Caractérisation de l'état balancé dans les modèles numériques de prévisions de l'atmosphère à méso-échelle
Résumé
The current research aims at providing a characterisation of dynamical balance at mesoscale, i.e., the balance between the dynamical and physical forcings, for meteorological phenomena having a horizontal scale on the order of 15 to 150 km. It combines numerical simulations with the nonlinear balance theory in the context of idealized simulations as well as in a real case simulation. The longer term objective is to improve quantitative precipitation forecasts by developing a methodology in which the initial state of the numerical model's dynamics are constrained to a state of dynamical balance in the context where precipitation data is included at initial time.
First, the research identifies the precise sequence of physical processes involved in the adjustment toward a balanced state in numerical models, with comparisons made with classical linear adjustment theory, from small to large scales (meteorological phenomena with diameters on the order of 15 to 1500 km). The analysis demonstrates that when the heating occurs at small scales: (a) latitude variations (Coriolis force) have a very limited impact on the mechanisms and the balanced state; (b) the adjustment time toward the balanced state is much reduced when compared to simulations at larger scales; (c) atmospheric static stability has a significant impact on the adjustment time and balanced state itself; (d) these results are in agreement with classical linear adjustment theory; (e) it is possible to use the nonlinear balance equation in combination with a complete vertical motion equation to determine the balanced divergent wind at small scales.
Second, the methodology is applied to a real case as simulated by the Global Environmental Multi-Scale (GEM) model in limited-area configuration at a horizontal resolution of 2.5 km. This real case is characterised by summer deep convection in the absence of significant baroclinicity and upper-level dynamics. Among conclusions resulting of the analysis of this case, it has been shown that: (a) the type of balance at this scale is mostly related to horizontal divergence; (b) information given by divergent winds from short-term forecasts of vertical motion (and thus precipitation) is very important; (c) it is possible to calculate balanced divergent winds at this scale by using a complete vertical motion equation in combination with the non-linear balance equation, and by using temperature tendencies generated by the model convection that are output directly by the numerical model; (d) when imposing a balance of the divergent winds at initial time, precipitation forecasts (evaluated from vertical motion) are remarkably similar when compared to a control numerical simulation.
To conclude, the research proposes an appropriate methodology to characterise a balanced state in mesoscale numerical forecast models for meteorological phenomena having a diameter as small as 15 km, and to use dynamical balance relationships in numerical models using a horizontal resolution of 2.5 km. The most important contributions of this work are: (a) a characterisation of the precise sequence of physical processes involved in the adjustment to a balanced state in numerical models as related by the classical linear adjustment theory; (b) the characterisation of balanced state at mesoscales in idealized numerical simulations; (c) the characterisation of balanced state at mesoscales in the context of a simulated real case summer deep convection; (d) the importance of information brought by divergent winds for the precipitation forecasts at mesoscales; (e) the demonstration that it is possible to use model-generated convective temperature tendencies in combination with the non-linear balance equation and a complete vertical motion equation, in order to determine balanced divergent winds with a good accuracy. Thus, the current project is innovative in its use of equations involving a non-linear balance at small scales, as well as in its use of model-generated convective temperature tendencies in equations involving a dynamical balance at this scale.
Limits of this research deal primarily with certain aspects of idealized simulations, the methodology used to evaluate the balanced divergent winds and the type of real case simulated here. Further research may take into account parts of these caveats.
First, the research identifies the precise sequence of physical processes involved in the adjustment toward a balanced state in numerical models, with comparisons made with classical linear adjustment theory, from small to large scales (meteorological phenomena with diameters on the order of 15 to 1500 km). The analysis demonstrates that when the heating occurs at small scales: (a) latitude variations (Coriolis force) have a very limited impact on the mechanisms and the balanced state; (b) the adjustment time toward the balanced state is much reduced when compared to simulations at larger scales; (c) atmospheric static stability has a significant impact on the adjustment time and balanced state itself; (d) these results are in agreement with classical linear adjustment theory; (e) it is possible to use the nonlinear balance equation in combination with a complete vertical motion equation to determine the balanced divergent wind at small scales.
Second, the methodology is applied to a real case as simulated by the Global Environmental Multi-Scale (GEM) model in limited-area configuration at a horizontal resolution of 2.5 km. This real case is characterised by summer deep convection in the absence of significant baroclinicity and upper-level dynamics. Among conclusions resulting of the analysis of this case, it has been shown that: (a) the type of balance at this scale is mostly related to horizontal divergence; (b) information given by divergent winds from short-term forecasts of vertical motion (and thus precipitation) is very important; (c) it is possible to calculate balanced divergent winds at this scale by using a complete vertical motion equation in combination with the non-linear balance equation, and by using temperature tendencies generated by the model convection that are output directly by the numerical model; (d) when imposing a balance of the divergent winds at initial time, precipitation forecasts (evaluated from vertical motion) are remarkably similar when compared to a control numerical simulation.
