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COSP

Implémentation du simulateur d'observable satellite COSP dans le modèle LMDZ

Simulateur d'observable satillite :

Les nuages jounent un rôle important dans le bilan radiatif de la Terre et dans la dispersion de la sensibilité climatique. L'évaluation fine de leurs propriïétés et de leur sensibilité est trïès importante. Les nuages simulés par les modèles climatiques peuvent être comparés aux observations par plusieurs approches. Une approche est de comparer les grandeurs physiques qui peuvent être déduites pour les observations, des mesures satillites en utilisant des algorithmes. Ces algorithmes sont basés sur de nombreuses hypothèses peuvant influencer les résultats de façon significative. Une autre méthode consiste à utiliser les sorties des modèles pour diagnostiquer certaines grandeurs telles qu"elles seraient observées depuis l'espace comme si les satillites volaient au-dessus d'une atmosphère semblable à celle par le modèle. On utilise alors à cet effet un simulateur d'observable.

  COSP (Cfmip Observational Simulateur Package) est un pakege intïégrant plusieurs simulateurs d'observables satillites. Voici les étapes suivies dans Cosp :
- On utilise d'abord SCOPS (Subgrid Cloud Overlap Profile Sampler) qui génère une variabilitïé sous-maille des champs moyens du modèle. Les profils verticaux sont convertis en un ensemble de profils sous-maille en divisant chaque grille du modèe en un nombre de sous-colonnes générées stochastiquement en utilisant un processus d'échantillonage pseudo-aléatoire.
- Ensuite le simulateur calcule les grandeurs telles qu'elles seraient observées par différents capteurs embarqués à bord d'un satillite qui survolerait ces sous-colonnes.
- Des diagnostiques et des statistiques sont appliqués aux grandeurs observables simulées et les valeurs de chaque sous-colonne sont re-moyennées sur la grille du modèe

COSP comprend les simulateurs suivants :

  ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project)
  CLOUDSAT qui simule les réflectivités du radar Cloudsat
  CALIPSO (Cloud-Aerosols Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation) qui simule les signeux de rétrodiffusion Lidar
  PARASOL (Polarization and Anisotropy of Reflectances for Atmospheric Science coupled with Observations from a Lidar) qui simule les radiances visibles observées par Parasol
  MISR (Multi-angle Imaging SpectroRadiometer)
  MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)
  RTTOVS

Implémentation dans le modèle LMDZ :

La version cosp.v1.3 produite pour l'éxercice CMIP5 est implémentée dans LMDZ. Seuls, les simulateurs, ISCCP, CALIPSO et PARASOL sont activés et testés "online" dans le modèle. Cette version a été utilisée pour les simulations CMIP5.
Dans le cadre de la préparation du modèle LMDZ pour le prochain éxercice de simulation de changement climatique CMIP6, un travail est en cours :
- pour la mise à jour des sources pour ISCCP, CALIPSO et PARASOL
- pour inclure pour le simulateur Calipso, la prise en compte des changements de phases pour les nuages
- pour inclure le simulateur Cloudsat
- pour inclure le simulateur Misr
- pour inclure le simulateur Modis
Ce travail passe par les étapes décrites ci-après :
- Installation et teste "offline" de la dernière version stable de cosp (cosp.v1.4.0)
Cette version est mise à disposition avec un exemple d'application. Cet exemple est fourni avec un fichier "input" Netcdf contenant les champs climatiques nécessaires au simulateur Cosp et un répertoire contenant les fichiers de sorties des diagnostiques des nuages.Cette version est d'abord installée sur la machine curie du CCRT, puis compilée et téstée avec cet exemple d'application.Ensuite, une simulation est effectuée avec le modèle LMDZ à fin de stocker en sortie dans un fichier Netcdf toutes les variables nécessaires pour Cosp. Ce ficher est alors utilisé pour faire tourner le simulateur Cosp "offline" et produire les diagnostiques des nuages correspondnat. Les fichiers de sorties Netcdf Cosp sont écrits en utilisant les librairies Cmor, Uuid et Udunits.  

Quelques résultats offline :

Simulateurs CALIPSO-ISCCP

Simulateur MODIS
Simulateur MISR

- Implémentation "online" dans LMDZ de la dernière version stable de cosp (cosp.v1.4.0)
Dan cette étape, les fichiers sources du simulateur Cosp sont inclus directement dans la partie physique du modèle LMDZ (répertoire cosp). Une routine (phys_cosp.F90 appelée toutes les 3h dans physiq.F90) permet d'intérfacer LMDZ avec le simulateur Cosp. Les variables diagnostiques de Cosp sont découplées des modules Cmor, Uuid et Udunits. Elles sont écrites en utilisant les modules Ioipsl ou Xios (qui sont déja utilisés pour les autres sortie de LMDZ).

