4ème Réunion Utilisateurs Méso-NH 23/24 Avril 2007 – LA, Toulouse Influence de l’échelle verticale et de la paramétrisation des flux océan-atmosphère sur la modélisation des cyclones tropicaux Méso-NH Version M46B5 Par Guillaume Samson Encadrants: D. Barbary, H. Giordani, G. Caniaux LACy/CRC, Ste Clotilde, île de la Réunion Météo France CNRM/MEMO, Toulouse

Plan de la présentation : 1 - Sensibilité à l’échelle verticale de l’intensification d'un système dépressionnaire tropical idéalisé (G. Samson) De la perturbation tropicale au cyclone Configuration de Méso-NH (cas idéalisé) Initialisation et Échelles Verticales Résultats des Simulations 2 - Paramétrisation des flux océan-atmosphère UniTFP en conditions cycloniques (E. Florens) Spécificité de la paramétrisation UniTFP Configuration de Méso-NH (cas réel: cyclone Isabel, 2003) Comparaison aux données in-situ (campagne CBLAST) 3 – Bilan, Problèmes et Perspectives

De la perturbation tropicale au cyclone… Cyclone tropical intense 920 hPA < Pression < 945 hPa 59 m/s < Vent < 69 m/s Stade final des simulations Cyclone tropical Pression > 980 hPa 33 m/s < Vent < 42 m/s Intensification 17 m/s < Vent < 32 m/s Stade initial des simulations Mise en rotation Vent < 17 m/s Pas de minimum de pression marqué Système Convectif Méso-échelle persistant 5 jours = 120 heures

Méso-NH et échelles verticales Configuration (1) Trois modèles imbriqués : (Hémisphère Sud) 3600 km « one-way » Modèle 2 Résolution horizontale: 15 km Couplé au modèle 3 Convection profonde et peu profonde paramétrisée - 20° Sud 6750 km + 60 ° Est Modèle 1 Résolution horizontale: 45 km Fournit des conditions limites au modèle 2 « two-way » 600 km Modèle 3 Résolution horizontale: 5 km Couplé au modèle 2 Convection profonde explicite

Méso-NH et échelles verticales Configuration (2) Environnement idéalisé : Radio-sondage composite réalisé à partir de l’environnement de 912 systèmes dépressionnaires tropicaux (Mc Bride 1981) Température de surface de l’océan uniforme à 28,6°C (>26°C) Humidité importante en basse et moyenne troposphère Pas de circulation atmosphérique grande échelle Prise en compte du gradient de vorticité planétaire (effet β) Température potentielle équivalente (K) Humidité relative (%) Profil vertical de θe (K) et ReHu (%)

Méso-NH et échelles verticales Initialisation Inclusion du vortex de vent idéalisé : Caractéristique d’une tempête tropicale modérée « idéalisée » Vitesse maximale au sol: 20 m/s Rayon du vent max. au sol: 135 km Vortex symétrique Profil de vent analytique (Holland, 1980) Équilibré en température via la relation du vent thermique 20 m/s 0 m/s Centre Coupe verticale du module de vent (en m/s)

Méso-NH et échelles verticales Échelles verticales et Simulations Distribution des niveaux verticaux : 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 6 niveaux 12 niveaux 11 niveaux 23 niveaux R: échelle Régulière E: échelle Étirée dans les zones « météorologiquement » actives Couche de flux divergent Couche de flux convergent Influence de la répartition des niveaux ? Nombre de niveaux : 30 60 Altitude (km) Résolution minimale nécessaire ? Durée des simulations : 8 jours = 192 heures Échelles : R-30 R-60 E-30 E-60

Résultats des simulations Pression Moyenne au Niveau de la Mer (1) Valeur du vortex initial : 1000 hPa Intensité maximale théorique ou MPI (Emanuel, 1988) déduite de la différence de température entre la surface de l’océan et la tropopause 932 hPa E-30 R-30 Intensité en hPa MPI = 932 hPa E-60 R-60 Temps en heure

Résultats des simulations Pression Moyenne au Niveau de la Mer (2) Période d’ajustement du modèle Mise en place de la physique Effondrement des vents Durée de cette phase de latence R-30 → 102 h E-30 → 66 h R-60 → 60 h E-60 → 48 h Période d’ajustement du modèle Intensité en hPa Relation entre la densité de niveaux présents en basse troposphère et le temps d’ajustement du modèle E-60 R-60 E-30 R-30 Temps en heure