To conclude, the research proposes an appropriate methodology to characterise a balanced state in mesoscale numerical forecast models for meteorological phenomena having a diameter as small as 15 km, and to use dynamical balance relationships in numerical models using a horizontal resolution of 2.5 km. The most important contributions of this work are: (a) a characterisation of the precise sequence of physical processes involved in the adjustment to a balanced state in numerical models as related by the classical linear adjustment theory; (b) the characterisation of balanced state at mesoscales in idealized numerical simulations; (c) the characterisation of balanced state at mesoscales in the context of a simulated real case summer deep convection; (d) the importance of information brought by divergent winds for the precipitation forecasts at mesoscales; (e) the demonstration that it is possible to use model-generated convective temperature tendencies in combination with the non-linear balance equation and a complete vertical motion equation, in order to determine balanced divergent winds with a good accuracy. Thus, the current project is innovative in its use of equations involving a non-linear balance at small scales, as well as in its use of model-generated convective temperature tendencies in equations involving a dynamical balance at this scale.
Limits of this research deal primarily with certain aspects of idealized simulations, the methodology used to evaluate the balanced divergent winds and the type of real case simulated here. Further research may take into account parts of these caveats.
La présente recherche se propose de caractériser l'équilibre dynamique à mésoéchelle, c'est-à-dire l'équilibre entre les forçages dynamiques et physiques et ce, pour des phénomènes météorologiques ayant une échelle horizontale de l'ordre de 15 à 150 km. Elle combine des simulations numériques et la théorie de la balance non-linéaire autant dans un contexte de simulations idéalisées que dans celui d'une simulation d'un cas réel. Elle s'inscrit dans un objectif à plus long terme d'améliorer les prévisions à court terme des quantités de précipitations, en développant une méthode permettant de contraindre l'état initial de la dynamique du modèle à un état de balance dynamique dans un contexte où les données de précipitations sont inclues au temps initial.
Dans un premier temps, l'étude porte sur l'identification précise de la suite des processus physiques impliqués dans l'ajustement vers un état balancé dans les modèles numériques en lien avec la théorie classique d'ajustement linéaire et ce, autant à petite qu'à grande échelle (phénomènes météorologiques d'un diamètre de 15 à 1500 km). Les analyses démontrent que, lorsque la taille du réchauffement est à petite échelle : (a) la latitude (force de Coriolis) n'a qu'une influence très limitée sur les mécanismes et sur l'état balancé ; (b) le temps d'ajustement vers l'état balancé est très réduit par rapport aux simulations à plus grande échelle ; (c) la stabilité statique de l'atmosphère a une influence significative sur le temps d'ajustement ainsi que sur l'état balancé lui-même ; (d) ces résultats sont en accord avec la théorie classique d'ajustement linéaire ; (e) il est possible d'utiliser l'équation de balance non-linéaire en combinaison avec une équation complète décrivant le mouvement vertical pour déterminer le vent divergent balancé à petite échelle.
Dans un deuxième temps, la méthodologie est appliquée à un cas réel tel que simulé par le modèle Global Environnemental Multi-Échelle (GEM) en mode aire limitée à une résolution horizontale de 2.5 km. Ce cas réel est caractérisé par de la convection profonde d'été en absence de baroclinicité et de dynamique en altitude significatives. Parmi les conclusions dégagées de l'analyse, il a été montré que : (a) le type de balance à cette échelle est principalement relié à la divergence horizontale ; (b) l'information apportée par les vents divergents dans la prévision à court terme du mouvement vertical (et donc de la précipitation) est très importante ; (c) il est possible de calculer les vents divergents balancés, à cette échelle, en utilisant une équation du mouvement vertical complète en combinaison avec l'équation de balance non-linéaire et en utilisant les tendances de température, causées par la convection, directement issues du modèle numérique ; (d) en imposant que les vents divergents soient balancés au temps initial, les prévisions de précipitations (évaluées par l'intermédiaire du mouvement vertical) sont remarquablement similaires par rapport à une simulation de contrôle.
