thèse dirigée par vincent favier et christophe genthon
DESCRIPTION
Désagrégation du bilan de masse de surface de la calotte polaire Antarctique. Séminaire de 2 ème année. Cécile AGOSTA. Thèse dirigée par Vincent FAVIER et Christophe GENTHON. 12 Novembre 2009. BMS Présent (1950-2000) :. Gamme : 1475 à 2331 Gt/an [Monaghan et al., 2006]. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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Thèse dirigée par Vincent FAVIER et Christophe GENTHON
12 Novembre 2009
Séminaire de 2ème année
Cécile AGOSTA
Désagrégationdu bilan de masse de surface
de la calotte polaire Antarctique
Cécile AGOSTA LGGE - Séminaire de 2ème année 12 Novembre 2009
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Futur :
➥ Quelle augmentation des flux de glace ?➥ Quelle évolution du Bilan de Masse de Surface (BMS) ?
Krinner et al., 2007
2038 Gt/an [ 5,6 ]2470 Gt/an [ 6,8 ]+432 Gt/an
BMS1980-20002080-2100
21ème siècle
Rignot et al., 2008
2055 ± 122 Gt/an [ 5,7 ± 0,3 ]2193 ± 30 Gt/an [ 6,1 ± 0,1 ] -138 ± 92 Gt/an
Année 2000
BMSFlux de glaceBilan net
[+0,4 ± 0,25 mm/an eq. océan ]
Incertitudes importantes sur le Bilan de Masse. Exemple :
BMS : contribution potentiellement importante au niveau des mers
Bilan de Masse Antarctique& Niveau des mers
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Bilan de Masse de Surface Antarctique
Zones côtières enneigées et ventées
Plateau froid et aride
1200100070060055050045040035030025020015010070503020100
mm eq.e. a-1
Arthern et al., 2006
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Prévision de changements du BMS Antarctique
Importance de la zone côtière dans l’évolution du BMS
Évolution du BMS entre 1981-2000 et 2081-2100
200
150
100
50
20
0
-50
Précipitations neigeuses (mm eq.e. an-1)
Modèle LMDZ4
Krinner et al., 2007
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Observation et Modélisation du BMS
Champs grande échelle
Mesures de terrainDirectes Précises
Ponctuelles Éparses
Mesures satelliteIndirectes
Grande échelle
Modèles de climatRésolution 60 km
Processus méso-échelle
Circulation cyclonique
DésagrégateurRésolution 15 km
Processus échelle locale
Topographie fineRedistribution par le
vent
Validation
Validation
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Plan
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Évaluation des modèles en zone
côtière
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
L’Observatoire Glacioclim-SAMBA
20
0 km
Dôme C
Ligne de balise (depuis 2004) Mesures annuelles
émergence + densité 91 balises sur 156 km
Cap Prud’homme
Glacioclim-SAMBA : Service d’Observation du BMS Antarctique
Altitude (m)42004000380036003400320030002800240022002000180016001400120010008006004002000
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Transect Glacioclim-SAMBA
km depuis la côte
2004
2005
2006
2007
2008
-200200600
1000 -2002006001000-200
200600
1000-2002006001000
BM
S (
mm
eq
.e. a
-1)
-200200600
10001400
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Transect Glacioclim-SAMBA
1ère Composante Principale (mm eq.e. a-1)
km depuis la côte
R = 0.96
72 % 76 %
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Observations utilisées pour l’évaluation
km depuis la côte
Transect 2004-2008 reconstitué avec la 1ère Composante Principale
Moyennes sur 20 km
BM
S, m
m e
q.e
. a
-
1
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Comparaison avec des mesures IPEV
Avant 3,5 km : zones de fonte densité variable➞Après 16,5 km : pas de localisation précise des balises
⇒Zone 3,5 16,5 km comparable avec le transect ➙
(15 balises)avec densités moyennes mesurées sur le transect
Mesures d’émergence de l’IPEV : 1971 à 1991
0 33 km de la ligne actuelle➙Pas de mesures de densité
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Transect vs IPEV : variabilité spatiale
Variabilité spatiale stationnaire
km depuis la côte
IPEV 1971-1991Transect 2004-
2008
BM
S (
mm
eq
.e. a
-1)
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Transect vs IPEV : variabilité temporelle
BMS moyen mm eq.e. a-1
BM
S m
oye
n
mm
eq
.e. a
-1
Eca
rt-t
ype
mm
eq
.e.
