CAS 1D DICE au CNRM: résultats des modèles atmosphériques E. Bazile (GMAP), I. Beau (GMGEC), P. Le Moigne (GMME) (CNRM/GAME)

Plan Présentation du cas Les physiques testées Surface forcée: Tests aux physiques, pas de temps, résolution verticale (jour et nuit). Couplage: Idem + Impact du type de sol Conclusion/perspectives

Présentation du cas Objectif: étudier l’impact des feedbacks terre/atmosphère en commençant par les composantes individuelles contraintes par les obs et identifier les changements dus au couplage. Cas: Expérience CASES 99 sur Kansas. 3 jours de l’après-midi (19 UTC= 2pm local time) du 23/10/99 jusqu’au 26/10/99. Trois jours de ciel clair et trois nuits variées: turbulence intermittente, continue et cas très stable. Expériences atmosphériques -> Etape 1(b): les SCM tournent avec les flux de surface observés (incluant le flux de qdm). -> Etape 2: LSM/SCM couplés. Les conditions initiales de sol proviennent du run du stage 1a. Différences entre les résultats du 1 et du 2 pour étudier l’impact du couplage via les feedbacks? Forçages: Forçages de grande échelle pour toutes les expériences atmosphériques (expé 1b, 2, 3b): Vent géostrophique variable (uniforme sur la verticale) + advections horizontales de grande échelle pour T, q, u et v + subsidence pour T et q. Forçages de surface pour stage 1b: flux de chaleur sensible et latent , vitesse de frottements u*, température et albedo de surface, observés.

LES PHYSIQUES TESTEES ARPEGE-Climat ARPEGE-NWP AROME (NH) Surface (  7.5 km) AROME (NH) 2.5km Surface SURFEX with ISBA ISBA (Noilhan, Planton (89), Giard Bazile (2000)) with ISBA, TEB, Ecume, etc Turbulence TKE-2.0/Mellor-Yamada 82 (Ricard Royer-93) TKE (Cuxart et al 2000) Mixing length Quadratic profile (Lenderink and Holtslag, 2004) Bougeault Lacarrere (89) Modified by the shallow cloud thickness and deep convection Shallow Convection KFB (Bechtold et al 2001) PMMC09 (Pergaud et al 2009) Deep Convection Moisture Convergence (Bougeault 85) (v3 cy18) Moisture Convergence (Bougeault 85) Explicitly resolved Clouds (PDF) f0, f1, f2 Bougeault (82) Smith (90) GWD Described in annexe of Catry et al. 2008 no Microphysics Kessler-Smith (1990) Ql,Qi,Qr,Qs Lopez(2002) Bouteloup et al (2005) Ql,Qi,Qr,Qs,Qg Pinty and Jabouille 1998 Radiation RRTM for LW (Mlawer et al. 1997) and Morcrette et al. 2001 for SW (6b)

CAS FORCE: Tests de sensibilité aux physiques ARPEGE/ARPEGE-CLIMAT/AROME. Sensibilité à la résolution verticale et au pas de temps. Discrétisation verticale: L70 niveaux opérationnels ARPEGE-PNT L60 niveaux opérationnels AROME ( + de niveaux dans la PBL /L70 et plus bas niveau à 10 m vs 17m pour les 70 niveaux) Stage 1b: ARPEGE physics L70 with 600s (proche du dt opér) ARPEGE physics L70 with 60s ARPEGE physics L60 with 60s (pas de temps et niveaux verticaux AROME) AROME physics L60 with 60s (oper) AROME physics L70 with 60s ARPEGE-CLIMAT L70 with 600s

CAS FORCE: TESTS DE SENSIBILITE (NUIT) Theta à + 15 H Theta à + 39 H Theta à + 63 H TKE à + 15 H TKE à + 39 H TKE à + 63 H Davantage de TKE ?