En conclusion, le travail réalisé a permis principalement de développer une méthodologie appropriée pour caractériser l'état balancé dans les modèles numériques de prévision à méso-échelle pour des phénomènes météorologiques ayant un diamètre aussi petit que de l'ordre de 15 km, et utiliser des relations de balance dynamique dans les modèles numériques à une résolution horizontale de 2.5 km. Les contributions les plus importantes sont : (a) l'identification précise de la suite des processus physiques impliqués dans l'ajustement vers un état balancé dans les modèles numériques en lien avec la théorie classique d'ajustement linéaire ; (b) la caractérisation de l'état balancé à mésoéchelle dans des simulation numériques idéalisées ; (c) la caractérisation de l'état balancé à méso-échelle dans un contexte de simulation réaliste d'un cas de convection profonde d'été ; (d) l'importance de l'information apportée par les vents divergents pour les prévisions de précipitations à méso-échelle ; (e) la démonstration qu'il est possible d'utiliser les tendances de température issues de la convection dans le modèle en combinaison avec l'équation de balance non-linéaire et une équation complète décrivant le mouvement vertical, afin de déterminer des vents divergents balancés ayant une bonne précision. Ainsi, le présent projet est innovateur pour l'utilisation des relations impliquant une balance non-linéaire à petite échelle, ainsi que pour l'utilisation des tendances de température issues directement de la convection du modèle dans des équations représentant un type de balance dynamique à cette échelle.
Les limites de la recherche portent principalement à la fois sur certains aspects des simulations idéalisées, de la méthode d'évaluation des vents divergents balancés et sur le type de situation réelle présentée ici. Des études complémentaires permettraient d'approfondir quelques-unes des limites identifiées.
Dans un premier temps, l'étude porte sur l'identification précise de la suite des processus physiques impliqués dans l'ajustement vers un état balancé dans les modèles numériques en lien avec la théorie classique d'ajustement linéaire et ce, autant à petite qu'à grande échelle (phénomènes météorologiques d'un diamètre de 15 à 1500 km). Les analyses démontrent que, lorsque la taille du réchauffement est à petite échelle : (a) la latitude (force de Coriolis) n'a qu'une influence très limitée sur les mécanismes et sur l'état balancé ; (b) le temps d'ajustement vers l'état balancé est très réduit par rapport aux simulations à plus grande échelle ; (c) la stabilité statique de l'atmosphère a une influence significative sur le temps d'ajustement ainsi que sur l'état balancé lui-même ; (d) ces résultats sont en accord avec la théorie classique d'ajustement linéaire ; (e) il est possible d'utiliser l'équation de balance non-linéaire en combinaison avec une équation complète décrivant le mouvement vertical pour déterminer le vent divergent balancé à petite échelle.
Dans un deuxième temps, la méthodologie est appliquée à un cas réel tel que simulé par le modèle Global Environnemental Multi-Échelle (GEM) en mode aire limitée à une résolution horizontale de 2.5 km. Ce cas réel est caractérisé par de la convection profonde d'été en absence de baroclinicité et de dynamique en altitude significatives. Parmi les conclusions dégagées de l'analyse, il a été montré que : (a) le type de balance à cette échelle est principalement relié à la divergence horizontale ; (b) l'information apportée par les vents divergents dans la prévision à court terme du mouvement vertical (et donc de la précipitation) est très importante ; (c) il est possible de calculer les vents divergents balancés, à cette échelle, en utilisant une équation du mouvement vertical complète en combinaison avec l'équation de balance non-linéaire et en utilisant les tendances de température, causées par la convection, directement issues du modèle numérique ; (d) en imposant que les vents divergents soient balancés au temps initial, les prévisions de précipitations (évaluées par l'intermédiaire du mouvement vertical) sont remarquablement similaires par rapport à une simulation de contrôle.
En conclusion, le travail réalisé a permis principalement de développer une méthodologie appropriée pour caractériser l'état balancé dans les modèles numériques de prévision à méso-échelle pour des phénomènes météorologiques ayant un diamètre aussi petit que de l'ordre de 15 km, et utiliser des relations de balance dynamique dans les modèles numériques à une résolution horizontale de 2.5 km. Les contributions les plus importantes sont : (a) l'identification précise de la suite des processus physiques impliqués dans l'ajustement vers un état balancé dans les modèles numériques en lien avec la théorie classique d'ajustement linéaire ; (b) la caractérisation de l'état balancé à mésoéchelle dans des simulation numériques idéalisées ; (c) la caractérisation de l'état balancé à méso-échelle dans un contexte de simulation réaliste d'un cas de convection profonde d'été ; (d) l'importance de l'information apportée par les vents divergents pour les prévisions de précipitations à méso-échelle ; (e) la démonstration qu'il est possible d'utiliser les tendances de température issues de la convection dans le modèle en combinaison avec l'équation de balance non-linéaire et une équation complète décrivant le mouvement vertical, afin de déterminer des vents divergents balancés ayant une bonne précision. Ainsi, le présent projet est innovateur pour l'utilisation des relations impliquant une balance non-linéaire à petite échelle, ainsi que pour l'utilisation des tendances de température issues directement de la convection du modèle dans des équations représentant un type de balance dynamique à cette échelle.
Les limites de la recherche portent principalement à la fois sur certains aspects des simulations idéalisées, de la méthode d'évaluation des vents divergents balancés et sur le type de situation réelle présentée ici. Des études complémentaires permettraient d'approfondir quelques-unes des limites identifiées.
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Océan, Atmosphère
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