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Modèle MARS3D : Configuration KAGOU

Grille du modèle

Extension de l’ancien domaine au Sud , Nord et Est :
Ancien fichier head :
prvi0 -21.60861 -22.41001 167.6775 165.4897 0.004859388 0.00525635 540.00 540.00 435 175 0 0 0 0 prvi
Nouveau fichier head :
KAGO0 -21.1730106 -23.5509744 168.0908819 165.5099683 0.0050584 0.0050672 539.99 539.99 485 210 0 0 0 0 CALS

On garde la rotation avec un angle de ( -45°) : Sens positif dans le sens des aiguilles d’une montre à partir du Nord.La nouvelle grille a été construite avec la version 2.1 de BMGTOOLS en ajustant les projections. (problème de cohérence entre la projection UTM de la version 1.4 et 2.1)
domaine modélisé : lagon sud calédonien

Bathymétrie du modèle

La nouvelle bathy a été construite en combinant l’ancienne bathymétrie et l’interpolation de données de sondes sur la nouvelle grille. Les données de sondes sont issues d’un MNT à 100 m de résolution (ct J.Lefèvre source des données ?). L’interpolation utilisée est celle du package fortran de BMGTOOLS pour construire une bathymétrie.Retouche avec BMGTOOLS (chek_bmg) d’une zone (est du domaine tourné) où les données sont érronnées.

Modification du code MARS pour la configuration lagonaire KAGOU

  • Ajustement de la routine parameter.F90
  • Nettoyage de la routine tideharm_nc.h+ modification de l’interpolation des valeurs de l’amplitude de la marée le long de la frontière Ouest
  • Correction de geom.F90 : On utilise dx=dxac et dy=dyac. Problème de cohérence de la transformation de dfi et dg
  • Sflxread.F90 :
    • Introduction de modification pour la lecture de WRF (cf Unités, temps d’origine )
    • Correction de la formule de rotation des composantes U et V du vent. La formule écrite est valable pour un sens de rotation positif dans le sens trigonométrique. Or , le sens de rotation est positif dans le sens des aiguilles d’une montre. On remplace (phi) par ( –phi) dans la formule
  • sflxrad.F90 et sflxsurf.F90 : Introduction du flux solaire incident et du flux IR pour WRF
  • suppression du module newcal.F90
  • Ajout du masque terre dans la routine bathy.F90
  • tsobc3dapply.F90 : introduction progressive des CL avec un temps TF. (tf =10 j à ajuster et diminuer peut être)
  • Diagnostic.F90 : * Lecture d’un fichier de position et date de mesure CTD et sortie dans un fichier texte des profils verticaux de température et salinité en ces points et aux dates correspondantes. Objectif : valider le modèle.
    • Calcul du transport barotrope dans les passes de Dumbéa,boulari,St Vincent et à l'entrée du Lagon entre la Corne Sud et l'ile des pins.
    • température et salinité horaire aux stations côtières équipées de thermosalinomètre
    • sortie des Niveaux à tous les pas de temps au Marégraphe de Nouméa et sur un point sur la côte Est.
    • Sortie du Courant 3D aux points de mesure ADCP

Paramétrisation de la configuration

Résumé

  • dtini = 30 s ; dt=36 s ; tobs = 1h
  • l_corio_cst = .true.
  • OBC en T,S,UZ,VZ (ORCA,BRAN)
  • Initialisation avec T ,S, UZ et VZ (ORCA,BRAN)
  • Marée : Modèle de J.Lefèvre (FVCOM)
  • l_radloss_bot= true
  • l_dragtype = 3
  • Vent + flux WRF
  • Parallélisation MPI sur caparmor sur 64 procs : decoupage du domaine en 2D

Forçage Atmosphérique

  • Modèle WRF à 4 km disponible de 2001 à 2008. Résolution temporelle : 1h. Modèle utilisé pour les runs
    • Flux radiatifs utilisés : Flux WRF (Clés CPP key_sflx_solar_wrf et key_sflx_ir_wrf)
    • Flux turbulents utilisés : Flux key_sflx_turb_default
    • Ajout des pluies du modèle WRF
  • Possibilité de récupérer GFS à 1° de résolution

Forçage océanique

  • ORCA025 : Modèle disponible de 1997 à 2007 (T,S,U,V,SSH au ¼ °, résolution temporelle : moyenne sur 5 jours) (Forçage des Runs)
  • HYCOM : 1/12° de 2003 à 2008
  • ROMS : 1/12° de 2000-2004 pour l’instant ( configuration plus fine à venir)
  • BRAN (Bluelink ) 1/12° avec une sortie quotidienne de 2001 à 2008
  • Mercator PSY3V2 ??

