mélange trop faible en vent faible (brouillard) et aux inversions. –CL neutre (P.Drobinski, V.Masson): BL89 infinie –Cumulus : Turbulence insuffisante – Interface nuage/environnement mal prise en compte. Donc surestimation des w. Evolutions envisagées (1-2 ans) –BL89 modifiée par Sanchez et Cuxart (2004). Tests sur Cu. –CL Convective : Introduction dun contre-gradient par un fit des moments dordre 3 (S.Thomas) Axes de recherche à encourager (2-3 ans) –Paramétrisation des moments dordre 3 à partir du flux de masse : lien avec CVPP (V.Masson) –Nouvelle longueur de mélange (changements de phase + entraînement) (V.Masson) –Brouillard (T.Bergot) –Cas stables et neutres.

A.3 C.L. Océanique Problèmatique –Mise en évidence de limportance de la SST (convection dans le SE, mousson africaine, cyclones) –Intérêt des océanographes (MEMO) Evolutions envisagées (2 ans) – Etudes dimpact de la SST sur la convection en France (SE) et tropicale (thèse de C. Lebeaupin, MICADO et MEMO) –Introduction de nouvelles paramétrisations bulk des flux turbulents (issues des campagnes à la mer) à travers surface externalisée Axes de recherche à encourager –Couplage avec un modèle OD et 1D de CLO à travers la surface externalisée (MEMO) –à régler: introduction de la bathymétrie et initialisation des champs océaniques à partir des analyses Mercator –Couplage avec létat de la mer : Intérêt pour les cyclones.

A.4 Surface Evolution (depuis 2 ans) –Surface externalisée incluant TEB, ISBA, OCEAN et ECOCLIMAP (dici 2006 dans tous les modèles de MF + mode off-line) –Flux de CO2 (Isba-A-gs) Faiblesses identifiées - documentation insuffisante - certaines options (diffusion dans le sol, CO2) peu testées en 3D - Température des lacs (modèle de lac?). - initialisation des variables dans schémas neige et sol multi-couches Evolutions envisagées (2 ans) –Peu dévolution sur la physique de la surface –Introduction dun module darrachement de poussières à la surface, à partir dORILAM, et rétroaction avec le rayonnement (P.Tulet). Prolongement possible pour les sels marins (intérêt possible pour les cyclones, avec génération dembruns) –Efforts importants de documentation et de formation Axes de recherche à encourager –Etudes des échanges de CO2 ( CARBOEUROP, GEOLAND) –Etude de CL urbaine sur CAPITOUL (V.Masson) –Modélisation physico-chimique des feux.

A.5 Hydrologie Etat actuel –Pas de composante hydrologique Evolution (depuis 2 ans) –Développement dun couplage Méso-NH /ISABA/TOPMODEL Priorité PATOM et PNTH Collab. LTHE et CNRM (K. Chancibault) Evaluation pour les crues rapides sur lOHM Cévennes-Vivarais (mi- 2005) Evolutions envisagées (2 ans) – Intégration dans Méso-NH Axes de recherche à encourager –Evaluation hydrologique des précipitations de Méso-NH –Etude du couplage Atm./Hydro. (OHM CV, AMMA…) –Utilisation dun autre coupleur? Coumehy (LTHE) ou Oasis (CERFACS)

A.6 Activité électrique Evolution (depuis 2 ans) Développement en interne dun modèle quasi-complet pour lélectrisation et la production de NOx (C.Barthe): -Explicite: une variable pronostique charge pour chaque espèce (ICE3). Chargements non inductifs (choc glace-glace) et inductif (choc eau-eau polarisé). Transferts de charge. Calcul du chemin des éclairs production de NOx. -Implicite: Paramétrisation de la fréquence des éclairs dans KFB, et production de NOx. Testé dans TROCCINOX2. Evolutions envisagées (2 ans) – Implicite à intégrer dans Masdev4_7 Axes de recherche à encourager –Développements de diagnostics –Introduire les ions –Tests sur cas réels –Corrélation avec la grêle : tests avec ICE4.

A.7 Convection Profonde Etat actuel –Schéma KFB Evolution (depuis 2 ans) –Meilleure conservation de masse pour les scalaires passifs (masdev4_6) –Détraînement entre la base du nuage et la surface (masdev4_6) Faiblesses identifiées Mêmes défauts que les autres –Pas dévolution perte dexpertise sur KFB Evolutions envisagées (2 ans) –Importance de maintenir KFB –Nombreux développements dans KFB pour la chimie (transport, éclairs, lessivage), lélectricité Axes de recherche à encourager –Introduction dautres schémas (pas durgence), en plus de KFB –En fonction des efforts et progrès effectués dans le domaine des paramétrisations (Physique commune LMDz/ARPEGE-Climat, ARPEGE) schéma de Tietke (CEPMMT): code de transport des traceurs + adjoint futur schéma dALARO : schéma de Bougeault-Piriou Schéma dEmanuel…

