Les champs geophysiques doivent etre transformes avant d'etre utilisable par le
modele. Le present document presente les methodes de pre-traitement qui sont
actuellement disponibles dans le modele GEF.
D'abord, a l'entree du modele, ces champs doivent etre lus et places sur la
grille de calcul demandee par l'usager. Selon le choix de la grille de calcul
et la disponibilite d'analyses de champs de surfaces, ainsi que la
disponibilite de champs climatologiques ou geophysiques sur cette grille, il
est parfois inevitable de recourir a des interpolations. Les champs doivent
etre manipules avec soin a cette etape afin de preserver la consistance des
champs lus a la source. La premiere section traite de ces contraintes et
decrit de quelle facon le modele GEF fonctionne a cet egard.
La deuxieme section porte sur les pre-traitements que nous devons appliquer
dans le modele aux analyses de glace, d'albedo, de neige ou eventuellement
d'humidite du sol lorsque celles-ci ont ete effectuees sur une grille qui est
differente de la grille demandee pour le modele. Nous decrirons egalement les
traitements rendus necessaires a la suite du filtrage du champ de topographie.
C'est dans l'entree du modele que sont lus les champs geophysiques, ces
derniers pouvant etre disponibles sur une grille globale. Si l'on fait
exception du champs de topographie, le mandat de l'entree se limite strictement
a la lecture et a l'interpolation des champs geophysiques requis vers la grille
de calcul, tout en preservant la consistance de ces champs. Bien sur, si tous
les champs requis sont fournis a l'entree sur une grille qui est identique a la
grille de calcul, alors l'entree ne fait que lire et reecrire ces champs sans
autres traitement que les transformations d'unites dans le cas de certaines
variables. La grille de calcul est donnee par l'usager par l'entremise des
directives au programme "GEFGRD". Les champs peuvent etre interpoles
vers la grille de calcul non decalee ou decalee du modele. Les champs
geophysiques seront generes sur la grille ou la physique est appliquee. Pour
l'instant on a choisi d'appliquer la physique sur la grille non decalee. Le
champs de topographie ne subit pas le meme traitement que les autres champs
dans l'entree du modele. Outre la lecture, l'interpolation et la reecriture,
l'entree doit egalement appliquer un filtre, lorsque requis, AVANT la lecture
et l'interpolation verticale des champs dynamiques. Le champs de topographie
fait egalement exception au niveau du choix de la grille car ce champs doit
etre interpole sur la grille non decale quelque soit le choix de la grille ou
la physique est appliquee.
Les champs geophysiques peuvent provenir de deux sources: le fichier
climatologique et/ou le fichier d'analyse.
Le fichier climatologique contient obligatoirement les champs geophysiques
suivants:
- Champs invariant dans le temps:
- Masque terre/mer (MG)
- Topographie (ME)
- Log de la longueur de rugosite (ZP)
- Launching height (LH)
- Champs climatologiques (un champs pour chaque mois):
- Humidite du sol (HS)
- Temperature de surface (TS, valable sur terre)1
- Temperature profonde (TP, valable sur terre)1
- Temperature de l'eau (TM, valable sur l'eau)1
- Albedo (AL)1
- Pourcentage de neige au sol (NE)1
- Pourcentage de glace sur l'eau (GL)1
1: Champ de surface
analyse operationnellement (en date du 15 mars 1995)
Si l'entree du modele tente de lire l'un de ces champs et qu'elle s'en trouve
incapable, le modele s'arretera.
Le fichier d'analyse contient "potentiellement" des analyses de champs de
surfaces. On utilise ici le mot "potentiellement" parce que l'histoire recente
montre que l'un ou plusieurs de ces champs analyses peuvent a l'occasion etre
manquant dans les passes operationnelles, ou paralleles. De plus, ils peuvent
tres certainement etre manquants dans un contexte de developpement lorsque
nous utilisons des analyses portant sur des cas historiques (cas FGGE).
L'entree doit etre capable de prendre la bonne decision, c'est-a-dire de lire
le champ climatologique si l'analyse n'y est pas, mais il y a d'autres
complications lorsque plusieurs grilles sont presentes. Nous reviendrons sur ce
point. Reglons tout d'abord les cas simples.
Le traitement des temperatures est simple. Que ces champs soient analyses ou
climatologiques, ILS SONT CONTINUS. C'est a dire que le champs TS qui n'a de
signification que sur terre, possede une valeur a tous les points de grille. De
meme, le champs de temperature de la mer TM possede des valeurs sur tout le
domaine.
