Towards kilometer-scale ocean-atmosphere-wave coupled forecast: a case study on a Mediterranean heavy precipitation event

© The Author(s), 2021. This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License. The definitive version was published in Sauvage, C., Brossier, C. L., & Bouin, M.-N. Towards kilometer-scale ocean-atmosphere-wave coupled forecast: a case study on a Mediterranean heavy precipitation event. Atmospheric Chemistry and Physics, 21(15), (2021): 11857–11887, https://doi.org/10.5194/acp-21-11857-2021.The western Mediterranean Sea area is frequently affected in autumn by heavy precipitation events (HPEs). These severe meteorological episodes, characterized by strong offshore low-level winds and heavy rain in a short period of time, can lead to severe flooding and wave-submersion events. This study aims to progress towards an integrated short-range forecast system via coupled modeling for a better representation of the processes at the air–sea interface. In order to identify and quantify the coupling impacts, coupled ocean–atmosphere–wave simulations were performed for a HPE that occurred between 12 and 14 October 2016 in the south of France. The experiment using the coupled AROME-NEMO-WaveWatchIII system was notably compared to atmosphere-only, coupled atmosphere–wave and ocean–atmosphere simulations. The results showed that the HPE fine-scale forecast is sensitive to both couplings: the interactive coupling with the ocean leads to significant changes in the heat and moisture supply of the HPE that intensify the convective systems, while coupling with a wave model mainly leads to changes in the low-level dynamics, affecting the location of the convergence that triggers convection over the sea. Result analysis of this first case study with the AROME-NEMO-WaveWatchIII system does not clearly show major changes in the forecasts with coupling and highlights some attention points to follow (ocean initialization notably). Nonetheless, it illustrates the higher realism and potential benefits of kilometer-scale coupled numerical weather prediction systems, in particular in the case of severe weather events over the sea and/or in coastal areas, and shows their affordability to confidently progress towards operational coupled forecasts.This research has been supported by the Institut national des sciences de l'Univers (grant no. MISTRALS/HyMeX/ST-TIP) and the Région Occitanie Pyrénées-Méditerranée (grant no. n∘LS 149109)

Processus océan-atmosphère, prévision couplée à fine-échelle et précipitations intenses sur le bassin méditerranéen occidental

This manuscript summarizes the author’s work on the study of heavy precipitation events in the Mediterranean region and the analysis of the Mediterranean Sea role. The development of several coupled modeling tools permits to highlight the complex role of the heat content, the stratification and the upper-level ocean dynamics of the Med Sea on these severe events, and more generally to improve the representation of air-sea interaction processes in models and evaluations of the coupled effects on high-impacts meteorological phenomena. The context and perspectives of coupled fine-scale modeling and the envisaged progress and challenges for numerical weather prediction are also presented in this manuscript.Ce mémoire synthétise les travaux de l’autrice sur l’étude des épisodes de précipitations intenses en région méditerranéenne et l’analyse du rôle de la mer Méditerranée. Le développement de plusieurs outils de modélisation couplée a permis de mettre en évidence le rôle complexe du contenu de chaleur, de la stratification et de la dynamique superficielle de la Méditerranée sur ces épisodes, et plus généralement d’améliorer la représentation des processus d’interactions air-mer dans les modèles et l’analyse des effets couplés sur les phénomènes météorologiques à enjeux. Le contexte et les perspectives de modélisation couplée à fine-échelle et les progrès envisagés et enjeux pour la prévision numérique du temps sont également présentés dans ce manuscrit

Etude du couplage océan-atmosphère associé aux épisodes de pluie intense en région méditerranéenne

