L'impact de la représentation de l'évolution de la température de l'eau dans les circulations atmosphériques au- dessus des lacs Rui Salgado Centro de.

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1 L'impact de la représentation de l'évolution de la température de l'eau dans les circulations atmosphériques au- dessus des lacs Rui Salgado Centro de Geofísica de Évora / Universidade de Évora Cinquième réunion des utilisateurs de Méso-NH Toulouse, 13 Oct 2009

2 Méso-NH AROME Arpège / Aladin Atmospheric forcing Sun position Downward radiative fluxes albedo emissivity radiative temperature momentum flux sensible heat latent heat CO2 flux Chemical fluxes Surfex FLake © Patrick Le Moigne Toulouse, 13 Oct 2009

3 Le modèle FLake Développé par Mironov (2008) Pour Application dans modèles de prévision du temps (DWD) Modèle 1D a 2 couches: Couche de mélange: Température constante Thermocline – forme assume Calcule: Évolution du profil thermique Flux superficiel d'énergie et de vapeur d'eau Toulouse, 13 Oct 2009

4 C T =0.8 C T =0.65 Limite pendant la croissance de la couche limite FLake: description Variables (eau liquide): s Température de la surface b Température profonde Température moyenne de la colonne d'eau h épaisseur de la couche de mélange C t Facteur de forme - thermocline Principaux paramètres: Albedo e émissivités Coefficient dextinction rayonnement solaire dans leau Profondeur du lac Toulouse, 13 Oct 2009

5 Équations d'évolution – conservation d'énergie: Couche superficielle: Colonne: Équations d'évolution empirique pour h et le facteur de forme (processus: convection, entrainment, etc) Inclue modules pour: Sédiments Glace Neige FLake: description Toulouse, 13 Oct 2009

6 Le code original de FLake a été retenu (http://nwpi.krc.karelia.ru/flake/). Le code nes pas dans la norme Meso-NH. Une interface (flake_interface.f90) pour communiquer avec SURFEX a été créée. FLake code is prepared for single-column applications. So, The flake_interface calls the flake routines inside a DO loop over the horizontal grid points where lakes are present. Le couplage est explicit. The fluxes are computed before the advance of flake variables, namely of the Surface Temperature. The fluxes of momentum and of sensible and latent heat may be computed using the routines provided by FLake (SfcFlx routines) or by the SURFEX WATER_FLUX routine. For the moment, no changes have been done in the SURFEX chemistry routines. All the routines for the pgd, prep and diag procedures have been modified in accordance. Implémentation dans SURFEX Toulouse, 13 Oct 2009

7 Pour utiliser Flake: CWATER = 'FLAKE ' in the namelist: NAMELIST/NAM_PGD_SCHEMES/CNATURE, CSEA, CTOWN, CWATER Pour PREP_PGD: namelist NAM_DATA_FLAKE Fortran nameDefaultDescriptionunit XUNIF_WATER_DEPTH20.Lake Depth(m) YWATER_DEPTHnonefilename YWATER_DEPTHFILETYPEnone XUNIF_WATER_FETCH1000Typical Wind Fetch over Water(m) YWATER_FETCHnonefilename YWATER_FETCHFILETYPEnone XUNIF_T_BS286 Temperature at the outer edge of the thermally active layer of the bottom sediments (K) YT_BSnonefilename YT_BSFILETYPEnone XUNIF_DEPTH_BS1Depth of the sediments layer(m) YDEPTH_BSnonefilename YDEPTH_BSFILETYPEnone XUNIF_EXTCOEF_WATER3Extinction coefficient of solar radiation in water(m -1 ) YEXTCOEF_WATERnonefilename YEXTCOEF_WATERFILETYPEnone Comment utiliser Flake dans SURFEX / MESONH / … Toulouse, 13 Oct 2009

8 Pour PREP_REAL: namelist NAM_PREP_FLAKE Fortran nameDefaultDescriptionunit XUNIF_TS_WATERnoneLake surface (water, ice or snow) temperature(K) XUNIF_T_SNOW273.15Surface temperature of Snow(K) XUNIF_T_ICEmin(273.15,XTS_WATER) Surface temperature at the ice-atmosphere or ice-snow interface (K) XUNIF_T_MNWdepends on XTS_WATERMean Water Column Temperature(K) XUNIF_T_BOTdepends on XTS_WATERWater Temperature at the bottom of the lake(K) XUNIF_T_B1depends on XTS_WATER Temperature at the bottom of the upper layer of the sediments (K) XUNIF_H_SNOW0.Snow layer thickness(m) XUNIF_H_ICE 0. or 0.01(if XTS_WATER<273.15) Ice layer Thickness(m) XUNIF_H_ML3Thickness of the water mixed layer(m) XUNIF_H_B10.3Thickness of the upper level of the active(m) CFILE_FLAKE CTYPE Le facteur de forme initial est calculé (notre choix …) Comment utiliser Flake dans SURFEX / MESONH / … Toulouse, 13 Oct 2009

