Rainfall retrieval using Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI-MSG) and Cloud Physical Properties (CPP) algorithm : validation over Belgium and applications

Precipitation is the main variable of the water cycle and the water resources availability. Despite numerous available methods, precipitation measurements are still insufficient to quantify with certainty ongoing changes and to provide data for numerical models validation. Roebeling & Holleman (2009) presented the Cloud Physical Properties algorithm using data from the SEVIRI instrument on board Meteosat Second Generation. The goal of present study is to extend previous validations and verify the algorithm performances throughout yearly and daily cycles in order to identify possible use and applications. A seven-years data set of parallax-shift corrected clouds and precipitation data over Western Europe have therefore been processed using CPP algorithm. Results are encouraging for both precipitation areas delimitation and rain rates assessment. However, rain rates estimation are strongly affected by sun zenith angle with increasing overestimation for sza above 60°. Systematic errors also affect the retrieval of cloud properties for very thick clouds with an overestimation of extreme precipitation events

Modélisation du rayonnement solaire en Belgique à l'aide de Modèles Climatiques Régionaux dans le cadre d'un système de prévision "day-ahead" de la production photovoltaïque

WRF-ARW and MAR climate models performances for the modelling of solar irradiances over Belgium are evaluated using in-situ measurements at Sart-Tilman and Daussoulx. Different WRF-ARW settings are tested. Sigmoid model proposed by Ruis-Ariaz etal. (2010) is used to decompose solar irradiance into direct and diffuse fraction. The performance of this model using measured and modelled global irradiances is also evaluated.PREMASO

Changement climatique en Antarctique : études à l'aide d'un modèle atmosphérique de circulation générale à haute résolution régionale

