GROUPE DE PROJET MESONH
Compte-rendu de la réunion du 8 juillet 2005
Rédacteur C. Lac, CNRM

Présents : N.Asencio, JP.Chaboureau, M.Covre, D. Gazen, C. Lac, S. Malardel, C. Mari, P.Mascart, V. Masson, J.Payart, J.P. Pinty, E. Richard, P.Soares, P.Tulet.

1. Informations générales

Licences

Deux nouvelles licences ont été signées avec le LAMP et HIRLAM.

15ème Workshop ALADIN

S.Malardel et C.Lac ont participé au 15ème workshop ALADIN qui s’est tenu du 6 au 10 juin à Bratislava. ALARO, projet de développement d’un modèle opérationnel à résolution 5-6km par les pays ALADIN à l’horizon 2007, développe une physique différente de celle de AROME (Méso-NH) : turbulence, microphysique, convection profonde et rayonnement. Le projet AROME suscite par ailleurs un intérêt fort des pays ALADIN. Le 1er stage de formation AROME se tiendra en Roumanie du 21 au 25 novembre, et connaît un succès de participation. Enfin, l’équipe HIRLAM s’est dite très intéressée pour travailler sur la physique 1D de AROME. Cette collaboration devrait débuter par la venue de développeurs d’HIRLAM durant une semaine à l’automne 2005 afin d’échanger sur le modèle 1D d’AROME développé par S.Malardel.

AROME

AROME tourne depuis début juin quotidiennement sur le domaine Sud-Ouest, couplé à ALADIN opérationnel, à la résolution de 2.5km avec toute la physique (ICE3, TURB1D BL89, surface externalisée et rayonnement RRTM), et un pas de temps de 1 min. Cette première expérience montre une robustesse de la physique à ce pas de temps, car il n’y a pas de dégradation apparente. Aucune qualification statistique n’est mise en place pour le moment, mais le but est également d’apprécier la capacité d’AROME à détecter des phénomènes non vus par les modèles opérationnels. La revue de projet annuelle AROME s’est tenue le 30 juin au CNRM. Concernant la physique d’AROME, celui-ci conservera la physique de Méso-NH jusqu’en 2008 (mise en opérationnel), avec les avancées qui lui seront apportées d’ici là. Au delà de 2008, AROME choisira le meilleur rapport qualité/prix entre sa physique existante et celle d’ALARO. Par ailleurs, E.Brun répond favorablement à la demande de P.Mascart lors de la journée des Utilisateurs en proposant d’installer le logiciel OLIVE à l’IDRIS, permettant ainsi l’accès au 3D-VAR Aladin et à terme à l’assimilation de données sur AROME. Le LA se dit intéressé dans un premier temps par l’utilisation de la partie modèle de AROME, dans un avenir prochain mais pas immédiat. P.Mascart informe que le modèle ARPEGE version Climat tourne actuellement sur l’Idris, ce qui indiquerait une installation assez aisée de AROME. L’utilisation de la partie modèle d’AROME devra être précédée par la signature d’une convention entre Météo-France et le CNRS.

Stage utilisateurs

Le prochain stage se déroulera du 7 au 10 novembre 2005. Par rapport aux éditions précédentes, sa durée est allongée d’une demi-journée, permettant d’inclure un volet procédures Makefile, les outils Méso-NH et une présentation générale de Méso-NH-Chimie, son utilisation étant incluse dans la partie cas réel.

Méso-NH  et le label INSU de code communautaire

Depuis 1997, est organisée autour de Méso-NH une mission de service reconnue par l’INSU et visant à assurer la gestion et la mise à disposition du code ainsi que l’assistance à la communauté de ses utilisateurs. La CSOA de l’INSU est actuellement en train d’évaluer le fonctionnement de ce type de service pour voir s’il convient de les reconduire. Le nouveau label proposé sera celui de code communautaire. Il est vraisemblable qu’à l’occasion du nouveau dossier, il sera demandé à la communauté Méso-NH de mieux expliciter sa stratégie et son positionnement vis-à-vis d’AROME.

