L'impact de la représentation de l'évolution de la température de l'eau dans les circulations...

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

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


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 constanteThermocline – “forme assume” Calcule:Évolution du profil thermiqueFlux superficiel d'énergie et de vapeur d'eau


CT=0.8

CT=0.8

CT=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

Ct Facteur de forme - thermocline

Principaux paramètres: Albedo e émissivités Coefficient d’extinction

rayonnement solaire dans l’eau

Profondeur du lac


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

I(h)QI+Qcρ

=dt

dθh hss

ww

s 1

I(D)QI+Qcρ

=dt

θdD bss

ww1

FLake: description


Le code original de FLake a été retenu (http://nwpi.krc.karelia.ru/flake/). Le code n’es 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


Pour utiliser Flake:

CWATER = 'FLAKE ' in the namelist:

NAMELIST/NAM_PGD_SCHEMES/CNATURE, CSEA, CTOWN, CWATER Pour PREP_PGD: namelist NAM_DATA_FLAKE

Fortran name Default Description unit

XUNIF_WATER_DEPTH 20. Lake Depth (m)

YWATER_DEPTH none filename

YWATER_DEPTHFILETYPE none

XUNIF_WATER_FETCH 1000 Typical Wind Fetch over Water (m)

YWATER_FETCH none filename

YWATER_FETCHFILETYPE none

XUNIF_T_BS 286 Temperature at the outer edge of the thermally active layer of the bottom sediments (K)

YT_BS none filename

YT_BSFILETYPE none

XUNIF_DEPTH_BS 1 Depth of the sediments layer (m)

YDEPTH_BS none filename

YDEPTH_BSFILETYPE none

XUNIF_EXTCOEF_WATER 3 Extinction coefficient of solar radiation in water (m-1)

YEXTCOEF_WATER none filenameYEXTCOEF_WATERFILETYPE none

Comment utiliser Flake dans SURFEX / MESONH / …


Pour PREP_REAL: namelist NAM_PREP_FLAKE

Fortran name Default Description unit

XUNIF_TS_WATER none Lake surface (water, ice or snow) temperature (K)

XUNIF_T_SNOW 273.15 Surface temperature of Snow (K)

XUNIF_T_ICE min(273.15,XTS_WATER) Surface temperature at the ice-atmosphere or ice-snow interface (K)

XUNIF_T_MNW depends on XTS_WATER Mean Water Column Temperature (K)

XUNIF_T_BOT depends on XTS_WATER Water Temperature at the bottom of the lake (K)

XUNIF_T_B1 depends on XTS_WATER Temperature at the bottom of the upper layer of the sediments (K)

XUNIF_H_SNOW 0. Snow layer thickness (m)

XUNIF_H_ICE 0. or 0.01(if XTS_WATER<273.15) Ice layer Thickness (m)

XUNIF_H_ML 3 Thickness of the water mixed layer (m)

XUNIF_H_B1 0.3 Thickness of the upper level of the active (m)

CFILE_FLAKE

CTYPE

Le facteur de forme initial est calculé (notre choix …)



Pour MODEL RUN: namelist NAM_FLAKEn

Fortran name Values Default Description

LSEDIMENTS .TRUE: To use or not the bottom sediments scheme

CFLAKE_SNOW “NON” FLAKE” “ISBA-ES” “FLAKE” 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 name Default Description

LWATER_PROFILE .FALSE: flag used to compute and write the water temperature at given depths into the output file

XZWAT_PROFILE depth of output levels (m)



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


Test 2. 5 ans des simulations avec Flake off line

Statistiques T1m T5m T10m T15m T20m

Bias -1.28 -1.61 -1.24 0.08 0.62

EAM – Absolute mean error 1.40 1.75 1.51 0.96 1.04

RQEM – Root Mean square error 1.73 2.18 2.05 1.23 1.40

IOA - index of agreement 0.97 0.94 0.91 0.94 0.90

R^2 0.96 0.96 0.84 0.77 0.71

Correlation 0.98 0.98 0.91 0.88 0.84

Station permanente sur une plateforme sur l’eau (depuis Juillet 2002) - INAG


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


TS_FLK_WFLX > TS_Obs Good correlation Bias de TS_FLK_WFLX > TS

constant (for this period Ts_WATFLX ~ mean(Ts_obs) )

correlation

Bias RMSE

FLK_WFLX 0.85 0.9 1.1

WATFLUX 0.0 0.2 1.2

Test2. Water Temperature


Statistics

Correlation

Bias RMSE

T_15m 0.56 -0.4 1.1

T_20m 0.76 0.01 0.13

T_bot 0.91 0.05 0.10

Good representation of deep temperature

Bad representation of an late august episode of mixing layer deepening (3D process?)

Test2. Water Temperature


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

H Correlation

Bias RMSE

Surfex_flake

0.87 -6.2 18.4

TS_Cte 0.80 -6.5 19.8

Test2. Sensible Heat Flux


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.

H Correlation

Bias RMSE

Surfex_flake

0.62 -47. 81.

TS_Cte 0.42 -61. 113.

Flake 0.68 2.2 69.


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 Layer TKE equation BL,1989

Convection Deep (model1)EDKF Shallow (all models)

Data bases for surface Ecoclimap, FAO, GTOPO30

Radiation ECMWF radiative scheme

Initial and forcing fields ECMWF analysis (6 hours)

Surface processes SURFEX with and without FLake

On going


Simulation 3D - Domains

Avec grid-nesting(Two way)


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


Conclusions

Flake est disponible sur SURFEXL’implémentation a été testée pour des situations non gelées.

Pour la période considérée, l’impact de l’utilisation du modèle sur les calculs de flux est très faible.

Dans certaines situations critiques, très dépendantes de la température de la surface de l’eau, cela pourra être beaucoup plus important:BrouillardGel / dégel

Simulations 3D avec Meso-NHPendant la nuit le impact est faible, mais visible.On going


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