A.8 Convection Peu Profonde Etat actuel –Schéma KFB Evolution (depuis 2 ans) –Améliorations sur la condition de déclenchement et réglages (masdev4_5/6) Faiblesses identifiées –Interactions CVPP/Turbulence: insuffisantes –Conservation (équations sous forme advective, et non flux) –Manque lévaporation des précipitations sous le nuage –Faible efficacité ( solveur implicite) Evolutions envisagées (2 ans) –Améliorer les interactions CVPP/Turbulence (propo. de J.Stein et J.Hidalgo) –Introduction du schéma de Soares (Diffusion turbulente + en flux de masse) Axes de recherche à encourager –Lien étroit avec la turbulence –Un seul schéma pour CVP et CVPP!

A.9 Chimie - Aérosols Evolution (depuis 2 ans) –Externalisation de la surface (dépôt, émission) –Changement de processeur chimique (facilite changements de schéma réactionnel) Faiblesses identifiées –Pas une faiblesse mais un handicap : LE COÛT –Manquent les émissions biogéniques à échelle globale (ECOCLIMAP), un cadastre démission global fine échelle. Evolutions envisagées (2 ans) –Lessivage par les précipitations liquides et solides explicites (existe mais lourd avec ICE3). Bénéficierait dun schéma plus simple (Lopez). –Version simplifiée de ORILAM en standard (P.Tulet) –Nouveaux schémas chimiques, adaptés aux aérosols en standard (P.Tulet). –Production de NOx par les éclairs (C.Mari, JP Pinty). Axes de recherche à encourager –Lessivage des aérosols. –Chimie en phase aqueuse. –Poursuite du développement de ORILAM et ORISAM

A.10 Rayonnement Etat actuel Depuis 2002, schéma du CEPMMT (F.Solmon) : - LW: Morcrette-Fouquart ou RRTM - SW direct: Prise en compte des aérosols (climatologique ou surface) - SW diffus Evolution (depuis 2 ans) –Amélioration du SW direct et diffus –Nouvelles paramétrisations des propriétés optiques des nuages. Option interactive avec C2R2 –Correction de bug sur lorographie sous-maille Faiblesses identifiées –SW diffus : surestimation de labsorption SW par nuages (SSA pour des gouttelettes contenant du carbone-suie : I.Sandu) Evolutions envisagées (2 ans) – Amélioration du SW diffus : SSA fonction des aérosols (comme en direct) (I.Sandu) –Couplage du code de poussières avec le schéma de rayonnement (P.Tulet, Alf) Axes de recherche à encourager –Introduction de la phase neige

B.1 Spawning Etat actuel –Spawning à partir dun seul modèle (père) Faiblesses identifiées –Ne permet pas de suivre des phénomènes propagatifs (Cyclones tropicaux, MCSs...) sans perte dinformation à haute résolution. Evolutions envisagées (2 ans) –spawning à partir de 2 modèles: le père (P) + un fils (F1) –Qui? CRC ?

B.2 Filtrage-Bogussing des Cyclones Evolution (depuis 2 ans) A partir des outils de O.Nuissier pour Bret et cas académiques, introduction en version standard : - Filtrage: on enlève la perturbation du cyclone aux champs coupleurs - Bogus: vortex symétrique ajouté aux champs filtrés Faiblesses identifiées - Constantes réglées pour Bret : impose une vérification du réalisme des résultats à chaque étape Evolutions envisagées (2 ans) - Amélioration du réglage par les utilisateurs Axes de recherche à encourager - Bogus dhumidité, associé à stratégie dassimilation de données

B.3 Semi-Lagrangien Faiblesses identifiées –coût numérique de Méso-NH-Chimie : schéma dadvection + grand nombre despèces handicap majeur. Enjeu essentiel : permettre des simulations chimiques avec aérosols on-line Evolutions envisagées (2 ans) – Développement dun schéma SL pour les scalaires. –Travaux préliminaires au LA (JP Pinty) –Quelles forces de travail? –Nécessité de bénéficier dune collaboration et de lexpertise du CNRM/GMAP

B.4 Coordonnée SLEVE Faiblesses identifiées –Coordonnée Gal-Chen: pbs sur relief (Schär et al. 2002, Klemp et al 2003) –Solution de Schär et al. SLEVE –Pas trop de pb pour MésoNH Evolution (depuis 2 ans) –Introduction et test sur MAP de la coord. SLEVE (Zängl) Evolutions envisagées (2 ans) –Intégration dans Méso-NH (dont DIAPROG) –Evaluation de limpact (notamment dans la haute troposphère)

B.5 Diffusion horizontale Faiblesses identifiées –Diffusion horizontale sur les niveaux du modèle erreurs significatives en zone montagneuse –Modifications de Zängl (2004) dans MM5 Evolution (depuis 2 ans) –Introduction des modif. dans Méso-NH (Zängl ) –Tests positifs sur MAP Evolutions envisagées (2 ans) –Poursuite des tests dévaluation (N.Asencio, P.Drobinski …) –Introduction dans le masdev4_7