Runs Méso-NH sur CarboEurope

Des runs quotidiens Méso-NH ont été réalisés pour la campagne CarboEurope du 29 mai au 26 juin 2005, comme aide au dispositif expérimental, à partir de scripts mis à disposition par la DP : résolution horizontale 8km, initialisation par la prévision ALADIN J+1 (http://carboregional.mediasfrance.org/). Les premières évaluations montrent une bonne estimation de la hauteur de mélange lors des POI concernant des CL convectives. La variabilité horizontale importante de la CL qui a été observée, avec des hauteurs de mélange plus grandes sur La Cape Sud que sur Marmande du fait des flux de chaleur sensibles élevés, est bien reproduite par le modèle. Une évaluation plus poussée des résultats est en cours.

Evaluation de la maquette de Lannemezan

Méso-NH a tourné en mode application (prévision) pendant plusieurs mois sur Lannemezan (résolutions 12km/3km) et une évaluation a été effectuée sur le vent à partir des données radar (stage de M1 de A.L. Dhoms). Elle souligne : l’absence d’amélioration nette entre 12km et 3km; une meilleure qualité relative de ARPEGE que Méso-NH aux altitudes 2-4km, contre une meilleure qualité Méso-NH à haute altitude, quand le vent présente un jet d’ouest ou vient du nord. Enfin la configuration 2-way semble plus satisfaisante que la configuration 1-way.

2. Travaux scientifiques

Schéma EDMF de Pedro Soares

Dans Soares et al.(2004), P.Soares a étendu l’approche Eddy-Diffusivity-Mass-Flux (EDMF), jusqu’alors proposée dans la littérature pour la convection sèche, aux nuages peu profonds, et l’a implémenté dans Méso-NH (version masdev4_2). Le terme de diffusivité turbulente est donné par le schéma de turbulence de Méso-NH, et le terme de flux de masse est modélisé par un modèle simple d’entraînement, qui détermine les vitesses verticales des updrafts, la hauteur de la CL, du LCL et du sommet du nuage. Dans le nuage, le flux de masse est relié à la fraction nuageuse donnée par la condensation sous-maille, et les taux d’entraînement/détraînement sont fixés (réglés sur BOMEX). Dans la CBL sèche, le flux de masse agit comme un terme de contre-gradient, comme le montrent les résultats sur Nieuwstadt et al. (1992). Sur le cas ARM de convection peu profonde, le nouveau schéma améliore également les résultats (évaluations réalisées en masdev4_2, ne prenant pas en compte les améliorations du schéma de P.Bechtold apportées dans les versions suivantes). En terme de coût numérique, Soares et al.(2004) indiquait une diminution du coût de 30% par rapport à la convection peu profonde de KFB (version masdev4_2).

P.Soares, actuellement en visite au CNRM une semaine, a entrepris de phaser son schéma avec la masdev4_6, puis de valider les comparaisons sur les cas connus d’ici le mois de septembre. Il envisage ensuite de tester différentes améliorations possibles, comme une meilleure représentation du mélange latéral, d’autres formulations de la vitesse verticale de l’updraft.

Etude de nuages convectifs en CL homogène (fin de stage de F.Auguste)

Durant son stage de master, F.Auguste a repris le travail de J.Stein/J.Hidalgo sur les cas de cumulus non précipitants de BOMEX (cas quasi-stationnaire) et ARM (cycle diurne), en simulations LES et 1D. Si les résultats des simulations LES sont en accord avec les publications, les simulations 1D standard (avec turbulence, condensation sous-maille et CVPP) montrent des développements nuageux insuffisants. Une première amélioration a été apportée en calculant le flux de masse de la convection peu profonde à partir du w* provenant de la turbulence, la CL étant le lieu d’initiation de la convection. Dans les deux cas, le transport vertical est mieux représenté. Un second test a porté sur l’introduction d’une contribution convective au ?s, écart-type de l’écart à la saturation du schéma de condensation sous-maille, avec une formulation un peu différente de Bechtold et Chaboureau (2002), également fonction du flux de masse convectif. Cela améliore en partie la fraction nuageuse, le contenu en eau liquide et le développement vertical des nuages, mais insuffisamment notamment sur le cas ARM. Ces travaux seront poursuivis avec la thèse de Julien Pergaud, qui débute à l’automne.