Preprocessing

Adaptation des routines fortran EXTRACT

  • ORCA : OK
  • HYCOM : OK . H0 non disponible donc on le calcule dans la routine. (l_calc_h0 = true)

Remplacement de la miss_val et fill_val par 999 et on renomme les dimensions lon et lat.
Modèle en Z

  • ROMS : Introduction dans EXTRACT du passage de coordonnées sigma en coordonnées Z . (cf F.DUMAS travail sur interpolation de Roms)
    • On convertit les profils sigma en z, sur un profil Z à définir par l’utilisateur. On interpole chaque couche Z (grille 2D) sur la grille fille (celle du modèle MARS de notre configuration) et on convertit les profils Z de la nouvelle grille en coordonnées sigma généralisés. Attention dans la routine conversionZ2mars à la cohérence de l’ordre des vecteurs selon la dimension k (croissant ou décroissant)
    • Changement de nom de la variable time (scrum_time en time)
    • On copie les tableaux lon et lat du fichier grid dans le fichier de sortie ROMS avec les autres variables
  • BRAN (Blue Link /Australie) : Modèle en Z. OK

Données

Visualisation

On dispose d'un logiciel de SIG adapté à la visualisation des champs 2D de données et des résultats de modèle : Ce logiciel développé par P.Douillet (IRD) est Map Camélia. Il permet de faire des contours de temperature ou salinité à partir des données CTD , ou des plot 2D à partir des sorties MARS en Netcdf

Base de données CTD

La base de données CTD a été développé sous Acess par P.Douillet et regroupe l'ensemble des mesures des campagnes océanographiques réalisées entre 1998 et 2006 :

  • possibilité de visualiser, imprimer et exporter des profils verticaux (température et salinité par exemple) par campagne, par stations, ou zone géographique
  • Extraction de valeurs statistiques (moyenne , variance dans une couche donnée)

position des stations CTD

Séries temporelles longues de température de surface : stations ONSET

Capteurs ONSET et SBE (cf A. Ganachaud, LEGOS, IRD)
http://www.ird.nc/ECOP/station_cotiere/catalogue_cotieres_2010.html
On retient cinq stations pour lesquelles nous disposons de données sur la période qui nous intéresse (2001 -2007)
On dispose pour ces cinq points d’une mesure de la température de l’eau à 10 m de profondeur toutes les heures

positions des stations ONSET mesurant la température de surface

Courantologie

positions des courantomètres

Nom station Longitude Latitude Plage Temporelle Plage de profondeur Type d'appareil
Entrée grande rade 166.395 -22.241 26/08/03 - 24/10/03 3-16 m
Mission métabolisme 166.4615 -22.3215 17/08/01 - 04/09/01 0-19 m
Campagne houlo1 166.5883 -22.4197 17/01/02 - 11/03/02 0-23 m
Boulari houlo2 166.521 -22.2717 10/04/02 - 10/06/02 3-14 m
Nord Baie de Dumbéa 166.363 -22.2203 06/11/02 - 03/01/03 3-15 m
chenal ilot maitre 166.42 -22.31 14/04/98 - 30/04/98 3-18 m
takaé nakaé 166.61 -22.38 02/06/98 - 06/07/98 3-27 m
banc gai sud pirogues 166.71 -22.37 26/08/98 - 29/09/98 3-28 m
sud riviere pirogues 166.67 -22.34 09/10/98 - 18/11/98 3-24 m
fichier 6 166.61 -22.34 15/01/98 - 12/02/98 3-26 m
Nord de l'ile Ouen 166.71 -22.38 01/12/99 - 11/01/00 3-32 m
PNEC1 166.39 -22.21 15/06/01 - 22/06/01 3-15 m
PNEC2 166.45 -22.31 22/06/01 - 27/06/01 3-12 m
ECHOLAG
T4C 166.97982 -22.37343 02/02/07 - 07/03/07 0-38 m LADCP US025
T5B 166.94533 -22.42663 02/02/07 - 08/03/07 0-39 m LADCP US025
T6B 166.82613 -22.522983 02/02/07 - 08/03/07 0-30 m ADCP CAMELIA (Workshore Monitor)
T3 167.03635 -22.34555 14/02/07 - 06/03/07 0-40 m ADCP Sentinel (Camelia)
T16B 167.22706 -22.453416 14/02/07 - 06/03/07 0-60 m ADCP Sentinel (INSU/CNRS)
TEST
M33 166.39003 -22.353783 06/04/07 - 18/04/07 ADCP Sentinel Camelia 8021
T4M1 166.98946 -22.37115 25/03/07 - 11/07/07 0-37.5 m ADCP Sentinel Camelia
T4côte 166.98623 -22.3667 27/08/07 - 04/10/07 0-37.7 m ADCP Sentinel Camelia
T4M2 166.98956 -22.370933 27/08/07 - 05/10/07 0-37.5 m Workshore Monitor Camelia
T4M3 166.9895 -22.370833 15/10/07 - 23/11/07 0-44 m ADCP Sentinel Camelia

Résultats

Diagnostics ONLINE

Sorties aux mêmes dates et mêmes positions que les données des profils verticaux de température et salinité du modèle (cf diagnostic.F90)
explication diagnostic ici !!!

