high-tune

Organisation

florence favot — 2016-12-15T16:00:20Z

Organisation du projet :

Le projet est structuré en 4 tâches qui concernent chacune au moins 2 partenaires.

La tâche 1 est dédiée à l'animation et la coordination du projet ainsi qu'à la valorisation et la dissémination des résultats.

La tache 2 se concentre sur le développement et l'application d'une stratégie de tuning automatique appliquée à l'échelle des processus. Cette stratégie vise à déterminer les valeurs de différents paramètres libres qui interviennent dans les différentes paramétrisations utilisées pour la représentation des nuages de couche limite. Elle sera appliquée à la comparaison des simulations en mode unicolonne versus les simulations explicites (LES). Au-delà de la détermination de la valeur de ces paramètres, cet outil fournira une documentation du comportement des paramétrisations et on espère démontrer à travers ce projet l'utilité d'un tel outil dans le développement des paramétrisations.

La tache 3 se focalisation sur la quantification des effets radiatifs des nuages. Il s'agira essentiellement d'appliquer un code radiatif élaboré basé sur des algorithmes de Monte-Carlo 3D à des scènes nuageuses issues des simulations explicites. En plus des calculs radiatifs, ce code permet de déterminer la sensibilité des résultats aux paramètres d'entrée. De plus, ces calculs fourniront des références pour l'effet radiatif 3D des nuages de couche limite, ce qui n'existe actuellement pas, et pourra être utilisée comme une métrique dans l'outil de tuning automatique. Ils permettront également d'explorer et de valider différentes hypothèses réalisées dans les paramétrisations du rayonnement dans les modèles globaux (recouvrement des nuages, prise en compte des hétérogénéités sous-maille des nuages, influence de l'angle solaire…).

La dernière tache proposera des nouveaux développements des paramétrisations des nuages de couche limite en se focalisant sur les aspects dynamique de couche limite, caractéristiques des nuages et leurs effets radiatifs. Elle repose fortement sur les outils développés dans les deux précédentes taches puisque l'outil de tuning automatique fournira les gammes de valeurs acceptables pour les paramètres libres et identifiera les paramètres les plus incertains et le deuxième outil fournira des références pour l'effet radiatif 3D De ces nuages. Il s'agira aussi de revisiter certaines paramétrisations pour (i) représenter les intrusions d'air sec qui sont des éléments clés du transport de vapeur d'eau, (ii) mieux représenter les hétérogénéités sous-maille verticale et horizontale des nuages, les questions de recouvrement des nuages et la sensibilité à l'angle solaire. Les paramétrisations améliorées seront systématiquement testées dans des configurations 3D des deux modèles de climat de l'IPSL et du CNRM via des comparaisons aux observations in-situ et satellite à la fois par une comparaison jour à jour en utilisant des simulations nudgés ou Transpos'AMPI mais aussi statistiquement dans des simulations climatiques.

document scientifique du projet :

Partenaires

florence favot — 2016-12-15T15:44:03Z

Partenaires impliqués :

Pour atteindre ses objectifs, le projet réunit des mathématiciens, des experts du rayonnement, des spécialistes de la modélisation de l'atmosphère et du climat. Les collaborations entre les différents partenaires sont déjà existantes. L'IPSL/LMD et le CNRM travaillent ensemble depuis plus de 10 ans et cette collaboration fructueuse a déjà résulté en (i) plusieurs développements des paramétrisations de couche limite des modèles français et notamment la proposition d'un nouveau paradigme pour la représentation des couches limites convectives et (ii) de nouvelles méthodologies permettant d'évaluer les paramétrisations basées sur la comparaison de simulations uni-colonne versus des simulations à haute résolution (LES). Le projet reponse fortement sur ces travaux pionniers. Le lien entre le LMD et le LAPLACE est aussi bien établi et a résulté en particulier sur des développements de codes radiatifs pour les atmosphères des planètes Mars et Venus. Le lien avec Daniel Williamson de l'Université d'Exeter (un scientifique rattaché au LMD) existe depuis un atelier international sur le tuning qui a eu lieu en 2014 et HIGH-TUNE va permettre de renforcer l'effort international autour de cette question du tuning des modèles.

CNRM :Centre National de Recherches Météorologiques, Toulouse, UMR 3589
Le Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM) à Toulouse est une unité mixte de recherche CNRS et Météo-France. Il est reconnu pour son expertise sur la modélisation de l'atmosphère en terme de prévision numérique du temps et de prévision climatique mais aussi pour la compréhension des processus physiques et leur représentation dans les modèles via des paramétrisations. Le modèle de recherche Méso-NH, développé conjointement par le CNRM et le Laboratoire d'Aérologie, est largement utilisé pour les études de processus à méso-échelle mais également pour les simulations explicites (Large Eddy Simulations, LES) de couche limite et des nuages associés. Le CNRM est aussi en charge du développement d'une suite de modèles de différentes échelles (AROME et ARPEGE) utilisé pour les prévisions opérationnels du temps et les prédictions climatiques.