En pratique, l'appel à Cosp dans LMDZ se fait sous une clès CPP (-cosp true pour compiler le répertoire cosp). Une clès logique est également utilisée pour executer le modèle avec ou sans Cosp (ok_cosp).

Les figures ci-dessous sont obtenues à partir d'une simulation online d'un mois (valeurs moyennées).

Quelques résultats online :

CALIPSO-LMDZ, couverture nuageuse :

(Pour voir les observations satillites :   Observations )       

www.lmd.jussieu.fr/~idelkadi/LMDZ_Calipso.gif

Pour expliquer cette différence entre la fraction nuageuse diagnostiquée directement dans LMDZ et celle issue du simulateur Cosp, j'ai efféctué une baterie de tests de sensibilités.

Il en résulte que cette différence est liée au seuil de détection des nuages utilisé pour le simulateur Calipso (SR). En effet, la valeur de ce paramètre (SR) affecte la détection des nuages  optiquement fins.

Plus ce seuil est élevé, plus les nuages optiquement fins ne seront pas détectés et donc la fraction nuageuse sera faible. La valeur officielle utilisée dans Cosp pour ce seuil est SR=5.

Voici ci-dessus les fractions nuageuses obtenues pour une valeur SR=1.2 de ce seuil :

www.lmd.jussieu.fr/~idelkadi/LMDZ_Calipso_SR12.gif

CALIPSO-LMDZ, couverture nuageuse avec changements de phase :
(Pour voir les observations satillites :   Observations )

www.lmd.jussieu.fr/~idelkadi/CALIPSOphases.gif

CALIPSO-LMDZ, distribution verticale de la couverture nuageuse :

(Pour voir les observations satillites :   Altitude    Température)

www.lmd.jussieu.fr/~idelkadi/CALIPSO_3D.gif 

 ISCCP-LMDZ, couverture nuageuse :

www.lmd.jussieu.fr/~idelkadi/LMDZ_ISCCP.gif

MISR-LMDZ, couverture nuageuse :

www.lmd.jussieu.fr/~idelkadi/LMDZ_MISR.gif 

Comparaison de la couverture nuageuse totale COSP-LMDZ:

www.lmd.jussieu.fr/~idelkadi/TotalCld.gif

- Comparaison online-offline :

 Pour comparer les calculs offline et online, j'ai éffectué une simulation online en activant l'appel de Cosp et en sortant en même temps dans un fichier (histhf.nc) les sorties nécessaires pour refaire tourner Cosp offline. En suite, j'ai extrait de ce fichier les variables pour le 1er pas de temps (1ère 3h) et j'ai faits tourner Cosp en mode offline.

Différence entre les 2 modes online et offline

Comparaisons Cosp.v1.3 et Cosp.v1.4 :

J'ai tourné 2 simulations  "online" avec les versions Cosp.v1.3 et Cosp.v1.4 d'une longueur d'un mois.

Pour voir voir les cartes de comparaison entre les couvertures nuageuses obtenues avec les 2 versions de Cosp cliquez sur les liens ci-dessous :

Calipso    

Isccp

 

Version Cosp pour CMIP6 dans LMDZ (cosp.v1.4.1) :

 

Mise à jour de Cosp dans LMLDZ :

Temps de calcul :

Pour analyser les pérformances du modèle LMDZ avec Cosp, j'ai éffectué sur la machine curie du CCRT une série de  simulations d'1 ans.

Les simulations ont tourné en mode paralèlle MPI/OpenMPI. Voici les temps CPU obtenus pour chaque simulation :

Simulation 
RealCpuTime
LMDZ sans Cosp 
1h 43mn

LMDZ avec Calipso

 
1h 46mn
LMDZ avec Clodsat 
1h 52mn
LMDZ avec Isccp 
1h 44mn
LMDZ avec Misr 
1h 444mn
LMDZ avec Modis 
1h 45mn
LMDZ avec Cosp (20 sous-colonnes) 
1h 55mn
LMDZ avec Cosp (50 sous-colonnes) 
2h 

 

Abderrahmane IDELKADI

 

 

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