The Mediterranean coastal areas are prone to torrential rainfall in autumn. The Mediterranean Sea is the major source of heat and moisture for these extreme meteorological events. Generally, an unstable air mass is transported by a strong low-level wind from the sea towards mountainous regions. The convection is then triggered and could stay several hours over the same area, producing locally large rainfall totals and sometimes flood damages. The sensitivity of these extreme events to the sea surface conditions has been examined based on high-resolution atmospheric simulations (2-3 km) of three heavy rainfall events over Southern France: catastrophic events in Aude (12-13 November 1999), Gard (8-9 September 2002) and Hérault (3 December 2003). Various SST fields have been used in MESO-NH simulations (optimal interpolation of in-situ observations, satellite SST, empirical increase/decrease of SST). The significant impact on the atmospheric convection (intensity and location) of the overall SST value beneath the low-level jet has been highlighted. We also evaluated the sensitivity to the air-sea fluxes parameterizations by introducing in the MESO-NH surface scheme (SURFEX) two new iterative bulk sea surface parameterizations: the ECUME parameterization including a multi-campaign calibration of the exchange coefficients and the COARE 3.0 algorithm. The main results are a strong decrease of the wind stress and of the evaporation simulated when the bulk iterative parameterizations are used instead of the original MESO-NH parameterization. As a third part of this study, an air-sea coupled modelling between the MESO-NH model and a 1D oceanic model in Turbulent Kinetic Energy equations was developed in order to study the impact of heavy precipitation and associated strong wind stress on the Mediterranean Sea mixed layer and the feedbacks on the atmospheric convection for the three same cases studied. The results show the oceanic model's robustness under these extreme atmospheric forcing imposed even in costal area. The short-range oceanic response obtained shows a strong deepening of the oceanic mixed layer under the low-level jet and the local formation of internal mixed layers associated with intense rainfall. This kind of response is particularly important for the dynamics of the oceanic mixed layer as for the atmospheric boundary layer.Les régions côtières du bassin méditerranéen sont soumises en automne à des évènements de pluie intense. La mer Méditerranée constitue la principale source d'humidité et de chaleur pour ces évènements météorologiques extrêmes. Généralement, la masse d'air instable est transportée par un fort vent de basses couches de la mer vers les reliefs où la convection se déclenche pouvant stationner plusieurs heures au dessus de la même région, produisant de très forts cumuls de pluie localement et conduisant parfois à des crues destructrices. La sensibilité des ces épisodes extrêmes à la SST a tout d'abord été évaluée à l'aide de simulations atmosphériques à haute résolution avec le modèle MESO-NH, sur trois cas d'évènements fortement précipitants dans le Sud-Est de la France: les cas de l'Aude (12-13 novembre 1999), du Gard (8-9 septembre 2002) et de l'Hérault (3 décembre 2003). Différents champs de SST ont été utilisés (analyses obtenues par interpolation optimale des observations in-situ, SST satellite, augmentation ou diminution empirique de la SST). L'importance significative de la valeur moyenne de SST intégrée sous le jet de basses couches sur la convection en terme d'intensité et de localisation a ainsi été mise en évidence. Le rôle de la paramétrisation des flux de surface a été examiné dans une deuxième partie en introduisant dans le schéma de surface SURFEX deux nouvelles paramétrisations ``bulk'' itératives : la paramétrisation ECUME basée sur une calibration multi-campagne des coefficients d'échanges et la paramétrisation COARE 3.0. Sur les trois mêmes épisodes, les simulations utilisant ces deux nouvelles paramétrisations ``bulk'' itératives simulent des valeurs de stress et d'évaporation plus faibles que celles obtenues en utilisant la paramétrisation originale de MESO-NH (Louis, 1979). Dans une troisième partie, une modélisation couplée océan-atmosphère a été mise en place entre le modèle MESO-NH et un modèle océanique 1D en équation d'énergie cinétique turbulente, afin d'évaluer sur les trois mêmes cas d'étude, l'impact des fortes précipitations et du fort stress associé sur la couche de mélange océanique et les rétroactions sur la convection atmosphérique. Les résultats montrent la robustesse du modèle océanique sous le forçage atmosphérique extrême imposé même en région côtière. La réponse océanique à courte échéance montre un fort approfondissement de la couche de mélange océanique sous le jet de basses couches et la formation locale de couches de mélange internes associées aux précipitations intenses. Ce type de réponse est particulièrement important pour la dynamique de l'océan superficiel ainsi que pour la couche limite atmosphérique

Processus océan-atmosphère, prévision couplée à fine-échelle et précipitations intenses sur le bassin méditerranéen occidental

This manuscript summarizes the author’s work on the study of heavy precipitation events in the Mediterranean region and the analysis of the Mediterranean Sea role. The development of several coupled modeling tools permits to highlight the complex role of the heat content, the stratification and the upper-level ocean dynamics of the Med Sea on these severe events, and more generally to improve the representation of air-sea interaction processes in models and evaluations of the coupled effects on high-impacts meteorological phenomena. The context and perspectives of coupled fine-scale modeling and the envisaged progress and challenges for numerical weather prediction are also presented in this manuscript.Ce mémoire synthétise les travaux de l’autrice sur l’étude des épisodes de précipitations intenses en région méditerranéenne et l’analyse du rôle de la mer Méditerranée. Le développement de plusieurs outils de modélisation couplée a permis de mettre en évidence le rôle complexe du contenu de chaleur, de la stratification et de la dynamique superficielle de la Méditerranée sur ces épisodes, et plus généralement d’améliorer la représentation des processus d’interactions air-mer dans les modèles et l’analyse des effets couplés sur les phénomènes météorologiques à enjeux. Le contexte et les perspectives de modélisation couplée à fine-échelle et les progrès envisagés et enjeux pour la prévision numérique du temps sont également présentés dans ce manuscrit