a-1
‣ Pas d’évolution significative de la variabilité temporelle et spatiale‣ 2004-2008 représentatif de la climatologie du BMS (40 ans) sur 13 km
IPEV Transect
Hypothèse 2004-2008 représentatif de la climatologie du BMS (40 ans) sur
160 km
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Modèle Type Région Résolution
LMDZ4 Circulation GénéraleGlobalZoomé aux pôles
60 km
ECMWFERA-40
Analyses météorologiques Global 60 km
MAR* Régional (forcé ERA-40) Antarctique 40 km
MM5 Régional (forcé ERA-40) Antarctique 60 km
Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Modèles évalués
Période considérée1981-2000
* Neige soufflée prise en compte
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Variabilité spatiale en zone côtière
LMDZ4
ECMWF
MM5
Transect
MAR
km depuis la côte
BMS, mm eq.e. a-11981-2000 2004-2008
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Distribution spatiale du BMS
90080070060055050045040035030025020015010070503020100
mm eq.e. a-1
MAR LMDZ4
1981-2000
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Variabilité temporelle en zone côtière
13 km 160 km
LMDZ4
ECMWF
MM5
MAR
TransectIPEV Transect
BMS, mm eq.e. a-1
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Variabilité temporelle en zone côtière
13 km 160 km
LMDZ4
ECMWF
MM5
MAR
TransectIPEV Transect
p = 0,05
p = 0,005
RIPEV
11 ansMAR 0,66MM5 0,77ECMWF 0,65
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Conclusions de l’évaluation en zone côtièreTransect Glacioclim-SAMBA Variabilité spatiale stationnaire IPEV (20 ans) et Transect (5 ans) : caractéristiques du BMS
inchangées
Évaluation des modèles en zone côtière
BMS moyenVariabilité
spatialeAmplitude temporelle
Chronologie interannuelle
LMDZ4 ✗ (↑) ✓ ✓ECMWF ✓ ✗ ✗ ✓
MM5 ✓ ✓ ✗ ✓MAR ✗ (↓↓) ✗ ✗ ✓
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Conclusions de l’évaluation en zone côtière
Évaluation des modèles en zone côtière
MAR modifié‣ Modification de l’assimilation des données aux bords
‣ 2 fois plus de précipitations en zone côtière‣ Simulation en cours
BMS moyenVariabilité
spatialeAmplitude temporelle
Chronologie interannuelle
LMDZ4 ✗ (↑) ✓ ✓ECMWF ✓ ✗ ✗ ✓
MM5 ✓ ✓ ✗ ✓MAR ✗ (↓↓) ✗ ✗ ✓
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Contribution des données
satellites
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Évaluation des modèles : contribution des données satellites
Climatologie de référence : Arthern et al., 2006
Assimilation de données
1200100070060055050045040035030025020015010070503020100-100
mm eq.e. a-1
Paramètres κ,θ,n
Infrarouge TMicro-ondes P-P0 Modèle d’ébauche
Mesures de terrain
1950 – 1990
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Évaluation des modèles : contribution des données satellites
Contrôle du modèle d’ébauche
Modèle d’ébauche Climatologie d’Arthern
90080070060055050045040035030025020015010070503020100
mm eq.e. a-1
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Évaluation des modèles : contribution des données satellites
Comparaison avec le Transect
Peu de variabilité en région côtièreLe modèle d’ébauche peut-il reproduire la variabilité observée ?
