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COSP

Implémentation du simulateur d'observable satellite COSP dans le modèle LMDZ
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 très 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 simulée par le modèle. On utilise alors à cet effet un simulateur d'observable.

 

SOMMAIRE :
Package de simulateurs COSP
Version Cosp dans LMDZ pour CMIP6
        Outputs
        Inputs
        Temps de calcul
        Validation
Implémentation de COSP dans LMDZ

 

COSP :


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 :
CLOUDSAT qui simule les réflectivités du radar Cloudsat :

CloudSat, lancé le 28 avril 2006, vole en formation dans l’A-Train et utilise un radar pour
mesurer l’altitude et les propriétés des nuages et précipitations. Il détecte le rayonnement
diffusé non seulement par les gouttelettes des nuages mais également par les précipitations.
Les systèmes radar météorologiques émettent une impulsion électromagnétique et
mesurent l’énergie rétrodiffusée et captée par l’antenne radar. La rétrodiffusion est le résultat
d’interactions avec les nuages et les particules de précipitation, mais aussi avec les gaz
atmosphériques comme la vapeur d’eau et l’oxygène. La façon dont le rayonnement
électromagnétique interagit avec ces particules dépend de la fréquence du rayonnement, ainsi que le type, la taille, l’orientation et la distribution des particules. Le radar CloudSat (CPR) fonctionne à 94 GHz.
A la fréquence de 94 GHz, seules les grosses particules nuageuses ou les petites particules en forte densité contribuent à la réflectivité qui sera mesurée. Les couches nuageuses
optiquement fines (typiquement <1) ne peuvent pas être détectées à la longueur d’onde de cet instrument alors que celles précédemment trop opaques pour le lidar (>3) le seront. Aussi
l’atténuation par la vapeur d’eau est non négligeable et l’atténuation par les précipitations peut être importante. Les mesures de la puissance rétrodiffusée sont généralement converties dans l’unité météorologique de la réflectivité radar, exprimé en décibels (dBZ). Ces mesures de réflectivité permettent ensuite d’extraire des quantités telles que le contenu en eau liquide ou le taux de précipitation.

CALIPSO (Cloud-Aerosols Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation) qui simule les signeux de rétrodiffusion Lidar :

CALIPSO est unsatellite développé dans le cadre d’une collaboration entre la NASA et le CNES et qui a été lancé le 28 avril 2006. Il a été conçu pour fournir des mesures globales en trois dimensions des aérosols et des nuages. CALIPSO combine un instrument actif, le lidar CALIOP, avec des instruments passifs, des imageurs dans le domaine visible et infrarouge. CALIOP, l’instrument de base transporté par CALIPSO, est le premier lidar optimisé pour des mesures des nuages et des aérosols en orbite. Le lidar est constitué d’une source laser impulsionnelle et polarisée fonctionnant à 1064 et 532nm [Winker et al., 2007] et d’un télescope de 1m de diamètre. Le faisceau laser sortant est polarisé linéairement et deux canaux récepteurs, polarisés à 532nm, fournissent des mesures du degré de polarisation linéaire du signal de retour. En utilisant les deux canaux récepteurs à 532nm et le canal qui mesure le signal total de retour à 1064nm, on peut estimer la distribution verticale détaillée des nuages et aérosols ainsi que certaines de leurs propriétés microphysiques et optiques. La détection des couches nuageuses repose principalement sur le canal à 532nm.


PARASOL (Polarization and Anisotropy of Reflectances for Atmospheric Science coupled with Observations from a Lidar) qui simule les radiances visibles observées par Parasol :

