SURFEXSURFEX

1. Genèse

2. Algorithme de Surfex

3. Interface avec l’atmosphère

4. Couplage avec l’atmosphère

Patrick Le Moigne, CNRM/GMME/MC2

GenèseGenèse

Développement d’un nouveau modèle atmosphérique AROME (depuis 2001) utilisant le chœur dynamique d’Aladin et la physique de Meso-NH, devant être opérationnel en 2008.

D’où la nécessité d’externaliser la surface de Meso-NH afin de la rendre disponible pour AROME.

Création de l’ensemble SURFEX (SURFace EXternalisée) capitalisant ainsi tous les travaux réalisés sur la surface au CNRM depuis de nombreuses années.

Chaque unité de surface est composite

Ftown Fnature Fsea Fwater

ftown fnature fsea fwater

Fsurface

F1

f1

Fnature

F2

f2

F12

f12…

Découpage de la végétation

4 tiles

Lake

Town

Sea / ocean

Soil and Vegetation

Prescribed temperature

TEB: Town Energy Balance (Masson 2000)

Prescribed temperature

ISBA: Interface Soil Biosphere Atmosphere (Noilhan-Planton 1989, Noilhan-Mahfouf 1996)

Modèles utilisés

Principe généralPrincipe général

Algorithme de SurfexAlgorithme de Surfex

Initialisation des champs physiographiques

Initialisation des variables prognostiques

Appel des paramétrisations physiques

Calcul de diagnostiques

Écritures dans les fichiers de sortie

Initialisation des champs physiographiques Algorithme de SurfexAlgorithme de Surfex

Climate map Land cover maps NDVI profiles

Texture: FAO

X j , f j

X j 1 , f j 1

Agrégation

Koeppe et de Lond 1958 1km: 16 classes

University of Maryland 1km: 15 classes

Corine land cover « 250m »: 44 cl.

215 écosystèmes

sur le globe

BASE DE DONNEES DES PARAMETRES DE SURFACE

Initialisation des variables pronostiques Algorithme de SurfexAlgorithme de Surfex

A partir de ECMWF, ARPEGE, ALADIN, MESONH, AROME, MOCAGE

Mer/océan:

SST

Lac:

température du lac

Nature:

profils de température

profil d’eau liquide et glace

contenu en eau du réservoir d’interception

caractéristiques du schéma de neige

Ville:

température des toits, routes et murs

réservoirs d’eau et de neige

Appel des paramétrisations physiques Algorithme de SurfexAlgorithme de Surfex

ISBA:Soil options: Force restore, 2 layers , temp, water, ice

Force restore, 3 layers , temp, water, iceDiffusion, N layers , temp, water, ice

Vegetation options:Noilhan and Planton 89 (~Jarvis)AGS (photsynthesis and CO2 exchanges)AGS and interactive vegetation

Hydrology options:no subgrid processsubgrid runoff, subgrid drainage

Snow options:Douville 95 (1 layer, varying albedo, varying density )Boone and Etchevers 2000 (3 layers, albedo, density, liquid water in snow pack)

TEB:Approche de type canyon: 1 toit, 1 route et 1 murLAC:Implémentation d’un modèle de lac: Flake (GMME/MC2)

MER/OCEAN:Développement d’un modèle 1d de CMO (GMME/MICADO)

Interface avec l’atmosphèreInterface avec l’atmosphère

1atmosphère

surface

interface

Normalisation des échanges entre l’atmosphère et la surface:

ALMA (Assistance for Land-Surface Modelling Activities)

ALMA dans SURFEXALMA dans SURFEXhttp://www.lmd.jussieu.fr/~polcher/ALMA/convention_2.htmlhttp://www.lmd.jussieu.fr/~polcher/ALMA/convention_2.html

Le forçage atmosphérique

LacVilleMerNature

Méso-NH AROME Arpège / Aladin

SURFACE

Quantités échangées à chaque pas de temps du modèle entre la surface et l’atmosphère:

Forçage atmosphérique flux radiatifs coefficients A et B pour les variables d’état

albédo spectral direct albédo spectral diffus émissivité température radiative

flux de quantité de mvt flux de chaleur flux de vapeur d'eau flux de CO2 flux chimiques

Ces quantités servent de conditions à la limite pour le schéma de rayonnement et la turbulence.

Principe de l’interfacePrincipe de l’interface

atmosphère

coupling_surf_atmn

coupling_naturencoupling_sean coupling_townncoupling_inland_watern

Flux radiatifsPosition du soleilForçage atm.pluie, neige coef. A et B

Albedo, Emissivité,Température radiative

Flux de quantité de mvtFlux de chaleurFlux de vapeur d’eauFlux de CO2Flux chimiques

Physique: lacs Physique: mer Physique: nature Physique: ville

coupling_surf_atmn

Distribution sur les tilesDistribution sur les tiles

coupling_naturen

coupling_sean

coupling_townn

coupling_inland_watern

Traitement:

tiles

Couplage avec l’atmosphèreCouplage avec l’atmosphère

♦ lors d’un couplage explicite, les conditions atmosphériques anciennes servent pour calculer les nouvelles variables de surface: l’hypothèse étant une faible variation du forçage atmosphérique dans le pas de temps

=> bien adapté aux courts pas de temps

♦ lors d’un couplage implicite, les conditions atmosphériques nouvelles servent pour calculer les nouvelles variables de surface:

=> pas de temps plus longs => schéma plus stable

RADIATION

TURBULENCE

CONVECTION

SURFACE

MICRO PHYSICS

AROME

ADJUSTMENT

TURBULENCE 2

TURBULENCE 1

SURFACE

ARPEGE / ALADIN

A and B coefficients for T, q, u and v

SURFEX

T, q, u, v, P, Sw, Lw, rain, snow

Momentum, Heat, Water vapour fluxesalbedo, emissivity and radiative temperature

Appel de la surface dans le Appel de la surface dans le modèle atmosphériquemodèle atmosphérique

Couplage explicite Couplage implicite

Couplage avec l’atmosphèreCouplage avec l’atmosphère

FX,i

FX,i-1

Xi

δi

Xi+1

Diffusion verticale turbulente

&

Xi : variable d’état u,v,θ,q

FX,i : flux de X entre les niveaux i et i+1

Xi-1

Δi

Expression du flux

Système tridiagonal

N

1

N-1

atm

osph

ere

surf

ace

Neuman closure

Surface Tsfluxes for momentum, heat, water vapour

Solve vertical profiles of atmospheric quantities

N

1I

II

III

Diffusion verticale et fermeture de Neuman