km depuis la côteB
MS
, m
m e
q.e
. a
-1
90080070060055050045040035030025020015010070503020100
mm eq.e. a-1
Climatologie d’Arthern
TransectArthern
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Évaluation des modèles : contribution des données satellites
Limites du modèle d’ébauche
Climatologie d’Arthern : peu de variabilité spatiale en zone côtière
‣ Empreinte micro-onde : 60 kmLe BMS devrait être plus haut‣ Fonte ?Pas de fonte à partir de 20 km de la côte
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Évaluation des modèles : contribution des données satellites
Limites du modèle d’ébauche
Reproduit les variations observéesParamètres sortant des gammes usuelles
km depuis la côteB
MS
, m
m e
q.e
. a
-1
90080070060055050045040035030025020015010070503020100
mm eq.e. a-1
Modèle d’ébauche
TransectModèle d’ébauche
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Évaluation des modèles : contribution des données satellites
Limites du modèle d’ébauche
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Évaluation des modèles : contribution des données satellites
Conclusions et perspectives
➲ Validation des modèles
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Désagrégation : Principe
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DésagrégationCaractéristiques des simulations
Résolution actuelle : ~ 60 kmRésolution désirée : ≤ 15 km
Domaine spatialAntarctique (5600 km x 5600 km)
Estimation du BMSPrécipitation, Sublimation, Fonte, Neige soufflée
➙ Modèle à temps de calcul réduit
Echelle de temps100 ans (2000-2100)
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DésagrégationMéthode
Sorties du modèle grande échelleVents/Pression/Température/Humidité/...
Pas de temps : 6H
Topographie fine
Désagrégation des précipitations
Désagrégation du bilan d’énergie
Précipitations désagrégées
Sublimation, Fonte
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Désagrégation des précipitations
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Désagrégation des précipitationsInterpolation horizontale
Grille du modèle large échelle Grille ➙stéréographique fine
Champs interpolés Champs recalculés• Vent horizontal U,V• Température potentielle θ• Humidité spécifique q
Ps PTopo fine+ Hypothèse hydrostatique + Gradient de température constant
θ , P T
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Désagrégation des précipitationsInterpolation horizontale universelle
Désagrégation en sortie de n’importe quel modèle
➞ Maillages de types très différents ➞ Variables à projeter sur une grille stéréographique
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Désagrégation des précipitationsInterpolation horizontale universelle
Méthode
Projection des points de la grille haute en stéréographique
×
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Désagrégation des précipitationsInterpolation horizontale universelle
Méthode
Triangularisation «quelconque» de la grille haute
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Désagrégation des précipitationsInterpolation horizontale universelle
Méthode
Triangularisation «quelconque» de la grille haute
Triangularisation «optimale» de la grille haute
Algo
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Désagrégation des précipitationsInterpolation horizontale universelle
Méthode
Projection du point de grille dans le repère local
Triangularisation «quelconque» de la grille haute
Triangularisation «optimale» de la grille haute
×
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Désagrégation des précipitationsVent vertical W
WL : vitesse verticale grande échelle interpoléeEn surface : vent tangent à la topographie
➙ nouvelle vitesse verticale en surface Ws
W = WL+WT
WT dépend de : Vent horizontal, Fréquence de Brunt-Vaisala
Équation de bilan de la quantité de mouvement+ Equation de continuité
➙ Ondes de gravité (sinusoïdales) WT
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Désagrégation des précipitationsTaux de condensation & Taux de précipitation
Ascendance Refroidissement adiabatique q➙ ➙ sat ↓
Intégration de Clausius-Clapeyron à saturation : Δqsat = F×W avec F=fonction(qsat,T,P)
lorsque q≥qsat et W vers le haut
q=qsat(t1) q=qsat(t
2)
Δqsat
z
W ⇒Δqsat×ρ = précipitation
lorsque q≥qsat et W vers le haut
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Désagrégation des précipitationsApplication au GCM LMDZ4
Temps de calcul : 1/2 H par mois 25 jours pour 100 ➙ans
5000