Application de la Recherche à l'Opérationnel pour l'assemBlage d'AROME avec des Systèmes Environnementaux

Document du Comité Scientifique Consultatif de Météo-France 2023Dans le cadre de son objectif d’amélioration constante des outils de prévision et systèmes de modélisation pour la compréhension, le suivi et l’anticipation des phénomènes météorologiques et du climat, Météo-France a engagé plusieurs actions transverses au travers du CNRM, dont l’une vise plus particulièrement à progresser dans le réalisme des simulations par l’assemblage et la représentation fine des interactions complexes entre différents compartiments du système environnemental à l’échelle kilométrique. Ce document présente le contexte, les verrous et les étapes de développement permettant les couplages du modèle de prévision numérique du temps à échelle kilométrique, AROME, avec des systèmes environnementaux, pour des applications de la recherche à l’opérationnel.Le projet transverse AROBASE 1 a pour objectif l’assemblage autour d’AROME d’un système de modélisation multi-couplé à fine échelle de l’atmosphère, de l’océan (incluant potentiellement la glace de mer et la biogéochimie marine), des vagues et des surfaces continentales (sol, végétation, villes, neige, lacs et rivières). Pour le couplage physico-chimique de l’atmosphère, AROBASE s’appuie sur le projet transverse ACCALMIE 2 qui vise la construction d’une interface standard permettant de coupler un modèle d’aérosols avec les émissions et le dépôt, la chimie gazeuse conduisant à la formation de certains aérosols, le transport (résolu et sous-maille) des espèces, la microphysique nuageuse et le transfert radiatif. L’outil numérique de recherche développé vise à améliorer la compréhension et la représentation des processus d’échanges entre les compartiments du système météorologique et environnemental à l’échelle kilométrique. Les critères importants de développement sont le caractère transportable du modèle multi-couplé régional et l’aspect modulaire de l’assemblage de manière à insérer les composantes environnementales pertinentes selon différentes applications. Les choix des modèles inclus ont été définis à partir de l’expertise en interne ou grâce à des collaborations inscrites dans le projet transverse, et également de manière à conserver un continuum sans couture de modélisations couplées au CNRM. Le système assemblé préparera ainsi les couplages de la nouvelle génération du modèle de climat régional.Le système s’inscrit comme un nouvel outil pour la prévision numérique, en s’insérant dans les outils de productions, les méthodes d’analyse et les utilisations dédiés. Cette application rend particulièrement nécessaire d’assurer la performance du système et de garantir sa pertinence pour la surveillance et l’anticipation des phénomènes météorologiques et de leurs conséquences. Le projet devra par ailleurs faciliter au mieux l’insertion de nouvelles méthodes de calcul et anticiper l’utilisation de nouvelles architectures de calcul intensif. Le nouveau système numérique couplé offrira enfin de nouvelles opportunités pour des applications aval à valeur ajoutée, plus intégrées et plus cohérentes, une plus large exploitation des observations existantes des composantes du système Terre et la préparation de l’arrivée de nouvelles observations et de leur assimilation

Numerical high-resolution air-sea coupling over the Gulf of Lions during two tramontane/mistral events

International audienceThe near-sea-surface meteorological conditions associated with strong wind events over the Mediterranean Sea constitute a strong forcing on the ocean mixed layer. The present study addresses the question of the sea surface scheme used in high-resolution and short-range atmospheric numerical modeling to represent the ocean mixed layer response under these severe mistral wind events in the Gulf of Lions area. Several slab ocean models have been used coupled with the Weather Research and Forecasting (WRF) model and applied on two mistral cases: (1) a slab model based on the transport divergence equation where the mixed layer evolution is only driven by the wind stress, (2) a slab model where the temperature is the only prognostic variable and evolves according to the net surface heat flux, and (3) a complete slab scheme from Price (1981). The coupled simulations are also compared to two basic simulations, one using a constant sea surface temperature (SST) field during all of the model integration and another using a 6-hourly update sea surface temperature reanalysis. In this study, we mainly focus on the slab model performances. We identify the processes involved in the ocean mixed layer response under strong wind situations, i.e., local and fast cooling and deepening. The feedbacks of an interactive ocean mixed layer on the atmospheric simulation are also investigated