De cette facon, les differences entre le masque terre-mer du modele et le
masque terre-mer du champ de temperature a la source ne cause pas de probleme
dans la mesure ou ces masques sont semblables a grande echelle ce qui est le
cas. Donc pour ces trois champs, lorsque l'analyse du champs est presente, on
se borne a en faire la lecture, on procede a une interpolation cubique sur la
grille demandee s'il y a lieu, suivie d'une transformation de celcius a kelvin,
et de l'ecriture pour le fournir au modele.
Si un de ces champs est manquant dans le fichier d'analyse, un message
explicite apparaitra dans le "listing" ainsi que dans le cmc_log_file.
L'entree lira alors le champ climatologique correspondant au mois courant ainsi
que celui du mois precedent ou encore celui du mois suivant, le plus pres des
deux, selon la date du jour du mois courant. Les deux champs sont ensuite
interpoles cubiquement sur la grille ou la physique est appliquee. Enfin le
champ resultant est donne par une interpolation lineaire temporelle des deux
champs climatologiques mensuels. L'interpolation lineaire tient compte de la
date du jour du mois courant.
Ces champs sont egalement traites de facon tres simple dans l'entree. Ces
champs sont lus, interpoles lineairement s'il y a lieu, puis ecrits. Ces champs
sont interpoles lineairement parce qu'ils sont reputes de basse qualite (
conseil d'Yves Delage).
Le champ de topographie est lu, interpole cubiquement sur la grille non decalee
du modele s'il y a lieu, et le champ est filtre selon les directives. On fait
ensuite une transformation d'unite de "metres" a hauteur geopotentielle avant
d'ecrire le champs. Voir en Annexe pour une description des directives de
l'entree portant sur le traitement de la topographie.
Le champ non filtre est egalement ecrit pour utilisation ulterieure dans le
pre-traitement des autres champs geophysiques. Etant donne que ces deux champs
de montagnes doivent etre facilement distinguables, ils portent a la sortie de
l'entree deux "NOMVAR" distincts:
- MX pour le champs de montagnes filtre.
- MT pour le champs de montagne non-filtre.
Le champs definissant le masque terre-eau est lu, interpole PLUS PROCHE VOISIN
s'il y a lieu, et ecrit.
Le champs d'humidite du sol est lu, pour le mois courant ainsi que pour le mois
precedent ou suivant, le plus pres des deux selon le jour du mois courant. Les
deux champs climatologiques mensuels sont ensuite interpoles PLUS PROCHE VOISIN
s'il y a lieu d'interpoler. Le champ resultant est obtenu en effectuant une
interpolation lineaire temporelle qui tient compte de la date du jour du mois
courant.
La consistance entre le masque terre-mer et le champs HS est assuree par le
fait que les deux champs proviennent de la meme grille et que l'interpolation
est PLUS PROCHE VOISIN dans les deux cas.
Le traitement de ces champs est tres delicat parce que ces derniers doivent
etre consistants ou etre rendus consistants avec le masque terre-mer du modele.
Contrairement au champs HS, ces champs peuvent etre analyses et provenir d'une
grille source qui possede un masque terre-mer qui differe de celui qui decoule
de la grille demande par l'usager.
Pour ces trois champs, on cherche d'abord l'analyse. Si l'analyse est manquante
pour l'un de ces trois champs, l'entree utilisera la climatologie pour les
trois champs. Un message explicite apparaitra alors dans le "listing" ainsi
que dans le cmc_log_file.
Si les trois analyses sont presentes sur une grille equivalente a celle du
modele, alors les champs sont simplement ecrit.
Si les trois analyses sont presentes mais leurs grilles sources different de
celle du modele, elles sont alors interpolees PLUS PROCHE VOISIN sur la grille
demandee. De plus, l'entree tentera alors de lire un champs nomme MQ qui
represente le masque terre-eau qui a ete utilise pour effectuer l'analyse de
GL, AL et NE.
Si le champs MQ ne peut etre lu, l'entree utilisera la climatologie pour les
trois champs GL, AL, NE. Un message explicite apparaitra alors dans le
"listing" ainsi que dans le cmc_log_file.
Si le champs MQ est lu avec succes, il est alors interpole PLUS PROCHE VOISIN
sur la grille demandee de la meme facon que les champs analyses associes. Ce
champ MQ ainsi que les trois analyses sont ensuite ecrits. Dans ce cas, il
faudra avoir recours a un algorithme qui assure la consistance. Ce dernier est
applique dans le modele. Il est decrit a la section suivante. De plus, dans ce
cas, les champs climatologiques de GL,AL et NE seront egalement lus et traites.