9 Pour MODEL RUN: namelist NAM_FLAKEn Fortran nameValuesDefaultDescription LSEDIMENTS.TRUE: To use or not the bottom sediments scheme CFLAKE_SNOWNON FLAKE ISBA-ESFLAKE Name of the snow scheme to use over lakes LWATFLX.FALSE. Use WATER_FLUX to compute surface fluxes over water? Pour DIAG: namelist NAM_DIAG_FLAKEn Fortran nameDefaultDescription LWATER_PROFILE.FALSE: flag used to compute and write the water temperature at given depths into the output file XZWAT_PROFILEdepth of output levels (m) Comment utiliser Flake dans SURFEX / MESONH / … Toulouse, 13 Oct 2009

10 Les résultats de SURFEX_FLake et Flake seul coïncide, avec seulement quelques petites différences dues à des approximations numériques. Les tests on été fait pour différentes conditions initiales et différents paramètres, avec le même forçage atmosphérique, toujours pour des condition non gelée. Flake est correctement implémenté dans SURFEX Water surface temperature simulated by FLake alone (black) and inside SURFEX (red) for the period where the differences are greater Test 1. SURFEX_Flake versus Flake seule Toulouse, 13 Oct 2009

11 Test 2. 5 ans des simulations avec Flake off line StatistiquesT1mT5mT10mT15mT20m Bias-1.28-1.61-1.240.080.62 EAM – Absolute mean error1.401.751.510.961.04 RQEM – Root Mean square error1.732.182.051.231.40 IOA - index of agreement0.970.940.910.940.90 R^20.96 0.840.770.71 Correlation0.98 0.910.880.84 Station permanente sur une plateforme sur leau (depuis Juillet 2002) - INAG Toulouse, 13 Oct 2009

12 Alqueva: Campagne des mesures 10 Juillet – 5 Septembre 2007 Fluxes de chaleur avec an eddy correlation system Anémomètre sonique (metek) Hygromètre de krypton Rayonnement: Solaire (up and down) Infrarouge (up and down) Jeux de données: Forçage complet (56 jours): T2m, q2m, v2m, Rs, Ratm Données pour confrontation des résultats Tw_1m, Tw_15m, Tw_20m, Tw_profonde H (53 jours) LE (18 jours) Expériences: Flake (lac et fluxes) FLake_WFLX (fluxes calculated pour WATFLUX) WATFLX Test3. SURFEX_FLake versus WATFLUX et Observations Toulouse, 13 Oct 2009

13 TS_FLK_WFLX > TS_Obs Good correlation Bias de TS_FLK_WFLX > TS constant (for this period Ts_WATFLX ~ mean(Ts_obs) ) correlationBiasRMSE FLK_WFLX0.85 0.9 1.1 WATFLUX 0.00.21.2 Test2. Water Temperature Toulouse, 13 Oct 2009

14 StatisticsCorrelationBiasRMSE T_15m0.56-0.41.1 T_20m0.760.010.13 T_bot0.910.050.10 Good representation of deep temperature Bad representation of an late august episode of mixing layer deepening (3D process?) Test2. Water Temperature Toulouse, 13 Oct 2009

15 Sensible heat Flux (53 days in the mean computation) Simulated < Observed (night time and morning) Same pattern In the afternoon H is negative Maximum positive at 9 a.m. Impact of lake model is weak Note: Ts in TS_Cte ~ mean T HCorrelationBiasRMSE Surfex_flake0.87-6.218.4 TS_Cte0.80-6.519.8 Test2. Sensible Heat Flux Toulouse, 13 Oct 2009

16 Teste 2. Latent Heat Flux Latent heat flux (only 18 day – good days) (Less accurate data) Simulated << Observed Impact of the lake model is more visible and positive (late afternoon) Maximum of evaporation in the beginning of night (21 – 22 H) Flux Scheme of Flake accord better with the observations. HCorrelationBiasRMSE Surfex_flake0.62-47.81. TS_Cte0.42-61.113. Flake0.682.269. Toulouse, 13 Oct 2009

17 Simulation 3D configuration Simulation Period 16/July/2007, 30 hours, beginning at 18 TU Vertical levels 45 stretched levels; 1º at 10m up to 25 km Physical parameterizations: Explicit clouds and precipitation Kessler warm microphysical Boundary LayerTKE equation BL,1989 Convection Deep (model1) EDKF Shallow (all models) Data bases for surfaceEcoclimap, FAO, GTOPO30 RadiationECMWF radiative scheme Initial and forcing fieldsECMWF analysis (6 hours) Surface processes SURFEX with and without FLake On going Toulouse, 13 Oct 2009

18 Simulation 3D - Domains Avec grid-nesting (Two way) Toulouse, 13 Oct 2009

19 Simulation 3D: impact du model de lac sur les champ superficiel (nuit) Impact sur le Chaleur latent et sensible Impact sur la température de surface Impact sur la T2m et vent Toulouse, 13 Oct 2009

20 Conclusions Flake est disponible sur SURFEX Limplémentation a été testée pour des situations non gelées. Pour la période considérée, limpact de lutilisation du modèle sur les calculs de flux est très faible. Dans certaines situations critiques, très dépendantes de la température de la surface de leau, cela pourra être beaucoup plus important: Brouillard Gel / dégel Simulations 3D avec Meso-NH Pendant la nuit le impact est faible, mais visible. On going Toulouse, 13 Oct 2009