Résultats des simulations Pression Moyenne au Niveau de la Mer (3) Capacité à intensifier le système dépressionnaire tropical Rapidité à s’intensifier Capacité à atteindre le MPI R-30 E-30 → 942 hPa en 126 h E-60 → 934 hPa en 144 h R-60 → 927 hPa en 132 h Intensité en hPa La vitesse de creusement et le stade de développement atteint dépendent de l’échelle verticale E-60 R-60 E-30 R-30 Temps en heure

Plan de la présentation : 1 - Sensibilité à l’échelle verticale de l’intensification d'un système dépressionnaire tropical idéalisé (G. Samson) De la perturbation tropicale au cyclone Configuration de Méso-NH (cas idéalisé) Initialisation et Échelles Verticales Résultats des Simulations 2 - Paramétrisation des flux océan-atmosphère UniTFP en conditions cycloniques (E. Florens) Spécificité de la paramétrisation UniTFP Configuration de Méso-NH (cas réel: cyclone Isabel, 2003) Comparaison aux données in-situ (campagne CBLAST) 3 – Bilan, Problèmes et Perspectives

Paramétrisation UniTFP (CNRM/MEMO) Calibration multi-campagne des coefficients d’échange neutres (Atlantique et Méditerranée) Ajustée sur des mesures de vents < 30 m.s-1 Pas d’études pour des vents cycloniques > 30 m.s-1 Coefficients de transfert neutres fonctions du vent à 10 mètres issues de mesures expérimentales (Powell et al., 2003 et Donelan et al., 2004) pour des vents >30 m.s-1 Manque de données in-situ pour les vents cycloniques Calcul itératif basé sur un algorithme « bulk »

Paramétrisation des coefficients de transfert neutres des flux dans UniTFP Paramétrisation standard Méso-NH (Louis, 1979) Paramétrisation UniTFP (CNRM/MEMO) Vent Flux de stress Flux de chaleur latente Flux de chaleur sensible Effet de saturation des coefficients en condition de vent fort lié à: (Powell et al., 2003 et Donelan et al., 2004)  la présence des vagues (état de mer, âge des vagues, …)  la génération d’aérosols marins (spray)

Cas réel: le cyclone tropical ISABEL Campagne de mesures CBLAST (2003) Période d’étude: du 11/09/2003 12h UTC au 13/09/2003 12h UTC Max d’intensité (915 hPa) inclus dans la période d’étude CBLAST: Mesures in-situ du flux de chaleur latente dans le mur de l’œil par méthode des profils et d’auto-corrélation Possibilité de comparaison avec les simulations numériques

Configuration du modèle Méso-NH 2 domaines imbriqués : Domaine père : 36 km de résolution horizontale Domaine fils : 12 km de résolution horizontale 60 niveaux verticaux : resserrés en basses couches relâchés en altitude Inclusion vortex idéalisé Échange d’informations entre domaines (2-way) Conditions limites du CEPMMT Champ de SST fixée (CEPMMT) Min: 25.8°C – Max: 30.8°C

Flux de chaleur latente moyenné dans le mur de l’œil Importante surestimation par la paramétrisation de référence (en mauve) Effet de saturation en fin de simulation pour UniTFP (en vert) Excellent accord avec les donnés mesurées lors de CBLAST  Restitution fidèle du flux de chaleur latente en condition cyclonique par la paramétrisation UniTFP Standard UniTFP Mesures in-situ -200 W/m2

3 – Bilan, Problèmes et Perspectives 1 - Sensibilité à l’échelle verticale : Le temps d’ajustement du modèle au vortex initial dépend fortement de la résolution verticale en basse troposphère Une répartition des niveaux verticaux adaptée à la physique du cyclone permet d’économiser du temps de calcul (E30) Déplacement du domaine 3 entièrement manuel: résolu par script Stabilité numérique liée à l’échelle verticale: résolu via le réglage automatique du nombre d’itération du solveur de pression (M4.7) Pas de procédure prep_experiment pour les cas idéalisés Pas d‘informations concernant le domaine de validité des paramétrisations suivant la résolution verticale utilisée

3 – Bilan, Problèmes et Perspectives 2 – Influence de la paramétrisation des flux océan-atmosphère: Restitution des flux de chaleur latente via la paramétrisation UniTFP en accord avec les mesures de la campagne CBLAST Etude à compléter pour les flux de stress Tests de sensibilité à la SST à poursuivre Développement de phénomènes non physiques aux bords du domaine à 4km: impossibilité de réaliser la simulation à 4km Simulation à 4km avec la version 4.7C6 en cours

Zoom sur le problème: Développement d’un second minimum de pression non physique… … associé à une circulation anticyclonique !