Distribution de température et salinité dans le lagon Sud Ouest

Cette partie regroupe les résultats des données CTD des campagnes Océano de l'IRD. Les figures ont été traitées avec Map Camélia auquel est intégré un moteur uniras pour l'interpolation spatiale des données.

Fichier:Contours salinite 2002 2005.pdf

Dans un deuxième temps les données sont traitées avec MATLAB pour avoir un outil unique et pouvoir faire des calculs aisément à partir de ces données, ce qui n'est pas possible avec Mapcamélia qui trace juste des champs 2D.

Contours 2D de température et salinité dans le lagon sud ouest

Dans cette partie les même plots que ceux issus de MapCamélia ont été réalisés avec Matlab. il s'agit d'interpoler les données qui forment un nuage de point sur une grille régulière pour pouvoir les tracer et faire des traitements.On a choisi comme grille de référence la grille du modèle, ce qui permettra en plus de faire des comparaisons avec les résultats du modèle.
Résultats et figures ici

Vent thermique

Le calcul du vent thermique caractérise la géostrophie. Il s'agit de déterminer les composantes Ug et Vg de la vitesse géostrophique à partir de T et S. Il s'agit en fait d'intégrer le gradient horizontal de la flottabilité (calculé avec l'équation d'Etat à partir de T et S) sur la verticale en supposant que la vitesse au fond est nulle.Cette vitesse géostrophique nous renseignera sur les structures halines et thermiques dans le lagon. Résultats et figures ici

Evolution de la température et salinié au cours de cycles de 24H

On dispose de quelques points dans le lagon Sud Ouest pour lesquels la température et la salinité ont été enregistrés pendant 24H : Résultats et figures ici

Séries temporelles de température de surface : Stations ONSET

Résultats et figures ici

Courants

Traitement ADCP

Cette partie traite des données ADCP récupérées au près de l'IRD. Ces données sont des séries temporelles en un point sur toute la colonne d'eau.En général les séries durent un mois.

Résultats et figures ici

Evaluation du modèle météo WRF

Cette partie permettra de valider le modèle WRF utilisé en forçage de surface de MARS3D.Les données du modèle seront comparées aux mesures de station météo dans le lagon et aux données radar QuickSCAT.

Résultats et figures ici

Analyse de BRAN : Bluelink ReANalysis

Quelques analyses sur le modèle OGCM utilisé pour forcer MARS3D aux frontières.

Résultats et figures ici

Améliorations à apporter à la configuration

  • Travailler sur les flux :
    • Spatialisation albédo ,coeff d'extinction en fonction de la turbidité?
    • Formulation de la réflexion au fond
  • Introduire le rappel en T et S vers ORCA pour les parties profondes ? regarder d'abord la température en dehors du lagon.
  • Changer de conditions aux limites : utilisation de BRAN ? (1/12°)
  • La formulation des flux sur la verticale a été changée. On distingue les ondes bleue et rouge du spectre de la lumière qui ne pénètrent pas de la même façon dans la colonne d'eau selon le “type”(niveau de clarté) d'eau présente. En plus un coefficient de réflexion au fond spatialisé est introduit et l'on prend en compte le flux remontant dans la colonne d'eau.
  • Test sur l'inconsistence hydrostatique en fonction de la répartition des SIGMA (paramètre b et theta des sigma généralisés ) =⇒ il faut augmenter la résolution au fond (en augmentant b).
  • Introduction du débit des principales rivières du sud de la Nouvelle Calédonie.

Nouvelle formulation des flux radiatifs sur la verticale

Dans cette nouvelle formulation une distinction est faite entre les ondes longues (rouge) et les ondes courtes (bleu) qui pénètrent dans la colonne d'eau de façon différente. Une dichotomie est faite entre les ondes bleues et rouges vià un coefficient qui varie selon le type d'eau que l'on considère (eaux claires,très claires ou turbides). La longeur d'onde des deux types d'ondes varie aussi selon le type d'eaux.