LMD : Laboratoire de Météorologie Dynamique, Paris, UMR 8539
Le Laboratoire de Météorologie Dynamique (CNRS/IPSL/UPMC/X/ENS) est un laboratoire reconnu sur la théorie, les observations et la modélisation numérique de la dynamique et la physique de l'atmosphère. Il a également une expertise sur le rayonnement atmosphérique à partir de télédétection et de modélisation numérique pour le système Terre et l'atmosphère d'autres planètes. L'équipe impliquée dans ce projet est hébergée par l'Université Pierre et Marie Curie (UPMC). Elle est en charge du développement du modèle de circulation générale, LMDZ qui est la composante atmosphérique du modèle couplé océan-atmosphère de l'Institut Pierre Simon Laplace (IPSL). Elle a également réalisé de nombreux développements de paramétrisations physiques concernant les processus de couche limite, la convection ou les nuages et leur rôle dans l'incertitude des projections climatiques.

LAPLACE : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie, Toulouse, UMR 5213
Le Laboratoire PLAsma and Conversion d'Energie (UMR5213/UPS/INP) réunit 160 chercheurs permanents dans le domaine de l'étude des plasmas et des sciences de l'ingénieur en électricité. Au sein du LAPLACE l'équipe GREPHE (Groupe de Recherche Energétique, Plasma et Hors-Equilibre) se trouve à l'interface entre les sciences de l'ingénieur et la physique fondamentale, mais les questions technologiques y sont également abordées. La pluplart des systèmes physiques qui sont étudiés sont hors-équilibre. La modélisation est une part essentielle des activités de cette équipe et le groupe a développé une expertise sur la modélisation des plasmas hors-équilibre (pour une large variété d'applications) et du transfert radiatif.

Description

florence favot — 2016-12-15T15:31:07Z

Description du projet :

Les nuages de couche limite couvrent une large fraction de la surface terrestre, présentent un fort effet refroidissant et sont donc des éléments clés du système climatique. Ils contrôlent les bilans d'eau et d'énergie de l'atmosphère et affectent la température de la surface à différentes échelles. Ces nuages sont pourtant souvent d'échelle inférieure à l'échelle d'une maille d'un modèle de prévision numérique du temps ou d'un modèle de climat et sont donc représentés par des paramétrisations. Celles-ci consistent en une suite d'équations qui cherche à représenter les effets moyens sur
les champs résolus par le modèle. La nature approximative de ces paramétrisations et les différentes approches utilisées pour déterminer les valeurs des paramètres libres présents dans les paramétrisations sont responsables de biais persistants des modèles globaux et expliquent une grande partie de la dispersion des prévisions climatiques. D'importants progrès ont été réalisés cette dernière décennie notamment via la comparaison de simulations uni-colonne des modèles
globaux (SCM) avec des simulations 3D haute-résolution (LES) pour la même scène de nuages.
L'objectif principal du projet HIGH-TUNE est d'améliorer la représentation des nuages de couche limite en se focalisant sur la dynamique de couche limite et leur impact radiatif. Pour cela, il exploitera largement la comparaison SCM/LES et s'appuiera sur deux développements méthodologiques effectués dans d'autres domaines : i/ l'estimation de l'effet radiatif
de ces nuages en utilisant un algorithme de Monte-Carlo appliqué aux sorties de LES et qui servira de référence pour l'évaluation et le tuning des paramétrisations et ii/ l'utilisation d'outils statistiques pour le développement d'une stratégie de tuning automatique qui seront appliqués à la comparaison SCM/LES. La combinaison de ces deux outils nous permettra (i) de réaliser le tuning énergétique des modèles sur la base d'études de processus et de proposer des valeurs de paramètres pour le tuning final des modèles globaux et (ii) d'améliorer la représentation des nuages et de déterminer en
quoi elle dépend de la dynamique de couche limite et des approximations radiatives. Pour atteindre ces objectifs sont associés, dans ce projet, des statisticiens, des experts du rayonnement, de modélisateurs du climat et de l'atmosphère, des spécialistes des processus atmosphériques. En plus de la détermination des gammes acceptables de valeurs pour les paramètres libres, le tuning automatique et les métriques radiatives fourniront une documentation approfondie du comportement des paramétrisations dans différents régimes nuageux. Cet outil sera utilisé pour revisiter
les paramétrisations existantes et proposer de nouveaux développements tels : (i)l'introduction d'intrusions d'air sec, éléments clés du transport de vapeur d'eau et (ii) l'amélioration de la représentation sous-maille des hétérogénéités nuageuses, de l'impact de l'angle solaire et la revisite des hypothèses de recouvrement et (iii) l'amélioration des hypothèses concernant les propriétés optiques des nuages et la microphysique. Ces paramétrisations modifiées seront systématiquement testées en 3D et comparées à des observations in-situ et satellites.

Les principales retombées de ce projet sont (i) une première démonstration d'une stratégie de tuning à l'échelle des processus, avec comme métrique centrale, l'effet radiatif des nuages, (ii) la mise à disposition d'un code efficace pour les calculs radiatifs de scènes nuageuses 3D issues de LES et (iii) une amélioration de la représentation de ces nuages pour les modèles opérationnels et de climat via l'amélioration des paramétrisations et un meilleur tuning.

document scientifique du projet :