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Couplage océan-atmosphère : l’état de l’art en climatologie et les progrès futurs. Olivier Marti IPSL / LSCE Journées Scientifiques LEFE/GMMC 2017 20, 21, 22 juin 2017

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Page 1: Couplage océan-atmosphère : l’état de l’art en ...€¦ · Couplage océan-atmosphère : l’état de l’art en climatologie et les progrès futurs. Olivier Marti IPSL / LSCE

Couplage océan-atmosphère : l’état de

l’art en climatologie et les progrès

futurs.

Olivier Marti

IPSL / LSCE

Journées Scientifiques LEFE/GMMC 2017 20, 21, 22 juin 2017

Page 2: Couplage océan-atmosphère : l’état de l’art en ...€¦ · Couplage océan-atmosphère : l’état de l’art en climatologie et les progrès futurs. Olivier Marti IPSL / LSCE

L’interface océan-atmosphère

Valider, évaluer un modèle couplé ?

Quelques directions pour le futur

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IPSL CM ModelLMDz : atmosphere dynamics and physics.ORCHIDEE : soil/atmosphere transfers - Phenology - Vegetation dynamics - Carbon cycle - atmospheric chemistry.

OPA/ORCA : ocean dynamics and physics -carbon cycle - oceanic tracers

LIM : sea-ice dynamics and thermodynamics

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Diffusion verticale – condition limite

dqdt

= ∂∂z

k∂q∂z

+…Diffusion verticale :

Condition de Neumann à l’interface

k∂q∂z

z=0

= ?

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Couplé et forcé

• Atmosphère forcée :

IN : T surface (obs.)

OUT : flux = f( Tsurface, variables

atm).

• Océan forcé :

IN : flux imposé au sommet

OUT : T 1er niveau ( = T surface)k

∂q∂z

z=0

k∂q∂z

z=0

=

Atm

Oce

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Atm, Ice, Oce

•@surface

Flux

Atmosphère

Glace : thermo

Océan

Glace : rhéologie,

dynamique

•@surfaceFlux

Rapide

Lent

Depuis Bryan et Lewis (1970) à aujourd’hui

Flux∂Flux/∂Tsurface

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Contraintes

• Grilles différentes

– Trait de côte

• Conservation : eau, chaleur, traceurs

• 4 sous-surfaces

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Trait de côte et sous-surfaces

Fraction of ocean in each atmosphere grid box

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Ocean Sea-ice Land-ice Land

Sub surfaces in atmospheric boundary

layer

Vertical profile of T, q @ t

4 independent resolutions of the vertical profiles of T, q, using different z0 (characteristic length) and Cd (cdrag)

4 vertical profiles of T, q, with 4 values of turbulent fluxes.

_ _ _ _

t+1 : keep average profilekeep individual surface fluxes

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IPSL Earth system (team)

J. Pipitone and S. Easterbrook, 2012

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Système ouvert / système fermé

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• Modèle : Ocean = F ( Q )

• Mode forcé : Ocean0 = F ( Q0 )

• Quid de ∂F/∂Q ?

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Flux, dérive, équilibrage

Flux au sommet

Contenu thermique 0-300m

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Convergence climatologique

Ecart quadratique moyen à une simulation de contrôle

Longueur de la période de comparaison (années)

2450 2500 2550 2600 2650

284.

528

5.0

285.

528

6.0

286.

5

Glo

bal T

empe

ratu

re 2

m (

K)

REF (piControl2)Historical

Merc. SX9 (rec.)Vargas

TitaneCurie

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A venir

• Améliorer les bulks, encore et encore et encore et ...

– Hétérogénéité sous-maille

• Couches limites : océan et atmosphère

– Augmentation de la fréquence de couplage ?

• Tsurface = f ( T 1er niveau, ... )

– Diurnal warm layers

– Température de peau

– ...