Arrivé au fond de la colonne d'eau le flux radiatif peut se réfléchir sur le fond et remonter dans la colonne d'eau. Cette réflexion dépend de la nature du fond qui est classée en quatre types : Fond blanc sableux , Débris , Vase, Sable vaseux. Chaque type de fond possède un albédo propre (cf A.Roman-LSEET) qui est le coefficient de réflexion du flux au fond.
Dans un premier temps on impose un albédo moyen sur le lagon et on ne tient pas compte de la variabilité spatiale des fonds.
Pour diagnostiquer l'effet de la réflexion au fond on extrait les profils verticaux de température en quelques points du lagon et on compare l'allure des profils.
Résultats et figures ici

Mise en place du RUN LONG 2001-2008

Conditions de simulation

  • Période : 2001 à 2008
  • OBC,IC BRAN : température,salinité,vitesses et niveau
  • Forçage atmosphérique : WRF
    • Composantes radiatives : flux solaire et flux Infra-rouge directement de WRF (key_sflx_ir_wrf,key_sflx_solar_wrf)
    • Prise en compte des précipitations
    • Flux turbulents : flux de chaleur sensible et flux de chaleur latente calculés par MARS : key_slfx_turb_default
    • Introduction de la formulation de Jerlov sur la pénétration de la lumière dans la colonne d'eau : Cas moyen “Eaux tres claires”
  • Prise en compte des débits des rivières : dumbea est,dumbea nord,rivière bleue,rivière des lacs,couvelée,coulée,rivière des pirogues. Température moyenne de 25°C avec une amplitude de +- 3°C sur l'année (paramètre jhemisp à -1 dans paramain.txt).
  • grille rotationnée (45°) pour limiter le nombre de mailles à terre. (key_grid_rotated)
  • Marée du modèle FVCOM (cg J.Lefèvre) en éléments finis: key_tidenc
  • Sigma généralisés : key_siggen
  • Schéma compact pour l'advection sur la verticale : key_tssub_compact
  • Schéma d'advection horizontal : Quick(key_dyn_adv_quick) et pour les traceurs :schéma Quick + limiteur Ultimate + Macho splitting (key_tssub_adv_ultimatequickestmacho)

Sorties pour le RUN

  • output.dat
    • Salinité et température de surface 1 fois par jour à 00H00
    • Flux air/mer toutes les 24H
    • Bloc 3D filtré par démerliac
  • DIAGNOSTIC.F90
    • sortie tous les pas de temps du niveau au marégraphe de Nouméa et un point sur la côte Est (diagnostic.F90)
    • sortie de l'hydrologie au point et date des CTDs
    • série chrono au point fixe T et S : phare amédée, anse vata, …
  • l_trackpoint
    • sortie au point ADCP tous les pas de temps, tous les niveaux sur la durée des observations,
  • dyn3dxy et dyn3dyx
    • transport dans les passes Dumbéa, Boulari (profil de vitesse), corne Sud
  • sortie restart tous les 3 mois(cf paraspec.txt)

Tests

  • Flux ok
  • Test neutre : On ferme le domaine aux frontières, on coupe les flux atmosphériques (vent + flux de chaleur), on retire les OBC (marée+OGCM) , on enlève les rivières et on initialise le modèle avec élévation de surface libre nulle et une stratification homogène (même profil T,S sur tout le domaine) de manière à ne créer aucun courant “physique”.

Résultats et traitement des sorties MARS

C'est dans cette partie que seront visibles les traitements des sorties et diagnostics du RUN long. Résultats et figures ici

Problèmes rencontrés

  • Problème dans le run de 2002 : le modèle explose le 13 Aout 2002. Cela vient d'une condition limite en salinité erronée le 18 Aout et le 23 Aout (salinité à 0 dans ORCA).

Problème résolu en répliquant le champs du 13 Aout pour le 18 et 23 dans les fichiers OBC netcdf

  • bug dans MARS avec l_trackpoint : conflit entre les variables datestart_diag,dateend_diag des routines diagnostic.F90 et trackpoint.F90 : il faut différencier les deux et ne pas utiliser les mêmes variables.
  • Bug dans river.F90 : erreur d'indice sur le calcul de l'immersion de la couche sigmaw .

Bibliographie

Articles de Pascal Douillet sur travaux sur le lagon :http://www.ird.nc/CAMELIA/Pascal_Douillet.html

Rapport de validation du modèle en température , salinité par Rosalie Fuchs :Fichier:Validation physiquewrf.ppt

Documentation scientifique du code MARS 3D :Model for Application at Regional Scales. Scientific model Description ; 2009 ; F.DUMAS ; G.Langlois

Articles :
Seasonal Variations in the Circulation over the Middle Atlantic Bight Continental Shelf ; SJ Lentz ; JPO 2008
Weather regimes and orographic circulation around New Caledonia ; J.Lefèvre ; MPB ; 2010

Thèses :

Etude et Validation des couches limites atmosphérique et océanique à l'échelle locale ; C.Renaudié

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