The increase of the Antarctic ice-sheet surface mass balance due to rise in snowfall is the only expected negative contribution to sea-level rise in the course of the 21st century within the context of global warming induced by mankind. Dynamical downscaling of climate projections provided by coupled ocean-atmosphere models is the most commonly used method to assess the future evolution of the Antarctic climate. Nevertheless, large uncertainties remain in the application of this method, particularly because of large biases in coupled models for oceanic surface conditions and atmospheric large-scale circulation at Southern Hemisphere high latitudes.In the first part of this work, different bias-correction methods for oceanic surface conditions have been evaluated. The results have allowed to select a quantile-quantile method for sea surface temperature and an analog method for sea-ice concentration. Because of the strong sensitivity of Antarctic surface climate to the variations of sea-ice extents in the Southern Ocean, oceanic surface conditions provided by two coupled models, NorESM1-M and MIROC-ESM, showing clearly different trends (respectively -14 and -45%) on winter sea-ice extent have been selected. Oceanic surface conditions of the ``business as usual" scenario (RCP8.5) coming from these two models have been corrected in order to force the global atmospheric model ARPEGE.In the following, ARPEGE has been used in a stretched-grid configuration, allowing to reach an horizontal resolution around 40 kilometers on Antarctica. For historical climate (1981-2010), the model was driven by observed oceanic surface conditions as well as by those from MIROC-ESM and NorESM1-M historical simulation. For late 21st century (2071-2100), original and bias corrected oceanic conditions from the latter two model have been used. The evaluation for present climate has evidenced excellent ARPEGE skills for surface climate and surface mass balance as well as large remaining errors on large-scale atmospheric circulation even when using observed oceanic surface conditions. For future climate, the use of bias-corrected MIROC-ESM oceanic forcings has yielded an additionally significant increase in winter temperatures and in annual surface mass balance at the continent-scale.In the end, ARPEGE has been corrected at run-time using a climatology of tendency errors coming from an ARPEGE simulation driven by climate reanalyses. The application of this method for present climate has dramatically improved the modelling of the atmospheric circulation and antarctic surface climate. The application for the future suggests significant additional warming (~ 0.7 to +0.9 C) and increase in precipitation (~ +6 to +9 %) with respect to the scenarios realized without atmospheric bias correction. Driving regional climate models or ice dynamics model with corrected ARPEGE scenarios is to explored in regards of the potentially large-impacts on the Antarctic ice-sheet and its contribution to sea-level rise.L'augmentation du bilan de masse en surface de la calotte polaire Antarctique causée par celle des chutes de neige est la seule contribution négative à l'élévation du niveau de mer attendue dans le courant du 21ème siècle dans le cadre du réchauffement climatique causé par les activités humaines. La régionalisation dynamique de projections climatiques issues de modèles couplés océans-atmosphère est la méthode la plus couramment utilisée pour estimer les variations futures du climat Antarctique. Néanmoins, de nombreuses incertitudes subsistent suite à l'application de ces méthodes, en particulier en raison des biais conséquents sur les conditions océaniques de surface et sur la circulation atmosphérique aux hautes latitudes de l’Hémisphère Sud dans les modèles couplés.Dans la première partie de ce travail, différentes méthodes de corrections de biais des conditions océanique de surface ont été évaluées. Les résultats ont permis de retenir une méthode quantile-quantile pour la température de surface de l'océan et une méthode d'analogues pour la concentration en glace de mer. En raison de la forte sensibilité du climat future Antarctique aux variations de couverture de glace de mer dans l'Océan Austral, les conditions océaniques issues de deux modèles couplés, NorESM1-M et MIROC-ESM, présentant des diminutions d’étendues de glace de mer hivernales largement différentes (-14 et -45%) ont été retenues. Les conditions océaniques provenant d'un scénario RCP8.5 de ces deux modèles ont été corrigées afin de forcer le modèle atmosphérique global ARPEGE.Par la suite, ARPEGE a été utilisé dans une configuration grille-étirée, permettant d'atteindre une résolution horizontale de 40 kilomètres sur l'Antarctique. Il a été contraint aux limites par les conditions océaniques de surface observées et celles issues des simulations historiques des modèles NorESM1-M et MIROC-ESM pour la période récente (1981-2010). Pour la fin du 21ème siècle (2071-2100), les forçages océaniques originaux et corrigés issus de ces deux derniers modèles ont été utilisés. L'évaluation pour le présent a permis de mettre en évidence, la capacité du modèle ARPEGE de reproduire le climat et le bilan de masse de surface Antarctique ainsi que la persistance d'erreurs substantielles sur la circulation atmosphérique y compris dans la simulation forcée par les conditions océaniques observées. Pour le climat futur, l'utilisation des forçages océaniques MIROC-ESM corrigés a engendré des augmentations supplémentaires significatives à l'échelle continentale pour les températures hivernales et le bilan de masse annuel.Enfin, ARPEGE a été corrigé en ligne, à l'aide d'une climatologie des termes de rappel du modèle issus d'une simulation guidée par les réanalyses climatologiques. L'application de cette méthode sur la période récente a très largement amélioré la modélisation de la circulation atmosphérique et du climat de surface Antarctique. L'application pour le climat futur suggère des augmentations de températures (+0.7 à +0.9 C) et de précipitations (+6 à +9%) supplémentaires par rapport à celles issues des scénarios réalisés sans correction atmosphérique. Le forçage de modèles climatiques régionaux ou de dynamique glaciaire avec les scénarios ARPEGE corrigés est à explorer au regard des impacts potentiellement importants pour la calotte Antarctique et sa contribution à l'élévation du niveau des mers

Antarctic climate change : studies with an atmospheric general circulation model at a high regional resolution

