Information sur les fichiers de forçage Ozone

Ce sont des fichiers annuels de 12 champs (un par mois). Ils contiennent quatre champs:

• tro3 (ozone de jour + nuit)
• tro3_daylight (ozone de jour)
• Ptrop (pression à la tropopause, utilisée pour l'hybridation)
• night (0: nuit ; 1: jour ; s'applique à l'ozone de jour)

STRATOSPHERE: Sont utilisées les sorties du run REF-B1 du projet CCMVal, produites par LMDZ-REPROBUS, résolution 96x72x50.
Emplacement à l'IDRIS: /u/rech/hou/rhou355/LMDZ4/output/h2o-REF1-KE-8mpi-1omp/

TROPOSPHERE: Sont utilisées les sorties du run RCP prooduites par LMDZ-INCA, résolution 96x95x19.
Emplacement au CCRT: /dmnfs11/cont003/p24lava/IGCM_OUT/LMDZORINCA/NMHC_AER/LOI_IPCC_3/CHM/Output/MO

PRINCIPE RÉSUMÉ:

• détection des tropopauses chimique (premier point renconté en partant du sol dont la concentration en ozone vaut 0.15 ppmV) dans les champs stratosphériques et troposphériques.
• interpolation horizontale des deux champs à la résolution maximale (ici: 96x95)
• Le champ hybride est composé de trois domaines:
  1) au-dessus de la tropopause + 2 kms: champ troposphérique
  2) au-dessous de la tropopause - 1 km : champ stratosphérique
  3) au voisinage de la tropopause (-1 -> +2 kms): mélange des deux champs précédents
  
• Climatologie par moyenne glissante sur 11 ans.

PRINCIPE DÉTAILLÉ:

1) Moyennes zonales d'ozone stratosphérique de jour+nuit à partir de sorties journalières moyennées (fréquence: 1 jour) -> précis

• interpolation des champs 3D sur les niveaux standard (presnivs)
• moyenne zonale

2) Moyennes zonales d'ozone stratosphérique de jour+nuit et jour à partir de sorties instantanées (fréquence: 10 jours) -> très imprécis

• utilisation d'un masque jour/nuit (ici la concentration en NO sur le 45ième niveau standard du modèle: 1.527329 hPa, indique le jour lorsqu'elle est inférieure à 1.0E-15 vmr).
• même méthode qu'en étape 1 pour obtenir les deux champs

Interlude: nécessité d'un lissage. Les raisons:

• L'échantillonnage temporel des champs instantanés est très faible: pour une climatologie mensuelle, trois champs sont utilisés (en réalité, 4, dont deux avec une semi-pondération), alors qu'une moyenne basée sur des fichiers mensuels en fait intervenir 1440 (un par pas de temps).
• L'échantillonnage spatial des champs instantanés est plus faible: seule la moitié des champs est utilisés (le jour ou la nuit)
• L'échantillonnage spatial des champs instantanés est inhomogène: les champs sont tous pris à 0h UTC. Si une structure zonalement dissymétrique présente une stabilité géographique (particulièrement un vortex polaire non zonal), elle biaise la climatologie de jour.

Les remèdes:

• Aucun cycle diurne n'est attendu, hormis près de la stratopause.

=> Il est légitime de moduler la climatologie d'ozone obtenue en 1) avec un coefficient correctif basé sur les champs produits en 2), restreint près de la stratopause.

• Ce cycle diurne n'a pas de raison physique valable de varier significativement dans la période disponible (1960-2006).

=> Il est légitime d'utiliser une climatologie sur toute la période disponible des champs produits en 2) pour construire le coefficient correctif.

3) Ajustement des champs précédents.

• obtention d'une climatologie sur toute la période disponible (1961-2006)
• construction du rapport rO3nd=(O3-O3d)/O3 (d signifie 'day' ; l'absence d'indice sous-entend 'day+night')
• lissage de rO3nd en partant du sommet du modèle (niveau 50):
  • près des pôles (~[-90°,-72°] et [+72°,+90°]): rapport mis à 0 dès qu'il s'annule ou que deux valeurs consécutives sont inférieures à 0.2
  • entre les pôles (~[-72° 72°]): rapport mis à zéro dès qu'il se remet à augmenter.

Le coefficient correctif Corr utilisé pour construire l'ozone de jour à partir de l'ozone jour+nuit vaut 1. si rO3nd=0., O3d/O3 sinon.

• génération de fichiers: tro3 vaut O3(calculé en 1) ; tro3_daylight vaut Corr*O3(calculé en 1)

Interlude: l'interpolation temporelle.

Normalement, les valeurs de O3d situées dans la nuit polaire ne sont pas utilisées, justement car il n'y fait pas jour... Toutefois, certains cas limite obligent à s'en préoccuper. Considérons un point P du globe près du terminateur ; nous voulons interpoler l'ozone de jour en P à la date ti. Soient t1 et t2 les dates adjacentes du fichier d'ozone. En t1 et ti, P est dans la nuit polaire ; en t2, il est dans le jour. Il faut une valeur d'ozone de jour en P afin de pouvoir interpoler la concentration en ti. Il est alors préférable de prendre pour cela l'ozone de jour+nuit, puisqu'adopter l'ozone de jour conduirait à surévaluer la concentration interpolée. C'est pour cela que les fichiers d'ozone de jour ont été complétés par l'ozone de jour+nuit dans la nuit polaire.