Paramétrisation du Single Scattering Albedo (I.Sandu, P.Tulet)

Dans le schéma de rayonnement actuel de Méso-NH, l’absorption du rayonnement solaire par le nuage est calculée suivant la paramétrisation de Fouquart, qui calcule le Single Scattering Albedo (SSA) comme une fonction du rayon effectif des gouttes de nuage et du contenu en eau liquide, sans prendre en compte la composition chimique des gouttelettes. Les valeurs de co-albedo considérées équivalent à une concentration maximale de carbone suie, ce qui a pour effet de surestimer l’absorption SW quand la concentration de gouttelettes augmente, et de réduire artificiellement le contenu en eau liquide. Sur les simulations LES de Sc marins du cas FIRE d’EUROCS effectuées par I.Sandu, le découplage diurne de la couche nuageuse avec la couche de surface est de ce fait surestimé et intervient trop tôt dans la journée. I.Sandu et P.Tulet ont introduit la paramétrisation de Chuang et al.(2002), où le SSA dépend de l’indice de réfraction de la gouttelette de nuage (déterminé par la loi de mélange de Maxwell-Garnett), de sa taille, de la fraction de volume du carbone suie et de la longueur d’onde. Sans modèle d’aérosol, les types d’aérosol sont donnés par les climatologies globales de Tanré, qui considèrent 6 classes d’aérosol (continental, maritime, désert, urbain, stratosphérique et volcanique). Chacune des classes est décomposée en 5 types élémentaires d’aérosols (poussière, eau soluble, suie, sel marin et sulfates). Quand le schéma d’aérosol sera activé, il fournira le rayon et la composition chimique de l’aérosol. La fraction volumique de chacun des types d’aérosols dans la gouttelette est ensuite déduite.

Le test de cette nouvelle paramétrisation sur le cas d’EUROCS, à partir du schéma d’activation de C2R2 et de la climatologie des aérosols permet de diminuer le découplage diurne avec la surface, et ainsi d’augmenter le LWP et l’épaisseur du nuage durant la journée. Cette paramétrisation sera introduite dans le prochain cycle masdev4_7.

Module d’arrachement de poussières (A.Grini, P.Tulet)

Un module d’arrachement de poussière désertique a été introduit dans la surface externalisée et dans Méso-NH. L’activation du module se fait dans Méso-NH, en précisant le nombre de modes (de 1 à 3), dont la représentation en taille est de type log-normale, l’activation ou non de la dispersion, l’activation de la sédimentation et du lessivage. La poussière, dont l’émission est fonction de la vitesse de friction, du type de surface et du contenu en eau du sol, est produite par le modèle DEAD de ISBA, qui fournit à Méso-NH les moments de la distribution en taille (d’ordre 0, 3 et 6). Le transport est géré dans Méso-NH, avec les puits qui sont la sédimentation, où la vitesse de chute est proportionnelle à la taille de l’aérosol, et le lessivage dans les nuages convectifs, qui considère que les aérosols sont complètement solubles (de type HNO3). Les poussières interviennent alors dans le schéma de rayonnement de Méso-NH. Les propriétés optiques en SW sont calculées à partir du code de Mie SHDOM, utilisé en mode off-line, où les valeurs de facteurs d’asymétrie, de SSA et de coefficient d’extinction sont préalablement calculées en fonction de la longueur d’onde, du rayon moyen et du coefficient de dispersion des aérosols. Le traitement du LW n’est en revanche pas modifié par les poussières. P.Tulet montre, sur un cas de la campagne SHADE en septembre 2001 sur l’Afrique de l’Ouest, des changements significatifs des champs de rayonnement entre des aérosols traités climatologiquement (actuellement) ou de manière pronostique à partir du module de poussières. L’eau nuageuse intégrée est ainsi fortement modifiée, de manière réaliste, et donc les précipitations. E.Richard manifeste l’intérêt de tester ce module sur un cas de MAP, les observations d’aérosols par lidar ayant montré de fortes concentrations de poussières désertiques. En terme de coût numérique, 3 variables pronostiques sont associées à chaque mode dans le cas où la dispersion est activée, 2 dans le cas contraire. Ce module sera introduit dans le prochain cycle masdev4_7.

