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Diagnostics autour du modèle LMDZ

Ce travail entre dans le cadre de la préparation de la prochaine prospective du modèle LMDZ (février 2019). Ce document a pour but de faire "un état des lieux" des différents outils de diagnostics et d'analyse autour du modèle LMDZ.  Cela permetterait d'identifier ce qui existe déjà et éventuellement ce qu'il faut mettre à jours ou à développer dans l'avenir.

On peut classer ces diagnostics en 2 catégories, les diagnostics "online" , calculés au cours d'une simulation du modèle et, "offline" calculés en poste-traitement à partir des sorties d'une simulation.

diagnostics online :

Ces diagnostics sont calculés au cours d'une simulation du modèle. On peut en distinguer :

- Le package de simulateurs d'observables satellites COSP ayant pour but d'évaluer la représentation des nuages dans le modèle LMDZ. COSP intégre un ensemble de 6 simulateurs d'observables satellites (Lidar Calipso, Radar Coudsat, Parasol, Isccp, Misr, Modis). Une page web décrivant COSP, son implémentation dans LMDZ et les aspects techniques pour l'utiliser,  est accessible sur : http://lmdz.lmd.jussieu.fr/Members/aidelkadi/cosp

- Le simulateur AIRS, implémenté dans le modèle mais n'est pas encore opérationel. Une page décrivant cette partie est en cours de développement : http://lmdz.lmd.jussieu.fr/Members/aidelkadi/airs

- Calcul du forçage radiatif :

Dans le code, au cours d'une même simulation, on peut activer le double appel au code de transfert radiatif :

- en perturbant, une ou un ensemble de concentrations de gaz à effet de serre

- ou en modifiant les aérosols

Les différents flux radiatifs obtenus permettent de calculer les forçages liés aux perturbations des concentrations des gaz à effet de serre ou des aérosols.

 

diagnostics offline :

Ces diagnostics sont calculés en poste-traitement à partir des sorties des simulations.

On peut les classer en plusieurs catégories.

diagnostics libIGCM :

Quand on utilise l'utilitaire libIGCM de l'IPSL pour lancer une simulation, on peut calculer automatiquement un ensemble de diagnostics à la fin de cette simulation :

- Les atlas clasiques : développés à l'origine par Patrick Brockmann à l'IPSL. Les atlas sont le résultat d'un post-traitement qui va créer une collection de tracés présentés dans une arborescence web. Chaque figure est disponible sous forme d'images et de fichiers pdf. Les cartes ou tracés sont réalisés avec le logiciel ferret et l'utilisation des bibliothèques de scripts ferret FAST et ATLAS. Plus d'information peuvent trouvées sur l'usage de ferret et de ces bibliothèques à partir de http://wiki.ipsl.jussieu.fr/IGCMG/Outils/ferret

- Le monitoring : permettant de suivre la progression d'une simulation en machine et de surveiller l'évolution temporelle de grandeurs atmosphériques clés.

- L' inter monitoring : Pour vous permettre de faire le suivi simultané de plusieurs simulations, une application web a été crée pour superposer l'évolution temporelle de même grandeurs. Cette application est accessible à partir de ICMC Web Applications. Un tutoriel vidéo est disponible ici.

Ces diagnostics sont pilotés via libIGCM dans le fichier de configuration de la simulation config.card : http://forge.ipsl.jussieu.fr/igcmg/wiki/Modipsl_post#Lespost-traitementsaveclibIGCM

 

Multis-Atlas :

Un ensemble d'outls de diagnostics et d'analyses est développée au LMD pour analyser les simulations et pour le réglage du modèle LMDZ. Ces outils sont utilisés sur la machine Ciclad de l'IPSL sous un seul compte. Plusieurs utilisateurs peuvent se connecter sur  ce compte et utiliser en même temps ses outils. Ils incluent les diagnostics suivants :

  • Multis-Atlas :
    Ces atlas sont faits à la base en utilisant Climaf (voir plus loin). Ils sont constitués d'ensemble de cartes de champs climatiques supérposées pour plusieurs simulations et pour les observations. Ces cartes peuvent être réalisées à partir des moyennes annuelles et saisonières JJA  et  DJF. Elles peuvent être également réalisées sous forme de biais par rapport aux observations ou par rapport à une simulation de réference.

exemples :  Atlas_annuel Atlas_DJF Atlas_JJA

  • Métriques :
    - Tuning :

Le réglage du modèle consiste à l'ajustement d'un ensemble de paramètres clés des paramétrisations physiques afin que le climat global répond à un ensemble d'objectifs scientifiques pré-définis par les chercheurs. Le 1er régalage est basé sur les flux radiatifs aux sommet de l'atmosphère de façon à avoir un bilan à peu près équilibré.

exemple : Metrics

- Métriques PCMDI :

exemple : Metrics_PCMDI

  • ECM Val  Tools :
    Variabilité atmosphérique, variabilité atmosphère/Océan

exemple : EcmValTools

  • diagnostics spécifiques aux différents axes de recherche, en fonction de la région ou du phénomène étudié.