L'augmentation du bilan de masse en surface de la calotte polaire Antarctique causée par celle des chutes de neige est la seule contribution négative à l'élévation du niveau de mer attendue dans le courant du 21ème siècle dans le cadre du réchauffement climatique causé par les activités humaines. La régionalisation dynamique de projections climatiques issues de modèles couplés océans-atmosphère est la méthode la plus couramment utilisée pour estimer les variations futures du climat Antarctique. Néanmoins, de nombreuses incertitudes subsistent suite à l'application de ces méthodes, en particulier en raison des biais conséquents sur les conditions océaniques de surface et sur la circulation atmosphérique aux hautes latitudes de l’Hémisphère Sud dans les modèles couplés.Dans la première partie de ce travail, différentes méthodes de corrections de biais des conditions océanique de surface ont été évaluées. Les résultats ont permis de retenir une méthode quantile-quantile pour la température de surface de l'océan et une méthode d'analogues pour la concentration en glace de mer. En raison de la forte sensibilité du climat future Antarctique aux variations de couverture de glace de mer dans l'Océan Austral, les conditions océaniques issues de deux modèles couplés, NorESM1-M et MIROC-ESM, présentant des diminutions d’étendues de glace de mer hivernales largement différentes (-14 et -45%) ont été retenues. Les conditions océaniques provenant d'un scénario RCP8.5 de ces deux modèles ont été corrigées afin de forcer le modèle atmosphérique global ARPEGE.Par la suite, ARPEGE a été utilisé dans une configuration grille-étirée, permettant d'atteindre une résolution horizontale de 40 kilomètres sur l'Antarctique. Il a été contraint aux limites par les conditions océaniques de surface observées et celles issues des simulations historiques des modèles NorESM1-M et MIROC-ESM pour la période récente (1981-2010). Pour la fin du 21ème siècle (2071-2100), les forçages océaniques originaux et corrigés issus de ces deux derniers modèles ont été utilisés. L'évaluation pour le présent a permis de mettre en évidence, la capacité du modèle ARPEGE de reproduire le climat et le bilan de masse de surface Antarctique ainsi que la persistance d'erreurs substantielles sur la circulation atmosphérique y compris dans la simulation forcée par les conditions océaniques observées. Pour le climat futur, l'utilisation des forçages océaniques MIROC-ESM corrigés a engendré des augmentations supplémentaires significatives à l'échelle continentale pour les températures hivernales et le bilan de masse annuel.Enfin, ARPEGE a été corrigé en ligne, à l'aide d'une climatologie des termes de rappel du modèle issus d'une simulation guidée par les réanalyses climatologiques. L'application de cette méthode sur la période récente a très largement amélioré la modélisation de la circulation atmosphérique et du climat de surface Antarctique. L'application pour le climat futur suggère des augmentations de températures (+0.7 à +0.9 C) et de précipitations (+6 à +9%) supplémentaires par rapport à celles issues des scénarios réalisés sans correction atmosphérique. Le forçage de modèles climatiques régionaux ou de dynamique glaciaire avec les scénarios ARPEGE corrigés est à explorer au regard des impacts potentiellement importants pour la calotte Antarctique et sa contribution à l'élévation du niveau des mers.The increase of the Antarctic ice-sheet surface mass balance due to rise in snowfall is the only expected negative contribution to sea-level rise in the course of the 21st century within the context of global warming induced by mankind. Dynamical downscaling of climate projections provided by coupled ocean-atmosphere models is the most commonly used method to assess the future evolution of the Antarctic climate. Nevertheless, large uncertainties remain in the application of this method, particularly because of large biases in coupled models for oceanic surface conditions and atmospheric large-scale circulation at Southern Hemisphere high latitudes.In the first part of this work, different bias-correction methods for oceanic surface conditions have been evaluated. The results have allowed to select a quantile-quantile method for sea surface temperature and an analog method for sea-ice concentration. Because of the strong sensitivity of Antarctic surface climate to the variations of sea-ice extents in the Southern Ocean, oceanic surface conditions provided by two coupled models, NorESM1-M and MIROC-ESM, showing clearly different trends (respectively -14 and -45%) on winter sea-ice extent have been selected. Oceanic surface conditions of the ``business as usual" scenario (RCP8.5) coming from these two models have been corrected in order to force the global atmospheric model ARPEGE.In the following, ARPEGE has been used in a stretched-grid configuration, allowing to reach an horizontal resolution around 40 kilometers on Antarctica. For historical climate (1981-2010), the model was driven by observed oceanic surface conditions as well as by those from MIROC-ESM and NorESM1-M historical simulation. For late 21st century (2071-2100), original and bias corrected oceanic conditions from the latter two model have been used. The evaluation for present climate has evidenced excellent ARPEGE skills for surface climate and surface mass balance as well as large remaining errors on large-scale atmospheric circulation even when using observed oceanic surface conditions. For future climate, the use of bias-corrected MIROC-ESM oceanic forcings has yielded an additionally significant increase in winter temperatures and in annual surface mass balance at the continent-scale.In the end, ARPEGE has been corrected at run-time using a climatology of tendency errors coming from an ARPEGE simulation driven by climate reanalyses. The application of this method for present climate has dramatically improved the modelling of the atmospheric circulation and antarctic surface climate. The application for the future suggests significant additional warming (~ 0.7 to +0.9 C) and increase in precipitation (~ +6 to +9 %) with respect to the scenarios realized without atmospheric bias correction. Driving regional climate models or ice dynamics model with corrected ARPEGE scenarios is to explored in regards of the potentially large-impacts on the Antarctic ice-sheet and its contribution to sea-level rise

