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  • Paramétrisation dans la zone grise de la turbulence Rachel Honnert

    Météo-France,CNRM-GAME

    21 janvier 2016

  • Modèles atmosphèriques dans la zone grise

    On sait ce qu’on doit obtenir.

    Turbulence 3D principalement

    résolue

    ZONE GRISE résolution proche de

    l’échelle d’injection de

    l’énergie

    Wyngaard (2004)

    Turbulence 1D entièrement sous-maille

    LES Méso-échelle

    ∆x (m)10 100 200 500 1000 2000

    1,3 km 10 km

    ARPEGE ALADIN

    AROME

    Augmentation des moyens de calcul

    SESAR

    But : Modifier le schéma de turbulence de façon à obtenir cette décroissance.

  • Modèles atmosphèriques dans la zone grise

    On sait ce qu’on doit obtenir.

    Turbulence 3D principalement

    résolue

    Honnert et al. (2011)

    Turbulence 1D entièrement sous-maille

    But : Modifier le schéma de turbulence de façon à obtenir cette décroissance.

  • Schéma de turbulence dans Méso-NH et AROME

    w ′φ′ = −K (∂φ∂z ) + Mu ρ (φu − φ)

    Turbulence Convection

    peu-profonde

    Thermiques I EDMF (Eddy-Diffusivity/Masse-Flux) :

    Siebesma et Texeira (2000), Hourdin et al (2002), Soares et al (2004)

    I CBR : Schéma en K-gradient (Cuxart et al (2000))

    I PM09 (ex : EDKF) : Schéma en flux de masse (Pergaud et al (2009))

    I Updraft débute en surface => Thermiques de CLC.

  • Modèles atmosphèriques dans la zone grise

    Turbulence principalement

    résolue ZONE GRISE Turbulence

    sous-maille

    LES Méso-échelle

    ∆x (m)10 100 200 500 1000 2000

    Modification du flux de masse

    Honnert et al. (2016)

  • Modèles atmosphèriques dans la zone grise

    Turbulence isotrope (3D) ZONE GRISE

    Mouvements verticaux (1D)

    LES Méso-échelle

    ∆x (m)10 100 200 500 1000 2000

    Modification du flux de masse

    I CL non convective ?

    I Petite échelle ? I Mouvements

    horizontaux ? I K-gradient !

  • Introduction Longueurs de mélange Neutre Convectif θs Conclusions

    Passage du 1D au 3D en PNT à Météo France

    I Pour < 500 m : il faut passer au 3D (Honnert (2014)). I Dans la zone grise, la turbulence n’est pas isotrope.

    I Problème dans AROME : pas de schéma 3D (turbulence) I Problème dans MésoNH : qu’une turbulence isotropique I Dans la partie K-gradient→ Longueurs de mélange.

    Du 1D au 3D | Rachel Honnert 4

  • Introduction Longueurs de mélange Neutre Convectif θs Conclusions

    K-gradient et longueur de mélange

     u′v′ = −Ku,v

    ( ∂u ∂y +

    ∂v ∂x

    ) u′w′ = −Ku,w

    ( ∂u ∂z +

    ∂w ∂x

    ) v′w′ = −Kv ,w

    ( ∂v ∂z +

    ∂w ∂y

    ) 

    Ku,v = −CLu,v √

    e Ku,w = −CLu,w

    √ e

    Kv,w = −CLv ,w √

    e

    I CL Neutre (CASES-99, Drobinski (2006)) et de CLC IHOP2002 (Weckwerth (2002))

    I Calcul les flux et les gradients par coarse-graining → eddy-diffusivity et les longueurs de mélange verticale et horizontale à toutes échelles.

    Du 1D au 3D | Rachel Honnert 5

  • Introduction Longueurs de mélange Neutre Convectif θs Conclusions

    K-gradient et longueur de mélange

     u′v′ = −Ku,v

    ( ∂u ∂y +

    ∂v ∂x

    ) u′w′ = −Ku,w

    ( ∂u ∂z +

    ∂w ∂x

    ) v′w′ = −Kv ,w

    ( ∂v ∂z +

    ∂w ∂y

    ) 

    Ku,v = −CLu,v √

    e Ku,w = −CLu,w

    √ e

    Kv,w = −CLv ,w √

    e

    I CL Neutre (CASES-99, Drobinski (2006)) et de CLC IHOP2002 (Weckwerth (2002))

    I Calcul les flux et les gradients par coarse-graining → eddy-diffusivity et les longueurs de mélange verticale et horizontale à toutes échelles.

    Du 1D au 3D | Rachel Honnert 5

  • Introduction Longueurs de mélange Neutre Convectif θs Conclusions

    Résultats pour une CL Neutre

    FIGURE : Profils verticaux des longeurs de mélange dans la zone grise.