Nous verrons pourquoi plus loin.
Lorsque c'est la climatologie qui est lue et traitee, il y aura lecture du
champ climatologique du mois courant ainsi que du mois le plus pres et
interpolation temporelle en fonction de la date du jour du mois courant. Les
interpolations vers la grille demandee sont encore une fois de type PLUS
PROCHE VOISIN s'il y a lieu. Dans ce cas, le probleme de coherence avec le
masque ne se pose pas puisque le masque terre-mer provient de la meme grille
source que les champs et dans tout les cas l'interpolation est PLUS PROCHE
VOISIN.
Lorsque le masque (MQ) correspondant aux champs GL, AL et NE provient d'une
grille autre que celle correspondant au masque (MG) utilise par le modele, il y
a un serieux probleme de consistance a regler qui est resolvable si le masque
terre-mer (MQ) de l'analyse est disponible.
Le modele EFR actuellement en operation ne peut pas faire l'importation de
champs GL et/ou AL analysees en provenance d'une grille source qui differe de
la grille source de son masque terre/mer ou la grille source de son champs de
montagne. Il en resulte qu'il est impossible de soumettre le modele EFR avec
une analyse de glace effectuee sur une grille autre que la grille courante de
calcul a moins de... a moins de lire tous les champs climatologiques sur LA
grille source qui a servi a l'analyse en question. Cela inclut le champ de
montagne source. Cette contrainte du modele EFR est ici indesirable pour
plusieurs raisons:
- A court terme nous ne disposons pas d'analyse de champs geophysiques sur
grille GEF et non plus de champs geophysiques climatologiques sur grille GEF.
Par contre, nous disposons d'analyses globale du modele SEF pour effectuer
notre developpement. Nous voudrions donc prendre avantages de ces analyses
sans pour autant y perdre au niveau de la resolution dans le masque terre/eau
ou pire encore dans la resolution du champs de topographie.
- A plus long terme, nous desirons que ce modele soit d'utilisation souple
dans un contexte ou la configuration de la grille soumise n'est pas toujours
la meme. Cela peut etre utile aux operations ainsi qu'au
developpement.
L'algorithme de consistance suivant est applique dans le
modele. Pour chaque point de grille du modele on procede alors de la facon
suivante:
- Le modele a un point de terre (MG > 0.5) et l'analyse un point d'eau
(MQ < 0.5). On cherche au voisinage du point de grille un point de terre a
l'aide du masque d'analyse (MQ > 0.5). (Voir option gnpoin en Annexe)
- Si on trouve lors de la fouille au moins un point de terre, les valeurs de
GL, AL et NE du point courant seront donnees par la moyenne des valeurs
analysees des points de terre (MQ> 0.5) trouves au voisinage.
- Si l'on ne trouve pas un point de terre dans le voisinage a l'aide du
masque d'analyse, on a alors deux options selon la valeur de la directive
glclim:
- FALSE: on change ce point de terre en point d'eau: cela implique de
prendre les valeurs de MG, GL, AL, NE, HS des points d'eau voisins pour
recalculer ces champs pour le point courant.
- TRUE: on affecte les valeur climatologiques de GL, AL, NE pour ce point ,
puisque la climato provient de la meme grille que le masque MG, les valeurs
climato y sont, en principe, des valeurs de point de terre.
- Le modele a un point d'eau (MG < 0.5) et l'analyse un point de terre
(MQ > 0.5). On cherche au voisinage du point de grille un point d'eau a
l'aide du masque d'analyse (MQ < 0.5) (Voir option gnpoin en Annexe).
- Si l'on trouve au moins un point d'eau, les valeurs de GL, AL, NE du point
courant seront donnees par la moyenne des valeurs analysees des points d'eau
(MQ< 0.5) trouves au voisinage.
- Si on ne trouve pas un point d'eau au voisinage a l'aide du masque
d'analyse, on a alors deux options selon la valeur de la directive glclim:
- FALSE: on change ce point d'eau en point de terre cela veut dire de
prendre les valeurs de MG, GL, AL, NE, HS des points de terre voisins pour
recalculer ces champs pour le point courant .
- TRUE: affecter les valeurs climatologiques de GL, AL, NE pour ce point
(puisque la climato provient de la meme grille que le masque MG, les valeurs
climato y sont, en principe, des valeurs de point d'eau).