Chimie des aérosols (P.Tulet)

Au schéma d’arrachement de poussières, qui considère des aérosols chimiquement inertes, se superpose le modèle d’aérosol ORILAM dans Méso-NH-Chimie, qui sera également introduit dans le prochain cycle masdev4_7. La représentation en taille est également de type log-normale, et l’activation du modèle se fait à partir des namelists Méso-NH. Sont spécifiés le nombre de modes, la variabilité ou non de la dispersion, l’activation du lessivage et de la sédimentation, le type de paramétrisation pour la nucléation, le type d’équilibre thermodynamique (4 pour la fraction inorganique et 2 pour les organiques). Le schéma chimique peut être RACM/ReLACS pour les inorganiques seulement, et les nouveaux schémas CACM/ ReLACS2 pour les inorganiques et organiques. La surface externalisée reconnaît le passage à la chimie gazeuse et aux aérosols, et active ou non le dépôt sec (Wesely, 1989) et les émissions chimiques des aérosols. P.Tulet montre une application sur la POI2b d’Escompte, à partir des 2 modes d’Aitken et d’accumulation. Une augmentation du rayon moyen des aérosols est due à la présence de fortes émissions de sulfate.

Par ailleurs, en marge du modèle d’aérosols, P.Tulet et Y.Seity ont fourni un important travail d’introduction de la chimie de Méso-NH dans AROME, ce qui a nécessité une externalisation du code. Cela a également permis de déceler une erreur de vectorisation dans la routine ech_prodloss.f90, qui entraînait un surcoût numérique important sur VPP5000 (surcoût de l’ordre de 40% sur la chimie). J.Escobar et D.Gazen ont alors réécrit cette routine en plusieurs sous-routines. Au delà, les options de compilation actuelles de Méso-NH sur VPP, -Wv-Ma, ne sont pas satisfaisantes, et montrent des différences sur les résultats significatives lorsqu’elles ne sont pas activées. Ces différences avaient déjà été soulignées à la précédente réunion sur un cas de MAP, et il a été convenu que ces options seraient supprimées lors de la prochaine masdev4_6 bug3. P.Tulet fait également remarquer que l’option de compression de fichier LFIZ n’est pas adaptée aux moments des aérosols. La meilleure solution serait la possibilité de ne pas compresser certains champs, qui seraient spécifiés en namelist.

Enfin, P.Tulet rappelle que le schéma d’advection MPDATA actuel n’est pas satisfaisant sur la conservation des formes, et introduit des oscillations numériques gênantes. Une option de non-oscillation avait été proposée par Smolarkiewicz et Clark (1986) mais n’a pas été codée dans MPDATA. L’utilité de développer cette option pourra être revue dans le cadre du travail de T.Maric.

Amélioration de l’advection pour les scalaires

Tomislav Maric, étudiant de Dale Durran à l’Université de Washington, est accepté pendant 1 an sur un poste de visiteur scientifique du CNRM, à compter de début novembre 2005. Son travail portera sur l’amélioration des schémas d’advection des traceurs de Méso-NH pour les applications de chimie gazeuse/aérosols, comme cela avait été décidé à l’issue de la Réunion des utilisateurs de mars 2005. L’encadrement de Tomislav sera assuré par JP Pinty, avec un suivi de C.Lac. Plutôt que de se focaliser uniquement sur le semi-lagrangien, le plan de travail sera basé sur le développement d’une maquette 3D de différents schémas d’advection, permettant des tests en ligne. Il s’agira d’une part, d’implémenter un autre schéma eulérien, permettant d’accéder à des nombres de Courant plus élevés, tout en assurant les propriétés incontournables (conservation, monotonie, positivité), et d’autre part de développer l’advection verticale à partir du schéma semi-lagrangien 2D déjà développé au LA. JP Pinty fournira vers la mi-septembre un programme de travail à T.Maric.

3. Développements en cours 

Comparaisons nesting 1way/2way sur la POI2b de MAP

E.Richard montre des résultats significativement différents sur la POI2b de MAP, avec 3 modèles à résolution 18/6 (CVP paramétrée) et 2km (convection explicite), suivant que l’interaction entre les 2 derniers modèles est 1-way ou 2-way, avec des résultats meilleurs en 1-way. Parmi les raisons possibles envisagées, un problème pourrait survenir dans le modèle père quand le modèle fils à haute résolution contient des champs microphysiques non nuls : le modèle père, qui contient le terme de rappel 2-way du fils vers le père, aurait tendance à évaporer ou sublimer systématiquement ou de manière excessive les champs provenant du modèles fils, sur les colonnes colocalisées. Un test proposé par JP Pinty pourrait être de ne conserver le terme de rappel sur les variables microphysiques dans le modèle père que pour les champs microphysiques présents à la fois dans les 2 modèles sur les points colocalisés.