    Luw

    0 10 20 30 40 50 60

    0 2 0 0

    4 0 0

    6 0 0

    8 0 0

    Luw

    a lt it u d e (

    m )

    6.25 m

    12.5 m

    25 m

    50 m

    100 m

    200 m

    Lvw

    0 10 20 30 40 50 60

    0 2 0 0

    4 0 0

    6 0 0

    8 0 0

    Lvw

    a lt it u d e (

    m )

    6.25 m

    12.5 m

    25 m

    50 m

    100 m

    200 m

    Luv

    0 10 20 30 40 50 60

    0 2 0 0

    4 0 0

    6 0 0

    8 0 0

    Luv

    a lt it u d e (

    m )

    6.25 m

    12.5 m

    25 m

    50 m

    100 m

    200 m

    I Même ordre de grandeur à z>100 m à ∆x =6,25 m I L augmente avec ∆x I Luv différents en surface

    Du 1D au 3D | Rachel Honnert 6

  • Comparaison avec les longueurs de mélange en PNT

    I lDEAR = (∆x∆y∆z) 1 3 : Turbulence isotrope.

    I Kitamura (2015) longueurs de mélange établient en CLC dans un schéma de Deardorff.

    12.5 25.0 50.0 100.0 200.0 400.0 800.0 ∆x (m)

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    l( m

    )

    Deardorff Kitamura u vertical Reference u vertical Kitamura u horizontal Reference u horizontal

    FIGURE : Longueur de mélange verticale et horizontale de référence, Deardorff et Kitamura à 400 m d’altitude en fonction de la résolution dans CASES-99.Stage de Xavier Lamboley

  • Introduction Longueurs de mélange Neutre Convectif θs Conclusions

    En couche limite convective ...

    I LES coarse graining : Ito et al. (2014) → Mellor and Yamada , Kitamura (2015)→ système de Deardorff en CL convective sèche

    I Qu’en est-il du schéma dans Méso-NH et Arome ?

    I IHOP : CL convective sans nuage mais avec humidité q

    Du 1D au 3D | Rachel Honnert 8

  • Introduction Longueurs de mélange Neutre Convectif θs Conclusions

    Estimation de K en CLC

    u′iφ ′ = −Kui ,φ( ∂φ∂xi )

    + δi3 Mu ρ (φu − φe)

    K-gradient Flux de Masse

    Kui ,φ = (δi3 Mu ρ

    (φu − φe)− u′iφ′)/( ∂φ

    ∂z )

    I Estimation de Mu, φu et φe par analyse conditionelle (Honnert et al. (2016))

    Du 1D au 3D | Rachel Honnert 9

  • Flux de masse de IHOP

    250 m

    500 m

    1000 m

    2000 m

    8000 m

    16000 m

    A lt it u d e (z h )

    Mass Flux (m.s−1)

    0.0

    0.5

    1.0

    1.5

    0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

    FIGURE : Flux de masse calculé par analyse conditionnelle.

  • Comparaison avec les longueurs de mélanges en PNT

    I lDEAR : Turbulence isotrope. I Kitamura (2015) I Bougeault et Laccarère (1989)

    125.0 250.0 500.0 1000.0 2000.0 4000.0 8000.0 ∆x (m)

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    l z (m

    )

    BL Deardorff Kitamura q Reference q Kitamura u Reference u

    FIGURE : Longueurs de mélange de référence, Deardorff, BL89 et Kitamura à 400 m d’altitude en fonction de la résolution dans IHOP.Stage de Xavier Lamboley

  • Introduction Longueurs de mélange Neutre Convectif θs Conclusions

    Température potentielle d’entropie humide

    I Étude de θs, température potentielle d’entropie humide.

    θs ' θ exp (Λ q) ,

    with Λ = Λr − γ log (

    q ( 0.0124 (1− q) )

    ) Marquet (2011), Marquet (2015)

    w ′θ′s = θs θ

    w ′θ′ + θs

    ( Λ− γ

    1− q

    ) w ′q′ .

    Du 1D au 3D | Rachel Honnert 12

  • Introduction Longueurs de mélange Neutre Convectif θs Conclusions

    Température potentielle d’entropie humide

    θ

    303.0 303.5 304.0 304.5 305.0 305.5 306.0 306.5 ✓ (K)

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    1400

    z (m

    ) θs

    314 315 316 317 318 319 320 321 ✓s (K)

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    1400

    z (m

    )

    Du 1D au 3D | Rachel Honnert 12

  • Nombre de Lewis

    Les = Kθs,z Kq,z

    Le

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 Le

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    1400

    z (m

    )

    125 m 250 m 500 m 1000 m 2000 m 4000 m 8000 m

    Les

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Les

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    1400

    z (m

    )

    FIGURE : Nombre de Lewis et Les. IHOP dans la zone grise.Xavier Lamboley

  • Introduction Longueurs de mélange Neutre Convectif θs Conclusions

    Conclusions et perspectives

    Turbulence 3D Principalement

    résolue Zone Grise Turbulence 1D et

    sous-maille

    LES Méso-échelle

    ∆x (m)10 100 200 500 1000 2000

    1.3 km

    AROMESESARMéso-NH Méso-NH

    Du 1D au 3D | Rachel Honnert 14

  • Introduction Longueurs de mélange Neutre Convectif θs Conclusions

    Conclusions et per