3000
1000
700
500
300
200
100
70
50
30
20
10
0
Précipitations interpolées180 mm/an
Précipitations désagrégées130 mm/an
1987
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Désagrégation des précipitationsLimites du désagrégateur de précipitation
5000
3000
1000
700
500
300
200
100
70
50
30
20
10
0
Précipitations interpolées180 mm/an
Précipitations désagrégées133 mm/an
Précipitations désagrégées & interpolées209 mm/an
La désagrégation n’est valable que pour des précipitations par ascendance et refroidissement adiabatique
1987
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Désagrégation des précipitationsLimites du désagrégateur de précipitationLa désagrégation n’est valable que pour des précipitations par ascendance et refroidissement adiabatique
Précipitations par refroidissement adiabatique Autres modes de précipitation
Vérification qu’en zone côtièrePrécipitations du modèle ≈ Précipitations désagrégées
Carte de précipitations désagrégées+interpoléesZones dans lesquelles la désagrégation est/n’est pas
adaptées
Différenciation
Stratégie :Désagrégation à la même résolution que le modèle hôte
DIRE QQCH SUR LA CONSERVATION PAR RAPPORT AU MODELE INITIAL
DIRE QQCH SUR LA CONSERVATION PAR RAPPORT AU MODELE INITIAL
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Désagrégation des précipitationsLimites du désagrégateur de précipitationTaux de condensation F(qsat,T,P) constant sur 6H
➙ Suppose qsat, T et P proches de leurs valeurs initiales pendant 6H
Δzs grand ➙ ondes générées de grande amplitude ➙ modification de W localement importantes ➙ F×W localement important (voir > qsat)
➙ Peut être résolu par une discrétisation temporelle plus fine
➙ Surestimation du taux de condensation
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Désagrégation des précipitationsSchéma d’advection conservatif
Apports
Inconvénient• Discrétisation temporelle plus fine ➙ Temps de calculs plus élevés
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Désagrégation du bilan d’énergie
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Désagrégation du bilan d’énergieInterpolation horizontale
Routine de couche limite du modèle LMDZ4
Ne nécessite que les premiers niveaux de surface des variables d’entrée
Extrapolation des champs avec la topographie
×
z
Var
×
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Désagrégation du bilan d’énergieIntégration des précipitations désagrégées
Précipitationsdésagrégées &
interpolées
Précipitations extrapolées
Précipitations désagrégées
1987 5000
3000
1000
700
500
300
200
100
70
50
30
20
10
0
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50
Désagrégation du bilan d’énergieBilan de Masse de Surface
5000
3000
1000
700
500
300
200
100
70
50
30
20
10
0.01
0
-15BMS
Sublimation Fonte
1987
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Désagrégation du bilan d’énergiePerspectives
Tests sur la méthode d’extrapolation ➙ Application à certaines variables lors de la désagrégation
des précipitations ? (Vent horizontal par exemple)
Utilisation du modèle de couche limite de MAR
52
Calendrier prévisionnel
53
Décembre 2009 - Février 2010Mesures glaciologiques Cap Prud’homme
Mars - Juin 2010Masque désagrégateur de précipitationImplémentation advectionCouche limite MAR dans DSE
Juillet - Septembre 2010Fin implémentation advectionFaire tourner le désagrégateur
Octobre 2010 - Février 2011Faire tourner le désagrégateurClimatologie du BMS : krigeage
Mars - Août 2011Rédaction thèse
Papier Krigeage ?
Papier Désagrégateur
Papier Évaluation modèles
Vacations (cartographie-statistiques à l’UPMF)
Corrections finalesSoumission à JGR avant 30 Novembre
Merci pour votre attention
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Désagrégateur de précipitationLimites du désagrégateur de précipitation
Pas de dynamique (coûteux en temps de calculs)• Pas de rétro-action de la physique sur la dynamique• Pas de contournement du relief• Pas d’effet de blocage
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Désagrégateur de précipitationLimites du désagrégateur de précipitation
Précipitations grande échellePrécipitations désagrégées
Zone côtière Plateau
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Évaluation des modèles de climat en zone côtière
Variabilité temporelle en zone côtière
13 km 160 km
LMDZ4
ECMWF
MM5
MAR
TransectIPEV Transect
p = 0,05
p = 0,005
RECMWF IPEV
11 ans 20 ans 11 ansMAR 0,65 0,76 0,66MM5 0,88 0,85 0,77ECMWF 0,65