Le radiomètre PARASOL est un imageur à grand champ de vue POLDER (POLarization and Directionality Earth’s Reflectances) qui mesure les caractéristiques directionnelles et la polarisation de la lumière réfléchie par l’ensemble Terre/atmosphère. L’objectif de ces mesures est d’améliorer notre connaissance des propriétés radiatives et microphysiques des nuages et des aérosols. Ces instruments présentent la particularité d’avoir des capacités multispectrales, multipolarisées et multidirectionnelles.
L’instrument POLDER contient trois éléments principaux : un FOV (field-of-view) optique
télécentrique, une roue portant des filtres spectraux et des polariseurs, et une matrice CDD
(Coupled Device Detector) de 244x274 détecteurs. Lorsque le satellite se déplace le long de
l’orbite, jusqu’à 14 mesures successives d’une même scène sont acquises dans huit bandes
spectrales situées entre 443 et 910 nm [Deschamps et al., 1994]. Les instruments POLDER
ont été lancés à bord des satellites ADEOS-1 et ADEOS-2 en août 1996 et décembre 2002
respectivement et ont recueilli 8 mois des données pour POLDER-1 (de novembre 1996 à juin 1997) et 7 mois des données pour POLDER-2 (de mars 2003 à septembre 2003). PARASOL a été lancé en décembre 2004. Les principales différences entre PARASOL et POLDER1 et 2 proviennent du changement de l’orientation de la matrice CDD qui permet une meilleure couverture de l’angle de diffusion (jusqu’à 16 directions par rapport à 14 au POLDER) et l’ajout de la bande spectrale de 1020nm qui est proche du canal CALIOP de 1064nm.


MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer) :

MODIS est un instrument mis en orbite en 1999 à bord du satellite Terra et en 2002 à bord du satellite Aqua. L’instrument collecte des observations dans 36 bandes spectrales comprises entre 0.4μm et 14.4μm, à différentes résolutions spatiales (2 bandes à 250m, 5 bandes à 500m et 29 bandes à 1km). Les bandes de résolution 250m sont centrées sur 0.65 et 0.86μm, celles de 500m sur 0.47, 0.56, 1.24, 1.63 et 2.13μm. MODIS est conçu pour déterminer des propriétés nuageuses à partir des mesures de la réflexion et d’émission thermique [King et al., 1992]. MODIS est etalonné en vol. MODIS observe les scènes perpendiculaires à la trajectoire du satellite sur une distance d’une largeur 2330km et avec un angle zénithal de visée maximum (au sol) de 63°. Le produit des nuages MODIS combine des techniques infrarouges et visibles afin de déterminer les propriétés physiques et radiatives des nuages comme la température et la pression du sommet du nuage, l’émissivité effective, la phase des particules nuageuses [Platnick et al, 2003]. L’algorithme de la fraction nuageuse est produit pour la journée et la nuit, avec une résolution de 1km, et il emploie jusqu’à 19 bandes spectrales MODIS pour optimiser une détection nuageuse fiable. La fraction nuageuse durant la journée est plus fiable car elle utilise les informations supplémentaires collectées dans le domaine des longueurs d’onde visible.

 
ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project)  :
 
MISR (Multi-angle Imaging SpectroRadiometer)

RTTOVS

 

 

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

 
Les sources du simulateur Cosp sont mises à jours dans LMDZ en utilisant la version cospv1.4.1 suggèrée pour l'exercice de simulation de changement climatique CMIP6.

 

Champs diagnostiques :

Dans la gestion des sorties de LMDZ, l'utilisation du serveur XIOS2 permet de sortir directement des champs 4D dans les fichiers Ntetcdf.

Diagnostiques de sorties du simulateur lidar Calipso
Nom Dimensions Description Unité
pcllcalipso (time_counter, lat, lon) Low-level Cloud Fraction

%

pclmcalipso (time_counter, lat, lon) Mid-level Cloud Fraction %
pclhcalipso (time_counter, lat, lon) Hight-level Cloud Fraction  
pcltcalipso (time_counter, lat, lon)