C.1 Modèle Satellite Etat actuel Code de transfert radiatif de Morcrette : uniquement Météosat 1 ère génération (IR et WV) Evolution (depuis 2 ans) En interne (JP Chaboureau), interface avec RTTOV version 7 (test TROCCINOX) Evolutions envisagées (2 ans) –Intégrer RTTOV version 8 (diffusion de Mie pour les hydrométéores) –Intégrer une version de RTTOV permettant de simuler MSG (AMMA) Axes de recherche à encourager –Collaboration JPC-C.Prigent pour micro-ondes –Collaboration JPC-P.Dubuisson (Univ.Littoral) pour VIS

C.2 Assimilation hybride Aladin-3DVar/Meso-NH Etat actuel –Pas dassimilation dans Méso-NH –3D-Var ALADIN (MF) Evolution (depuis 2 ans) –Forte implication du CNRM/GMME pour utiliser le 3D-Var du CNRM/GMAP et ladapter pour la méso-échelle (Ducrocq, Jaubert, Nuret…) –Outil fonctionnant à MF, en mode analyse et assimilation (scripts Méso-NH (prep-experiment) + interface opérationnelle OLIVE) –Assimilation actuelle uniquement de certains types d'observations atmosphériques (pas de chimie) –Potentiel important, surtout sur des simulations courtes Evolutions envisagées (2 ans) –Poursuite au GMME en forte interaction avec le projet AROME –Ouverture à la recherche hors MF (via linterface OLIVE) MF répondra à la demande et proposera un outil et un soutien adaptés Axes de recherche à encourager –Développement dopérateurs dobservation –Implication croissante des laboratoires extérieurs dans lassimilation à méso-échelle –Outil assez lourd fort investissement des laboratoires intéressés

C.3 Lidar-Radar-GPS Etat actuel –Version 1 dun simulateur radar Evolutions envisagées (2 ans) –RADAR : Simulateur plus complet développé par O.Caumont (géométrie du faisceau, plusieurs modèles de rétrodiffusion, atténuation) : Intégration dans un prochain cycle (2005) dans DIAG. –GPS : Développement des observables délais zénithaux par H.Brenot. Intégration dans un prochain cycle (2005). Observables délais obliques et gradients en cours de validation. Intégration fin 2005 dans DIAG. Axes de recherche à encourager - RADAR : Simulateur vitesses radiales Doppler – Assimilation des réflectivités en cours dans le 3D-Var ALADIN (MICADO-GMAP). - GPS : Assimilation des délais zénithaux totaux dans le 3D-Var ALADIN (MICADO-GMAP). - LIDAR : H.Chepfer a développé un simulateur lidar, pour le SIRTA. Intégrable dans Méso-NH si personne identifiée. Validations possibles sur SIRTA + cas MAP.

D.1 Chauffage dissipatif Constat Blister et Emmanuel (1998) ont montré que lénergie thermodynamique due au chauffage dissipatif souvent négligée dans modèles de méso-échelle Sous-estimation de lintensité des cyclones/tempêtes. taux de dissipation par viscosité dans léquation de la TKE. Evolution (depuis 2 ans) Masdev4_6 : Introduction du terme de chauffage dissipatif dans léquation de Evolutions envisagées (2 ans) – Apport de ce terme à quantifier : conseillé sur un exercice académique.

D.2 « Pellicule mince » Constat Généralement, hypothèse H R T : viole le principe de conservation du moment angulaire. Evolution (depuis 2 ans) Abandon de cette hypothèse dans la Masdev4_5. Evolutions envisagées (2 ans) – Quantifier cet abandon (TP).

D.3 Sédimentation des précipitations Etat actuel Constat : Dans un fluide multiphasique, les hydrométéores ont des températures et des vitesses qui différent de celle de lair sec et de la vapeur deau. Dans Méso-NH : On ne tient pas compte du refroidissement créé par les hydrométéores précipitants lors de la sédimentation, ni du flux de quantité de mouvement associé (traînée). Contexte plus général: AROME –Revisite du système déquations en présence dhydrométéores précipitants: recherche dune convergence AROME/Méso-NH Travail de Malardel, Bénard, Stein, Geleyn et al. Sur les équations Evolutions envisagées (2 ans) –Evaluer les termes manquants (à finaliser): Travail important réalisé par S.Malardel sur les équations, également pour AROME. Collaboration avec JP Pinty pour retrouver les équations de Bannon (2002) –Coder les termes manquants (JP Pinty)

Book1 Documentation Scientifique Etat actuel P.Mascart et al. Evolutions envisagées (2 ans) Mise à jour : effort de tous ! Surface externalisée. -Atouts de Méso-NH Simulations LES pour améliorer les paramétrisations BILANS (bilans LES, bilans de masse …) TRACEURS - trajectoires