SSC Bias correction - Data

Bias corrected future SSC from CNRM-CM5 and IPSL-CM5A-LR RCP 4.5 and 8.5 (see Beaumet et al., 2018, gmd

SSC Bias correction - Source code

Source code allowing the bias correction of Sea Surface Temperature and Sea-Ice Concentration for future climate projections with atmospheric models following Beaumet et al., 201

Modélisation du rayonnement solaire en Belgique avec WRF-ARW : analyse de sensibilité des paramètres du schémas de couche limite Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino (MYNN)

Global solar irradiances at ground level are modelled over Belgium using latest version of WRF-ARW regional climate model (RCM). The model set-up used has a resolution of 5 kilometres. The boundary layer scheme chosen is the Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino (MYNN) 2.5 scheme with the Turbulent Kinetic Energy (TKE) closure proposed by Canuto et al., (2008) and Kitamura (2010). In this scheme, the modification of some parameters allows to change the determinant mixing length (surface layer, planet boundary layer, top of boundary layer/entrainment) which then modifies heat and moistures fluxes produced by turbulent mixing. Such modifications have significant influences on modelled cloudiness and therefore on modelled global solar irradiance incoming at the surface. The present study proposes a sensitivity analysis of the different parameters that influence the mixing length ('alp1' to 'alp5') and the TKE diffusion ('Sqfac') in order to find the most suitable constant values of these parameters for the modelling of cloudiness over Belgium. Results of different simulations are compared with global solar irradiance measurements performed by the Centre Spatial de Liège at Sart-Tilman in 2013 and 2014. Firsts results show that the dry bias frequently found when using WRF-ARW with standard set-ups can be greatly reduced thanks to an increased modelled cloudiness. The quantitative and qualitative effects of these modifications over cloudiness are also analysed by displaying 2D representation of modelled clouds over Sart-Tilman and confronting them with on-site observations

Modélisation du rayonnement solaire global, diffus et direct pour l'Europe du Nord-Ouest à l'aide du modèle climatique régional MAR : validation et construction d'une climatologie de 30 ans

Incoming solar global irradiances are modelled using MAR regional climate model forced by ERA-Interim reanalysis. Global irradiances are decomposed into direct and diffuse using sigmoid model from Ruiz-Arias et al. (2010). Results are validated using data from the European Solar Radiation Atlas for Uccle and Braunschweig weather stations. A 30-year climatology has been built and trends and variability have been analyzed.Le rayonnement solaire global incident est modélisé à l'aide du modèle climatique régional forcé les réanalyses ERA-Interim. La décomposition du rayonnement global en rayonnements direct et diffus est effectuée à l'aide du modèle sigmoïde de Ruiz-Arias et al. (2010). Les résultats sont validés à l'aide des données ESRA (European Solar Radiation Atlas) pour les stations d'Uccle et Braunschweig. Une climatologie de 30 ans a été construite et les tendances et variabilités ont été analysées.PREMASO