Total Cloud Fraction

%

pclcalipso

(time_counter, height, lat, lon) Cloud Fraction %
cllcalipsoice (time_counter, lat, lon) Ice-Phase Low-level Cloud Fraction %
clmcalipsoice (time_counter, lat, lon) Ice-Phase Mid-level Cloud Fraction %
clhcalipsoice (time_counter, lat, lon) Ice-Phase Hight-level Cloud Fraction %
cltcalipsoice (time_counter, lat, lon) Ice-Phase Total Cloud Fraction %
clcalipsoice (time_counter, height, lat, lon) Ice-Phase Cloud Fraction %
cllcalipsoliq (time_counter, lat, lon) Liquid-Phase Low-level Cloud Fraction %
clmcalipsoliq (time_counter, lat, lon) Liquid-Phase Mid-level Cloud Fraction %
clhcalipsoliq (time_counter, lat, lon) Liquid-Phase Hight-level Cloud Fraction %
cltcalipsoliq (time_counter, lat, lon) Liquid-Phase Total Cloud Fraction %
clcalipsoliq (time_counter, height, lat, lon) Liquid-Phase Cloud Fraction %
cllcalipsoun (time_counter, lat, lon) Undefined-Phase Low-level Cloud Fraction %
clmcalipsoun (time_counter, lat, lon) Undefined-Phase Mid-level Cloud Fraction %
clhcalipsoun (time_counter, lat, lon) Undefined-Phase Hight-level Cloud Fraction %
cltcalipsoun (time_counter, lat, lon) Undefined-Phase Total Cloud Fraction %
clcalipsoun (time_counter, height, lat, lon) Undefined-Phase Cloud Fraction %
clcalipsotmp (time_counter, temp, lat, lon) Cloud Fraction= f(temperature) %
clcalipsotmpice (time_counter, temp, lat, lon) Ice-Phase cloud Fraction= f(temperature) %
clcalipsotmpliq (time_counter, temp, lat, lon) Liquid-Phase cloud Fraction= f(temperature) %
clcalipsotmpun (time_counter, temp, lat, lon) Undefined-Phase cloud Fraction= f(temperature) %
clopaquecalipso (time_counter, lat, lon) Opaque Cloud Fraction 1
clthincalipso (time_counter, lat, lon) Thin Cloud Fraction 1
clzopaquecalipso (time_counter, lat, lon) Mean altitude of opacity m
clcalipsoopaque (time_counter, height, lat, lon) Opaque Cloud profile Fraction 1
clcalipsothin (time_counter, height, lat, lon) Thin Cloud profile Fraction 1
clcalipsozopaque (time_counter, height, lat, lon) z_opaque Fraction 1
clcalipsoopacity (time_counter, height, lat, lon) Opacity Fraction 1
proftemp (time_counter, height, lat, lon) Temperature profile (40 lev) K
profSR (time_counter, column, height, lat, lon) Scattering Ratio profiles 1
atb532 (time_counter, column, height, lat, lon) Attenuated Total Backscatter 1
cfad_lidarsr532 (time_counter,scatratio,height, lat, lon) Scattering Ratio CFAD 1
beta_mol532 (time_counter, height_mlev, lat, lon) Molecular Backscatter m-1 sr-1

 

Diagnostiques de sorties Parasol
NomDimensionsDescriptionUnité
parasol_refl(time_counter, sza, lat, lon)PARASOL-like mono-directional reflectance1

 

Diagnostiques de sorties du simulateur radar Cloudsat
Nom Dimensions Description Unité
dbze94 (time_counter, height_mlev, column,  lat, lon)  CloudSat Radar Reflectivity  1
cfadDbze94 (time_counter, height, dbze, lat, lon)  CloudSat Radar Reflectivity CFAD  1

 

Diagnostiques de sorties Calipso/Cloudsat
Nom Dimensions Description Unité
cltlidarradar (time_counter, lat, lon) Lidar and Radar Total Cloud Fraction %
clcalipso2 (time_counter, height, lat, lon) CALIPSO Cloud Fraction Undetected by CloudSat %

 

Diagnostiques de sorties du simulateurMISR
Nom Dimensions Description Unité
clMISR  (time_counter, cth, tau, lat, lon)  Cloud Fraction as Calculated by the MISR Simulator  %

 

