L'Asie du Sud-Est (ASE) est une région tropicale constituée d'une multitude d'îles montagneuses et de mers à profondeurs variées. Les intéractions air--mer y sont présentes à de multiples échelles spatio-temporelles, e.g., dans les cyclones tropicaux ou sous l'influence de grands phénomènes oscillatoires tels que El Niño--Southern Oscillation. Avec la vision long-terme d'étudier plus précisément comment interagissent ces divers événements atmosphériques et océaniques en ASE, nous développons dans cette thèse un modèle régional couplé océan--atmosphère pour la région, et apportons des solutions innovantes aux problèmes fondamentaux qui entourent de tels développements.
Les modèles RegCM5 (atmosphère) et SYMPHONIE (océan) sont couplés via le coupleur OASIS. Dans un premier temps, nous tâchons de sélectionner la configuration la plus adéquate de RegCM5 pour notre système couplé, parmi trente-six combinaisons des schémas couvrant les aspects suivants : transfert radiatif, couche limite atmosphérique, convection paramétrée, microphysique à l'échelle résolue et fraction nuageuse. Pour répondre à ce problème classique et pourtant si peu abordé dans les modèles couplés air--mer, nous développons une stratégie reproductible visant à faciliter l'exécution de tels efforts pour la communauté en générale. La procédure suivie consiste à réduire l'ensemble de configurations considérées, en appliquant trois filtres successifs basés sur (1) l'analyse statistique de la performance relative des configurations vis-à-vis de l'ensemble dans le cadre de simulation non-couplées; (2) l'analyse spécifique des meilleures simulations trouvées en (1); et (3) l'analyse spécifique de simulations couplées implémentant les meilleures configurations basées sur (2). Le point (1) repose sur l'utilisation d'une méthode objective de classement d'ensemble développée pour cette thèse, et basée sur une fonction de normalisation universelle capable d'attribuer un score à tout résultat issu d'une quelconque métrique d'évaluation.
Nos résultats indiquent qu'aucune configuration de RegCM5 ne surperforme toutes les autres de façon indéniable, la simulation des flux de surface radiatifs réalistes étant, par exemple, rarement associée à une représentation satisfaisante des flux de chaleur turbulente. Néanmoins, il semble que des capacités supérieures pour représenter les précipitations océaniques en mode `non-couplé' soient déterminantes pour conduire les simulations couplées les plus optimales. Pour cet aspect et la simulation des vents de surface, le choix du schéma de convection paramétrées domine absolument la performance obtenue, Tiedtke (Kain--Fritsch) sur-performant (sous-performant) l'ensemble. En définitive, nous sélectionnons RRTM, Holtslag, Tiedtke, Nogherotto--Thompkins et Xu--Randall (pour les aspects du modèle mentionnés dans le même ordre plus haut), qui produisent la meilleure performance pour les précipitations en mode `non-couplé', et pour la température de surface lorsque nous activons le couplage air--mer.
Pour finir, nous développons un algorithme de couplage inédit, alliant conservation, synchronicité et raisonnable coût de calcul. Nous montrons qu'un couplage quasi-synchrone à haute fréquence est tout à fait abordable dans le cadre de la modélisation régionale, si l'on s'adapte aux pas de temps des modules de surface et de radiation au sein du modèle atmosphérique. Notre approche améliore de fait la cohérence entre les deux composants du modèle, qui voient désormais les mêmes flux interfaciaux pendant les mêmes durées. Des résultats préliminaires sont présentés quant à l'évaluation de sa valeur ajoutée dans des simulations réalistes. |
Southeast Asia (SEA) is a tropical region composed of a multitude of mountainous islands and seas of varying depths. air--sea interactions occur at multiple spatio-temporal scales, e.g., in tropical cyclones or under the influence of large oscillatory phenomena such as the El Niño--Southern Oscillation. With the long-term vision of studying more precisely how these various atmospheric and oceanic features interact in SEA, we develop in this thesis a regional coupled ocean--atmosphere model for the region, and provide innovative solutions to the fundamental problems surrounding such developments.
The RegCM5 (atmosphere) and SYMPHONIE (ocean) models are coupled via the OASIS coupler. Initially, we strive to select the most suitable configuration of RegCM5 for our coupled system, among thirty-six combinations of schemes covering the following aspects: radiative transfer, planetary boundary layer, cumulus convection, resolved-scale microphysics, and cloud fraction. To address this classic yet underexplored problem in coupled air--sea models, we develop a reproducible strategy aimed at facilitating the execution of such efforts for the community at large. The procedure we follow consists of reducing the set of configurations considered, by applying three successive filters based on (1) statistical analysis of the relative performance of configurations compared to the ensemble in the framework of uncoupled simulations; (2) specific analysis of the best simulations found in (1); and (3) specific analysis of coupled simulations implementing the best configurations based on (2). Point (1) relies on the use of an objective ensemble ranking method developed for this thesis, based on a universal normalization function capable of assigning a score to any result from any evaluation metric.
Our results indicate that no configuration of RegCM5 outperforms all others indisputably, with, e.g., the simulation of realistic surface radiative fluxes being rarely associated with a satisfactory representation of turbulent heat fluxes. Nevertheless, it appears that better capabilities to represent oceanic precipitation in `uncoupled' mode are determinants for driving the most optimal coupled simulations. For this aspect and surface wind simulation, the choice of cumulus convection scheme absolutely dominates the performance obtained, with Tiedtke (Kain--Fritsch) outperforming (underperforming) the ensemble. Ultimately, we select RRTM, Holtslag, Tiedtke, Nogherotto--Thompkins, and Xu--Randall (for the aspects of the model mentioned in the same order as above), which produce the best performance for precipitation in `uncoupled' mode, and for surface temperature when we activate air--sea coupling.
Finally, we develop a novel coupling algorithm, combining conservation, synchronicity, and reasonable computational cost. We show that near-synchronous coupling at high frequency is entirely affordable in the context of regional modeling, if one adapts to the time steps of the surface and radiation modules within the atmospheric component. Our approach improves the consistency between the two components of the model, which now see the same interfacial fluxes for the same durations. Preliminary results are presented regarding the assessment of its added value in realistic simulations. |