3) Hybridation des fichiers:

• Interpolation horizontale (96x95), puis détection de la tropopause des champs stratosphériques (cette tropopause est prise comme référence dans la suite, car la résolution verticale de ces champs est supérieure).
• Interpolation verticale (50 niv), puis détection de la tropopause des champs troposphériques.
• Étirement du champ troposhérique de manière à "tirer" la tropopause troposphérique vers la tropopause stratosphérique et conserver le même champ de pression au sol. Cela revient à considérer que les points troposhpériques sont non pas en Pt, mais en Pt*, avec:

            (  Pt  )    LOG(Ptrops/PtS)
  Pt* = PtS ( ---- ) ^ -----------------        ("S": "Sol", "trop": "tropopause")
            (  PtS )    LOG(Ptropt/PtS)

• Construction des champs globaux (12 par an, fichiers annuels): a) au-dessus de la tropopause + 2 kms: champ troposphérique 2) au-dessous de la tropopause - 1 km : champ stratosphérique 3) au voisinage de la tropopause (-1 -> +2 kms): mélange des deux champs précédents. On note lnP1 (resp. lnP2) le log de la pression côté strato: tropopause + 2 kms (resp. tropo: tropopause - 1 km). En clair:

                    O3t(P)-O3s(P)            PI      lnP -lnP1
   O3*(P) = O3s(P)+ ------------- [ 1 + SIN( -- (1 + --------- )) ]
                          2                   2      lnP2-lnP1

DIFFICULTÉ: les périodes des deux runs diffèrent. tropo: 1850-2000 ; strato: 1961-2006.

ANCIENNE MÉTHODE:

• 1850<=y<=1960: tropo(y), strato(1961-1971)
• 1961<=y<=2000: tropo(y), strato(y)
• 2001<=y<=2006: tropo(1990-2000), strato(y)

NOUVELLE MÉTHODE:

• 1850<=y<=1960: tropo(y), strato(y-11*E[(y-1961-11+1)/11])
• 1961<=y<=2000: tropo(y), strato(y)
• 2001<=y<=2006: tropo(y-11*E[(y-2000+11-1)/11]), strato(y)

Les 11 ans correspondent à la largeur de moyennage temporel (étape suivante). Les fichiers annuels de la nouvelle méthode n'ont aucun sens physique: seules leurs climatologies sont utilisables.

4) Moyenne glissante sur 11 ans.

COMMENTAIRE SUR LES DEUX MÉTHODES: La première méthode produit des fichiers annuels utilisables, mais la climatologie tropo passe continûement de la moyenne 1961-1971 (notée SC66) à celle même moyenne, par l'intermédiaire de champs différents, de 1955 à 1966:

   * Sclim1956=(10*SC66+S61)/11       =(21*S61+10*S62+10*S63+10*S64+10*S65+10*S66+10*S67+10*S68+10*S69+10*S70+10*S71)/121
   * Sclim1957=(9*SC66+S61+S62)/11    =(20*S61+20*S62+ 9*S63+ 9*S64+ 9*S65+ 9*S66+ 9*S67+ 9*S68+ 9*S69+ 9*S70+ 9*S71)/121
   * Sclim1958=(8*SC66+S61+S62+S63)/11=(19*S61+19*S62+19*S63+ 8*S64+ 8*S65+ 8*S66+ 8*S67+ 8*S68+ 8*S69+ 8*S70+ 8*S71)/121[[BR]]
...
   * Sclim1964=(2*SC66+S61+S62+S63+S64+S65+S66+S67+S68+S69)/11    =(13*S61+13*S62+13*S63+13*S64+13*S65+13*S66+13*S67+13*S68+13*S69+ 2*S70+ 2*S71)/121
   * Sclim1965=(SC66  +S61+S62+S63+S64+S65+S66+S67+S68+S69+S70)/11=(12*S61+12*S62+12*S63+12*S64+12*S65+12*S66+12*S67+12*S68+12*S69+12*S70+  S71)/121

Cela n'est pas très satisfaisant...

En revanche, avec la seconde méthode, la climatologie strato reste toujours identique à SC66: grâce au petit stratagème "cyclique", les strato de 1961 à 1971 se trouvent toujours comptabilisées dans la moyenne.

Notes: Contrairement à ce que l'on pourrait penser, les fichiers avant 1956, par exemple, produits pas les méthodes 1 et 2 ne sont pas identiques. En effet, dans le premier cas, la tropopause est toujours celle du champ SC66, et celle de la moyenne temporelle également. Dans le second cas, les tropopauses successives sont celles des champs S61 à S71, dans un ordre particulier. Les troposphères sont donc dilatées, avant moyennage, différemment, et la moyenne globale diffère.
Le fait d'imposer, d'une manière ou une autre, une stratosphère "pré-industrielle" n'a en fait pas grande réalité physique, mais n'est pas moins artificiel que de combiner des champs d'ozone issus de deux réalisations et modèles différents (et donc deux histoires météorologiques différentes). Partant du principe qu'il n'y a pas d'autre alternative (faute d'un modèle chimique stratosphère-troposphère unifié), on peut considérer comme raisonnables les hypothèses qui sous-tendent ce qui est décrit sur la présente page.

DC