• Couplage de Schwarz (itératif)

• Grille ‘intersection’

• Physique délocalisée

COCOA

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Time scheme and conservation• Mismatch due to explicit time-stepping between

atmosphere and sea-ice

t-1 t

Compute fluxes : open ocean & sea-ice

Apply fluxes to evolving sea-ice and open ocean t+1

Atmosphere

Ocean

SST,

se

a-i

ce

cove

r

He

at

wa

ter,

mo

me

ntu

m f

luxe

s

sea-ice evolves

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Ocean grid

Atmosphere grid

•@surface

• @ 1st level

Compute fluxes

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ANR COCOA: COmprehensive Coupling approach for the

Ocean and the Atmosphere

INRIA - CEA – CNRS – CERFACS

Physical and mathematical aspects of ocean-atmosphere coupling

• WP1 - Surface fluxes parameterizations, interplay with boundary layers– Task 1.1 : Evaluation and improvement of current bulk formulae used in French CMs

– Task 1.2 : Idealized and observed test cases

– Task 1.3 : LES/CRM configurations

– Task 1.4 : 1D coupled models

• WP2 - Mathematical, numerical and algorithmic formulation of the ocean-atmosphere coupling – Task 2.1 : Mathematical and numerical study of parameterization schemes in a coupled perspective

– Task 2.2 : Efficient coupling methods and grid-to-grid reconstruction schemes

– Task 2.3 : Implementation of a spatial physically justified flux calculation method in CNRM-CM

– Task 2.4 : Implementation of an iterative Schwarz algorithm in IPSL-CM

• WP3 – Impact of new developments on climate simulations– Task 3.1 : Cindy-Dynamo case studies

– Task 3.2 : Global coupled simulations

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Exchanged fluxes

ORCAOcean

LIMSea-ice

LMDzAtmosphere

Wind stress (open ocean).Runoff.

Sea-ice fraction.Sea-ice albedo (weighted)

Sea-ice surface temperature (weighted)

Net solar flux.Net non-solar flux.Stress under sea ice.Freshwater flux (conc./dil.).Freshwater flux (volume flux for free surface).Sea-ice fraction.

Net solar flux (ocean).Net solar flux (sea ice).Net non-solar flux (ocean).Net non solar-flux (sea ice).Water budget (P-E), no runoff. Solid precipitation (snow). ∂Q/∂T (turbulent) (sea ice).Wind stress (sea ice).

Ocean surface temperature.

Ocean surface salinity.Surface current.

Ocean surface temperature (weighted)

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Computing flux @ Interface

Flux (•)= f (•@surface, •@1st layer,

νz (•@surface, •@1st layer, wind shear, etc ..) )

Ocean grid

Atmosphere grid

•@surface

Flux

Interpolations

•@surface = •@1st level | f ( •@1st level)

• q

Flux

• q

Flux

• q

Flux

• q

Flux

• q

Flux

Atm

osp

he

reO

cea

n

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Résumé

Les premiers modèles couplés océan-atmosphère ont vu le jour au début des années 1970. Ils couplaient les composantes d’océan et d’atmosphère existantes, en en reprenant tel que la physique. Quelques décennies plus tard, les composantes océan comme atmosphère ont considérablement évoluées chacune de leur coté, alors que le couplage à l’interface est restée presque figée, malgré́ des réflexions théoriques. Nous ferons le point sur la physique et le numérique de l’interface océan-atmosphère dans les modèles système Terre. Les pistes de développement, notamment celles abordées dans le projet ANR COCOA, seront décrites.

Nous aborderont aussi les problèmes spécifiques de validation des modèles océan-atmosphère. Une difficulté́ est l’aspect chaotique du système, qui conduit à une analyse statistique de grands ensembles de simulations longues. Simulations qu’il faudra confronter à des données disponibles sur une période relativement courte, dans un contexte de climat perturbé par l’homme, déséquilibré énergétiquement. Mais la difficulté́ majeure reste la diversité́ des communautés scientifiques qui participent au développement et à l’expertise des modèles, chacune avec des méthodes et des objectifs scientifiques propres.