Pour des raisons dynamiques, le champ de topographie doit etre filtre en
fonction de la grille du modele de facon y amortir ou encore y eliminer les
amplitudes du champs dont la longueur d'onde est voisine de l'echelle
non-resolue. Ce filtrage de la topographie a pour effet "d'etendre" les
montagnes sur l'eau dans les regions cotieres montagneuses ( sur la cote ouest
des continents Americains) ou encore dans les secteurs ou il y a des lacs au
voisinage de terrains ayant un relief relativement accidente ( lac superieur ).
On retrouve donc, a la sortie du filtre, des plans d'eau a elevation variable
composes de points de grille d'eau dont l'elevation est irrealiste par rapport
a la realite. Les parametrages physiques peuvent reagir fortement par
endroits a ces modifications de la topographie sur l'eau. Il est donc d'usage
courant d'effectuer des modifications aux champs geophysiques pertinents en
fonction de la " topographie filtree ".
Dans le modele EFR, on a choisi de "transformer" un point d'eau en point de
terre, si ce dernier est un point d'eau de mer qui a une elevation de plus de
25 metres. Par contre, si un point d'eau de mer a une elevation de moins de 25
metres, le champs de topographie y est remis a zero. Les points de grilles
d'eau douce ne sont pas transformes en terre de facon a evite la perte de
resolution de certains lacs. Un point d'eau est considere comme un point d'eau
douce si il est trouve a l'interieur d'un des rectangles predefinis a cette
fin, alors que tout point d'eau se situant a l'exterieur de ces rectangles est
considere comme un point d'eau de mer. Les rectangles dont les coordonnees
sont en latitudes - longitudes ont ete prepares manuellement principalement
pour l'amerique du nord en considerant les lacs "visibles" avec la grille du
modele EFR a 50 km. La transformation d'un point d'eau en un point de terre
consiste a modifier la valeur du masque terre/eau (MG), de la superficie de la
glace (GL), de l'albedo (AL), ainsi que de l'humidite du sol (HS). Les
valeurs de MG, GL, AL et HS du nouveau point de terre sont obtenues en
effectuent une moyenne arithmetique de ces champs en provenance de "reels"
points de terres se situant au voisinage du nouveau point de terre. On
obtient donc un nouveau point de terre dont les proprietes (humidite, albedo,
etc) sont consistantes entre elles et representative des points de terre du
voisinage.
Le modele GEF peut traiter les champs geophysiques de facon similaire au
modele EFR, sauf pour ce qui est de la remise a zero de la topographie. Les
rectangles qui servent a discriminer les points d'eau douces des points d'eau
de mer du modele EFR version 3.1 font partie de la programmatheque GEF.
Nous proposons cependant des options pour effectuer un traitement different de
ce qui est fait dans le modele EFR pour plusieurs raisons:
- La valeur arbitraire de 25 metres ne peut etre adequate pour toutes les
configurations de grille et de structure verticale du modele. La facon dont on
peut etablir la valeur de ce parametre pour une configuration donnee n'est pas
evidente.
- Il semble risque de modifier le champ de topographie apres que ce dernier
ait ete filtre puisque cela a pour effet de re-introduire des longueurs
d'ondes pres de l'echelle non-resolues dans le champs de topographie. La
remise a zero du champs de topographie est donc remise en question.
- La transformation de points d'eau en points de terre peut entrainer une
serieuse deterioration de la resolution au niveau du masque terre-mer (perte de
baies/presqu'iles, perte de Golf, soudure d'iles entre elles ou avec le
continent, etc ).
- L'identification de l'eau douce a l'aide de rectangles doit etre
manuellement effectues en definissant des boites de longitudes-latitudes cas
par cas. Ces boites doivent etre recalibrees a chaque fois que le modele
change de resolution horizontale ce qui est fastidieux.
La methode
alternative proposee pour GEF est de corriger la temperature de la surface de
l'eau en tenant compte du soulevement de ce point d'eau comme s'il s'agissait
d'une parcelle d'air (Y. Delage). De cette facon, les parametrages physiques ne
devraient pas reagir au fait que des points d'eau ont ete souleves par le
filtre sur les montagnes. A ce stade-ci, cela demeure une hypothese.
Il est clair que le traitement effectue dans le modele EFR donne d'excellents
resultats pour ce modele. Le traitement effectue par GEF a ete fortement
inspire de celui du EFR.
Les options GEF qui s'ecartent de ce qui est fait dans le modele EFR
representent des ameliorations potentielles. On devra experimenter de facon a
determiner la combinaison qui donne les meilleurs resultats.
On trouve en annexe une description des options de lancement du modele qui
permettent de controler les differentes actions de cette mecanique.
- Option: gltopo
- TRUE: Le modele utilisera une topographie non nulle dont le champ source
est designe par le "NOMVAR" ME. Cet enregistrement provient du fichier
climatologique fourni au modele.