Tests sur les CLL

V.Masson montre une simulation grid-nesting posant des problèmes de bruit numérique sur le petit modèle aux limites latérales, sur la vitesse normale en flux entrant, pour une vitesse de phase (permettant l’évacuation des ondes sortantes dans l’équation de Carpenter) de 30m/s. Les problèmes disparaissent pour une vitesse de phase nulle. JP Lafore rappelle (hors réunion) que la vitesse de phase peut effectivement poser problème dans les basses couches quand il n’y pas de stratification verticale engendrant des ondes de gravité nécessitant leur évacuation. En revanche, cette vitesse de phase est nécessaire dans les niveaux supérieurs, et il faudrait dans ce cas envisager une variation de Cphase sur la verticale.

Autre test : Lors de l’initialisation, un décalage vertical est réalisé avant l’interpolation verticale sur les composantes horizontales du vent du fait de la différence entre les 2 reliefs. Ce décalage, justifié entre un modèle de grande échelle et la grille Méso-NH, peut induire des oscillations numériques, lorsqu’il est réalisé entre 2 modèles Méso-NH. V.Masson a mis en évidence des problèmes numériques dû à ce décalage sur un cas, non seulement sur les vitesses mais également sur les champs de température et d’humidité. Le bruit numérique disparaît après suppression de ce décalage. Cette modification, qui nécessite quelques tests supplémentaires, pourra être incluse dans le prochain masdev4_6 bug3.

Bugfix 2 de Masdev4_6 et Surfex

Les masdev4_6 bug2 et surfex0.6_bug2 sont sortis récemment avec une liste assez longue de corrections. Ces versions ont été testées sur un certain nombre de cas, et apportent maintenant une confiance satisfaisante dans la masdev4_6. La mise au point de ces bugfix a montré quelques difficultés de circulation d’information entre les développeurs du LA et du CNRM, avec un manque de diffusion des bugs trouvés. Une amélioration serait de fonctionner à partir du même gestionnaire de bugfix sous CVS. Dans ce but, une formation d’une ½ journée sur cet outil sera donnée en septembre par D.Gazen et J.Escobar à V.Masson, P.Tulet, J.Payart et C.Lac.

Cas tests

La liste de cas tests, disponible sur le web, a été allongée, avec le souci de considérer un grand nombre de configurations différentes. Ces cas tests ont été appliqués aux différentes versions de Méso-NH depuis la masdev4_3 jusqu’à la dernière masdev4_6_bug2, et un document sera disposé prochainement sur le site web, montrant les différences de résultats entre les versions sur l’ensemble des cas. Ces cas tests seront simulés systématiquement à chaque nouvelle bugfix et a fortiori à chaque changement de version, avant mise à disposition des nouveaux sources. Une information sur les différences sera diffusée à chaque nouvelle masdev.

4. Service aux utilisateurs

MésoNH tools

Le nombre d’utilisateurs des outils Méso-NH est croissant. Cela a permis de corriger quelques bugs. Une priorité est maintenant de les installer au CEPMMT.

5. Planification des travaux

Prochain cycle

Le prochain Masdev4_7 est envisagé vers novembre. Les nouveautés seront la paramétrisation du SSA, le module d’arrachement de poussières, le modèle d’aérosols, le schéma de CVPP de P.Soares et le schéma microphysique de Khairoudinov-Kogan (avec sédimentation des gouttelettes). Il faudrait également pouvoir intégrer les améliorations de la diffusion horizontale développées par G.Zängl, ainsi que les coordonnées Sleve.

Il est également souhaité que ce cycle intègre un « nettoyage » du code : suppression d’options n’ayant jamais été développées, allègement des listings de retour, modification de certaines valeurs par défaut des namelists… Dans le but d’offrir la meilleure satisfaction, une liste des mesures de « nettoyage » sera diffusée en septembre aux principaux développeurs afin d’être discutée et complétée. Enfin, ce cycle intègrera la suppression des $n.

La prochaine réunion du groupe de projet aura lieu le ? au CNRM.