- Surface continentale :

exemple :

- Variabilité des précipitations tropicales :

  • Analyse LMA (Local Modes Analysis) :

exemple : LMAs

  • Variabilité des précipitations comparée au TRMM :

exemple : VariabPrecip

  • Distribution moyennes précipitations, comparée au TRMM et GPCP (océan/continent) :

exemple : VariabPrecip

- Nuages et rayonnement :

  • Courbes de moyennes zonales (anuelles, JJA, DJF)  :

exemple : MZ_annuel MZ_jjal MZ_djf MZ_Amma

  • Histogramme Reflectance Parasol / Fraction nuageuse Calipso :

exemple : Refl_Cld

  • Classification en régimes dynamiques tropicaux :

exemple : RegDyn

- Climat polaire :

  • Précipitations LMDZ en Antartique comparées à celles Cloudsat :

exemple : Precip_Antar

  • Température 1er niveau Dôme C (CALVA) :
exemple : TempDom
- Comparaison aux stations (AMMA/SIRTA ou bouées) :

 

Voici dans le tableau ci-dessous, une description technique des différents scripts utilisés :

 

Sorties nécessaires pour tourner les diagnostics multi-atlas pour LMDZ :

Les atlas ont besoin en entrée des fichiers de moyennes saisonnières (SE) obtenus à partir des sorties des simulations.Les diagnostics spécifiques ont besoin en entrée soit des fichiers SE, soit des fichiers des séries temporelles mensuelles (TS_MO) ou journalières (TS_DA) obtenus à partir des sorties de la simulation.

 

Nom du Script

Fichier nécessaire

Variables nécessaires

cmor.sh

SE

Flat , sens , precip , wind10m, LWdnSFCclr, LWdnSFC, LWupSFC, SWdnSFCclr, SWdnSFC, SWupSFCclr, SWupSFC, SWupTOAclr, SWupTOA, SWdnTOA, topl, topl0, wind10m, t2m, ave_t2m_daily_max, ave_t2m_daily_min, tsol, tsol_oce, q2m, rh2m, taux_oce, tauy_oce, slp ; fact=0.01, z500, bils, prw, temp, vitu, vitv, vitw, ovap, rhum, clcalipso, cltcalipso, clhcalipso, clmcalipso, cllcalipso , cldl , cldm, cldh, cldt

season.sh

SE

sfcWind,hfls,hfss,huss,hurs,pr,rldscs,rlds,rlus,rsdscs,rsds,rsuscs,rsus,rsutcs,rsut,rlut,rlutcs,rsdt,sfcWind,tas,ts,sst,tauu,tauv,psl,zg500,hfns,ta,ua,va,wap,hus,hur,clcalipso,cllcalipso,clmcalipso,clhcalipso,cltcalipso,clt,prw,cll,clm,clh,tasmax,tasmin

atlas.sh

SE

Définis dans atlas-def

multi_ZONE.sh

SE

pr prw rstt rlut rtt crelt crest crett hfns hfls tas sst tauu tauv psl zg500 rsts rsut rlutcs albs albt cress crels crets rts rah rahcs rahcre rlah rlahcs rlahcre rsah rsahcs rsahcre hurs hfss rldscs rlds rlus rsdscs rsds rsus rsuscs rsutcs prw rttcs rsttcs cllcalipso clmcalipso clhcalipso cll clm clh

metrics.sh

SE

SWupTOA clhcalipso cllcalipso clmcalipso cltcalipso cldt flat sens rh2m q2m precip tsol t2m tsol_oce LwdnSFCclr LwdnSFC LwupSFC topl0 topl SwdnSFCclr SwdnSFC SwdnTOA SwupSFCclr SwupSFC SwupTOAclr prw

slp rsut clhcalipso cllcalipso clmcalipso cltcalipso clt hfls hfss hurs huss pr ts tas sst psl rldscs rlds rlus rlutcs rlut rsdscs rsds rsdt rsuscs rsus rsutcs prw

mk_all_regdyn.sh

SE

TS_MO

w500 precip tops tops0 topl topl0 sols sols0 soll soll0 pourc_ter cllcalipso clmcalipso clhcalipso cltcalipso

cvdp4atlas.sh

TS_MO

psl ts tas pr

(slp tsol t2m precip)