- FALSE: Le modele aura une topographie nulle.
- Option: gltfilmx
- TRUE: Un filtre de type 2 delta x sera applique au champ de topographie.
- FALSE: Pas de filtre 2 delta x applique.
- Option: grmtdf
- Nombre reel: Cette variable porte la valeur du coefficent de diffusion si
on desire appliquer l'operateur de diffusion implicite du modele sur le champ
de topographie. Ce coefficient sera module par une trame qui tient compte de la
variabilite de la grille s'il y a lieu. (voir documentation de l'operateur de
diffusion).
- -1 (<=0.0) L'operateur de diffusion ne sera pas applique au champ de
topographie.
- Option: glclim
- lorsqu'on applique l'algorithme de consistance entre les masques MG et MQ
et que la recherche d'un point de terre ou d'eau au voisinage a echouee on a
les deux options suivantes:
- FALSE: on change un point de terre en point d'eau ou vice et versa, cela
implique de prendre les valeurs de MG, GL, AL, NE, HS des points d'eau ou de
terre voisins respectivement, pour recalculer ces champs pour le point courant.
- TRUE: on affecte les valeur climatologiques de GL, AL, NE pour ce point,
puisque la climatologie provient de la meme grille que le masque MG, les
valeurs climatologiques de ces champs y sont, en principe, des valeurs
coherentes avec le masque.
- Option: gnpoin
- Nombre de passes (et distance en terme de points de grille) lors de la
recherche d'un point de terre ou encore d'un point d'eau. Cet algorithme est
utilise dans deux circonstances:
- Dans le contexte du retablissement de la consistance MG vs MQ (recherche
de points d'eau ou recherche de points de terre selon le cas).
- Dans le contexte de la transformation de points d'eau en terre a la suite
du filtre sur les montagnes.
- La recherche de fait par passes successives; d'abord sur les huit (8)
points voisins (premiere passe). Si la recherche est infructueuse, on passe a
la deuxieme passe sur les (16) points "deuxieme voisins", et ainsi de suite
jusqu'a ce qu'on trouve au moins un point au cours d'une passe ou jusqu'a une
limite de gnpoin passes.
- Option: gnhsea
- Un point d'eau de mer est transforme en point de terre si la hauteur de ce
dernier est de plus de "gnhsea" metres2/sec2.
- Option: gltm
- TRUE: Pour les points d'eau de mer dont la hauteur est situee entre une
hauteur de zero et "gnhsea", la temperature de la mer (TM) est corrigee en
fonction de la hauteur du point a l'aide d'un taux de variation de la
temperature (determine selon la valeur de la variable gldry decrite plus loin)
avec la verticale. Pour les points d'eau douce, les temperatures (TM) sont
corrigees en fonction de la difference de hauteur en ce point entre le champs
de topographie filtre et non-filtre a l'aide d'un taux (Voir gldry) de
variation de la temperature avec la verticale.
- FALSE: Aucune correction n'est faite a la temperature (TM) pour l'eau de
mer ou l'eau douce.
- Option: glts
- TRUE: Pour les points de terre, les temperatures de surface de la terre
(TS) sont corrigees en fonction de la difference de hauteur en ce point entre
le champs de topographie filtre et non-filtre a l'aide d'un taux (Voir gldry)
de variation de la temperature avec la verticale.
- FALSE:Aucune correction n'est faite a la temperature de la surface de la
terre (TS) .
- Option: gldry
- TRUE: Le taux de variation de la temperature avec la verticale pour la
correction de temperature de surface est celui d'un soulevement adiabatique sec
d'une parcelle d'air, soit environ 1.0 C/ 100 metres.
- FALSE: Le taux de variation de la temperature avec la verticale pour la
correction de temperature de surface est celui de Shumman-Newell, soit environs
0.66 C/100 metres.
- Option: glfilzp
- meme que pour glfilmx mais pour la variable ZP
- Option: glfillh
- meme que pour glfilmx mais pour la variable LH
- Option: glzpdf
- meme que pour glmtdf mais pour la variable ZP
- Option: gllhdf
- meme que pour glmtdf mais pour la variable LH
- Option: gtrough
- 'VARIABLE': Le ZP utilise provient du fichier climatologique.
- 'CONSTANT': Le ZP utilise sera donne par l'option grz0cst.
- Option: grz0cst
- si gtrough = 'CONSTANT', c'est la valeur en metres de Z0 (ZP=
ln(Z0)).
Andre Methot , Mai 1994.. Revision : Mars 1995