CAS FORCE: Test de sensibilité (nuit) FCS u* Nuit 1 Nuit 3 Nuit 1 Nuit 2 Nuit 3 Nuit 2 Davantage de TKE au cours de la deuxième nuit : Flux de chaleur sensible autour de 35 W/m2 et vitesse de frottements autour de 0.25 ms-1

CAS FORCE: TESTS DE SENSIBILITE (JOUR) Theta à + 24 H Theta à + 48 H TKE à 24 H TKE à +48 H

CAS FORCE- TESTS DE SENSIBILITE: HAUTEUR DE COUCHE LIMITE Peu d’influence du pas de temps et de la résolution verticale (L70/L60 physique pronostique) sur profils theta. Cycle diurne de la hauteur de couche limite; transition du soir plus abrupte que matin. TKE plus sensible et hauteur de couche limite aussi (utilisation de TKE pour calcul h_pbl physique pronostique PNT) Calculs de hauteur de couche limite différents avec la physique AR5: Troen and Mahrt (BLM 86) et Holtslag and Boville (J. Clim. 93). Deuxième nuit plus turbulente (forçage FCS/u*). Et pour le cas couplé? Hauteur de couche limite (m)

CAS COUPLE Ref : Etat initial de SURFEX correspondant aux caractéristiques de sol et végétation opérationnelles ECOCLIMAP (Stage1a, P. LeMoigne) Type 103: (grass 100%) Lai =1.8 d2=1.5m d3=2m, z0=0.04m Rsmin=40 Type 108: (crops C3 90% and C4 10%) Lai=1.0 d2=1.5m d3=2m, z0=0.02, Rsmin=43 AROME L60 (dt=60s) ARPEGE-NWP L70 (dt=600s) ARPEGE-NWP L70 (dt=60s) ARPEGE Climat (AR5) L70 (dt=600s)

CAS COUPLE: Résultats Stage 2 Theta « couplé » à + 48 H Theta « couplé » à +24 H ARPEGE-Climat AR5 plus mélangé et plus chaud. Cohérent avec cas forcé.

CAS COUPLE vs CAS FORCE Theta cas couplé à +48 H Theta  cas couplé  à +24 H THETA cas couplé plus froid que THETA cas forcé? Theta cas forcé à +24 H Theta cas forcé à +48 H

CAS COUPLE vs CAS FORCE: épaisseur couche limite COUCHE LIMITE + EPAISSE DANS LE CAS FORCE CAS COUPLE CAS FORCE

Cas Couplé vs Cas forcé Flux de chaleur sensible Flux de chaleur latente U* Cas couplé: avec les caractéristiques opérationnelles du sol ECOCLIMAP, le flux de chaleur latente est beaucoup plus fort ( ~200W/m2 pour 50W/m2 dans le cas forcé le jour)  flux de chaleur sensible plus faible  couche limite moins épaisse

Couplage : Sensibilité au type de sol Ref : Initial state from SURFEX with the operational ECOCLIMAP soil characteristics and vegetation (Stage1a done by P. LeMoigne) Type 103: (grass 100%) Lai =1.8 d2=1.5m d3=2m, z0=0.04m Rsmin=40 Type 108: (crops C3 90% and C4 10%) Lai=1.0 d2=1.5m d3=2m, z0=0.02, Rsmin=43 Exp1: Ref avec diminution épaisseur du sol (d2=0.4m d3=0.6m) Exp2: Exp1 + sol nu AROME L60 (dt=60s)

Couplage: sensibilité au type de sol Sensible Heat Latent Heat Ustar EXP1 ---- : le flux de chaleur latente diminue et le flux de chaleur sensible augmente. EXP2 ---- : flux de chaleur latente proche du forcé mais flux de chaleur sensible sous-estimé. EXP1 et 2: peu d’impact sur u*.

Couplage: sensibilité au type de sol Theta à +48H Theta à +24 H Theta à +39 H Qv à +39 H Qv à +48 H Qv à +24 H Expé de réf trop froide, trop humide

Conclusions & Perspectives Importance de l’initialisation de l’humidité du sol pour le cas couplé, sensibilité à l’épaisseur du sol du 1.a. Augmentation du flux de chaleur latente avec les caractéristiques opérationnelles  biais froid du couplé vs forcé. Nouvel exercice couplé avec nouvelle initialisation de surface à venir d’ici fin d’année. Davantage de mélange avec ARPEGE-CLIMAT vs ARPEGE-PNT et AROME. Utilisation des simulations pour analyser plus finement les processus durant le cycle diurne (bilan de tke, caractéristiques de la turbulence…) et rôle du couplage.