perfm4atlas.sh

TS_MO

od550aer sicf ua va slp tsol t2m ta precip topl topl0 SWupTOA SWupTOAclr hus zg cldt od550lt1aer

od550aer sic ua va psl ts tas ta pr rlut rlutcs rsut rsutcs hus zg clt od550lt1aer

make_lma.sh

TS_DA

v700, u850. topl precip

make_axe2.sh

SE

pourc_ter, pourc_lic, pourc_oce, pourc_sic, tsol, precip

Axe2_Marine.sh

TS_DA

precip, plul, pluc

make_pcmdi.sh

Fichiers .jeson

tas|ta-|psl|pr|rsut|rlut|rsutcs|rlutcs|uas|ua-|vas|va-|gp

make_axe4.sh

SE

temp,snow,geop,phis

make_scatReflCld.sh

histdayCOSP.nc

pourc_oce,parasol_crefl,Ncrefl,cllcalipso, cltcalipso

make_VerticalMzCldCalipso.sh

SE

clcalipso,clcalipsoliq,clcalipsoice

bibi.sh

TS_DA

q2m t2m soll sols t2m_min t2m_max LWupSFC LWdnSFC SWupSFC SWdnSFC precip tsol flat sens

bibi.sh

TS_DA

t2m soll sols LWdnSFC SWdnSFC precip flat sens

SE_buoy.sh

SE

t2m rh2m wind10m difftats


 

diagnostics et métriques Cosp pour évaluer les nuages dans LMDZ :

  • Métriques CFMIP :

Pour analyser les sorties COSP des modèles, une série de métriques est développée et mise à disposition par la communauté CFMIP :  https://www.earthsystemcog.org/projects/cfmip/diagcode

Exemples :

Zonal plots of Simulated cloud and hydrometeor fraction compared with CALIPSO-GOCCP and CloudSat

Low-level cloud distribution and optical properties: CALIPSO, Parasol, CERES

A-train satellite instantaneous cloud property observations for process-oriented evaluation (CALIPSO-PARASOL)

  • Scripts développés pour la validation de COSP dans LMDZ :

Pour valider les sorties COSP dans LMDZ, une série de scripts est développée afin de comparer les simulations aux observation. On distingue :

- scripts pour comparer les différentes fractions des nuages (bas, moyens, hauts, totaux) aux observations pour les différents simulateurs (Calipso, Modis, Isccp et Misr) :

Exemples :  Calipso_cld_all Isccp Misr Modis

- scripts pour comparer les différentes fractions nuageuses suivant les phases liquide et glace aux observations pour les simulateurs Calipso et Modis :

Exemples :

- scripts pour comparer la distribution verticale de la moyenne zonale de la fraction nuageuse pour Calipso pour les différentes phase (fraction totale, liquide et glace)

- scripts histogrammes ()

 

Diagnostics stratosphériques et de circulation méridienne (F. Lott, L. Guez)

Cf. Lott (2005, figures 5, 7, 9, 11, 13) et Hourdin (2006, figure 4).

Diagnostics de circulation méridienne. Fonction de courant résiduelle moyenne, Flux d'Eliassen-Palm, moyenne eulérienne transformée du vent.

Climat troposphérique et variabilité aux moyennes latitudes. Moyenne saisonnière et inter-annuelle du géopotentiel à 700 hPa, RMS, RMS haute fréquence.

Ondes planétaires stratosphériques. Pour chaque vibration zonale de géopotentiel, moyenne mensuelle inter-annuelle, amplitude et phase, variance inter-annuelle.

Variabilité de la moyenne zonale du géopotentiel.

Réchauffements stratosphériques soudains.

Tous ces post-traitements partent habituellement des moyennes
journalières sur lesquelles on commence par faire une interpolation à des niveaux de pression.

 

Calcul du forçage radiatif :

- Mini-code de calcul implémenté dans LMDZ

Ce mini-code a pour but de calculer le forçage radiatif dû à une perturbation de concentrations des gaz à effet de serre ou du profil d'ozone et ainsi de la sensibilité climatique. Une note technique décrivant la méthode de calcul du forçage radiatif, le mode d'utilisation avec des résultats, est disponible via le lien : http://www.lmd.jussieu.fr/~idelkadi/note_forcage.pdf

Ce calcul doit être mis à jours dans les versions récentes du modèle.

- Code PRP de calcul du forçage radiatif utilisant les sorties de LMDZ

 

CLIMAF:

Climaf est un logiciel développé dans le but de faciliter les diagnostics scientifiques dans le domaine de la modélisation climatique.

https://climaf.readthedocs.io/en/master/

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