Diagnostiques de sorties du simulateur MODIS

Nom

Dimensions Discreption  Unité
cllmodis (time_counter, lat, lon) Cloud_Fraction_Low_Mean %
clhmodis (time_counter, lat, lon) Cloud_Fraction_High_Mean %
clmmodis (time_counter, lat, lon) Cloud_Fraction_Mid_Mean Fraction %
cltmodis (time_counter, lat, lon) Cloud_Fraction_Total_Mean %
clwmodis (time_counter, lat, lon) Cloud_Fraction_Water_Mean  
climodis (time_counter, lat, lon) Cloud_Fraction_Ice_Mean  
tautmodis (time_counter, lat, lon) Optical_Thickness_Total_Mean 1
tauwmodis (time_counter, lat, lon) Optical_Thickness_Water_Mean 1
tauimodis (time_counter, lat, lon) Optical_Thickness_Ice_Mean 1
tautlogmodis (time_counter, lat, lon) Optical_Thickness_Total_LogMean 1
tauwlogmodis (time_counter, lat, lon) Optical_Thickness_Water_LogMean 1
tauilogmodis (time_counter, lat, lon) Optical_Thickness_Ice_LogMean 1
reffclwmodis (time_counter, lat, lon) Cloud_Particle_Size_Water_Mean m
reffclimodis (time_counter, lat, lon) Cloud_Particle_Size_Ice_Mean m
pctmodis (time_counter, lat, lon) Cloud_Top_Pressure_Total_Mean Pa
lwpmodis (time_counter, lat, lon) Liquid_Water_Path_Mean kg m-2
iwpmodis (time_counter, lat, lon) Ice_Water_Path_Mean kg m-2
clmodis (time_counter, pressure2, tau, lat, lon) Cloud Area Fraction %
crimodis (time_counter, ReffIce, tau, lat, lon) Optical_Thickness_vs_ReffIce 1
crlmodis (time_counter, ReffLiq, tau, lat, lon) Optical_Thickness_vs_ReffLiq 1

 

 

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 

 

Validation des sorties Cosp :

Pour vérifier les diagnostiques de sorties Cosp pour le modèle LMDZ, j'ai mis en place une simulation d'un ans du modèle en y activant l'appel au simulateur toutes les 3h.

Voici ci-après les résultats obtenus comparés aux observations :

Llidar Calipso :


 

 

 

 

 

 

Radar Cloudsat :

 

Isccp :

 

 
 
Misr :

 

 
 
 
Modis :

 

Champs climatiques d'entrée pour Cosp :

Nom Cosp Description Unité
 longitude  longitude  degrees_east
 latitude  latitude  degrees_north
 height  height_in_full_levels  m
 pfull  p_in_full_levels  Pa
 pha  p_in_half_levels  Pa
 T_abs  air_temperature  K
 qv  specific_humidity  kg/kg
 rh  relative_humidity  %
 tca  total_cloud_amount  1
 cca  convective_cloud_amount  1
 mr_lsliq  mixing_ratio_large_scale_cloud_liquid  kg/kg
 mr_lsice  mixing_ratio_large_scale_cloud_ice  kg/kg
 mr_ccliq  mixing_ratio_convective_cloud_liquid  kg/kg
 mr_ccice  mixing_ratio_convective_cloud_ice  kg/kg
 fl_lsrain  flux_large_scale_cloud_rain  kg m^-2 s^-1
 fl_lssnow  flux_large_scale_cloud_snow  kg m^-2 s^-1
 fl_lsgrpl  flux_large_scale_cloud_graupel  kg m^-2 s^-1
 fl_ccrain  flux_convective_cloud_rain  kg m^-2 s^-1
 fl_ccsnow  flux_convective_cloud_snow  kg m^-2 s^-1
 orography  orography m
landmask  land_mask 1
height_half  height_in_half_levels m
psfc  surface_pressure Pa
Reff  hydrometeor_effective_radius m
dtau_s  Optical depth of stratiform cloud at 0.67 micron 1
dtau_c  Optical depth of convective cloud at 0.67 micro 1
dem_s  Longwave emissivity of stratiform cloud at 10.5 micron 1
dem_c  Longwave emissivity of convective cloud at 10.5 micron 1
skt  Skin temperature K
sunlit  Day points 1
emsfc_lw  Surface emissivity at 10.5 micron (fraction) 1
mr_ozone  mass_fraction_of_ozone_in_air kg/kg
u_wind  eastward_wind m s-1
v_wind  northward_wind m s-1

 

Implémentation de COSP 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  

ISCCPSimulateur 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).

Quelques résultats online :

CALIPSO-LMDZ, couverture nuageuse :     

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

 

Abderrahmane IDELKADI

 

 

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