Application de la Recherche à l'Opérationnel pour l'assemBlage d'AROME avec des Systèmes Environnementaux

Document du Comité Scientifique Consultatif de Météo-France 2023Dans le cadre de son objectif d’amélioration constante des outils de prévision et systèmes de modélisation pour la compréhension, le suivi et l’anticipation des phénomènes météorologiques et du climat, Météo-France a engagé plusieurs actions transverses au travers du CNRM, dont l’une vise plus particulièrement à progresser dans le réalisme des simulations par l’assemblage et la représentation fine des interactions complexes entre différents compartiments du système environnemental à l’échelle kilométrique. Ce document présente le contexte, les verrous et les étapes de développement permettant les couplages du modèle de prévision numérique du temps à échelle kilométrique, AROME, avec des systèmes environnementaux, pour des applications de la recherche à l’opérationnel.Le projet transverse AROBASE 1 a pour objectif l’assemblage autour d’AROME d’un système de modélisation multi-couplé à fine échelle de l’atmosphère, de l’océan (incluant potentiellement la glace de mer et la biogéochimie marine), des vagues et des surfaces continentales (sol, végétation, villes, neige, lacs et rivières). Pour le couplage physico-chimique de l’atmosphère, AROBASE s’appuie sur le projet transverse ACCALMIE 2 qui vise la construction d’une interface standard permettant de coupler un modèle d’aérosols avec les émissions et le dépôt, la chimie gazeuse conduisant à la formation de certains aérosols, le transport (résolu et sous-maille) des espèces, la microphysique nuageuse et le transfert radiatif. L’outil numérique de recherche développé vise à améliorer la compréhension et la représentation des processus d’échanges entre les compartiments du système météorologique et environnemental à l’échelle kilométrique. Les critères importants de développement sont le caractère transportable du modèle multi-couplé régional et l’aspect modulaire de l’assemblage de manière à insérer les composantes environnementales pertinentes selon différentes applications. Les choix des modèles inclus ont été définis à partir de l’expertise en interne ou grâce à des collaborations inscrites dans le projet transverse, et également de manière à conserver un continuum sans couture de modélisations couplées au CNRM. Le système assemblé préparera ainsi les couplages de la nouvelle génération du modèle de climat régional.Le système s’inscrit comme un nouvel outil pour la prévision numérique, en s’insérant dans les outils de productions, les méthodes d’analyse et les utilisations dédiés. Cette application rend particulièrement nécessaire d’assurer la performance du système et de garantir sa pertinence pour la surveillance et l’anticipation des phénomènes météorologiques et de leurs conséquences. Le projet devra par ailleurs faciliter au mieux l’insertion de nouvelles méthodes de calcul et anticiper l’utilisation de nouvelles architectures de calcul intensif. Le nouveau système numérique couplé offrira enfin de nouvelles opportunités pour des applications aval à valeur ajoutée, plus intégrées et plus cohérentes, une plus large exploitation des observations existantes des composantes du système Terre et la préparation de l’arrivée de nouvelles observations et de leur assimilation

Impact of a medicane on the oceanic surface layer from a coupled, kilometre-scale simulation

A kilometre-scale coupled ocean–atmosphere numerical simulation is used to study the impact of the 7 November 2014 medicane on the oceanic upper layer. The processes at play are elucidated through analyses of the tendency terms for temperature and salinity in the oceanic mixed layer. While comparable by its maximum wind speed to a Category 1 tropical cyclone, the medicane results in a substantially weaker cooling. As in weak to moderate tropical cyclones, the dominant contribution to the surface cooling is the surface heat fluxes with secondary effects from the turbulent mixing and lateral advection. Upper-layer salinity decreases due to heavy precipitation that overcompensates the salinizing effect of evaporation and turbulent mixing. The upper-layer evolution is marked by several features believed to be typical of Mediterranean cyclones. First, strong, convective rain occurring at the beginning of the event builds a marked salinity barrier layer. As a consequence, the action of surface forcing is favoured and the turbulent mixing dampened with a net increase in the surface cooling as a result. Second, due to colder surface temperature and weaker stratification, a cyclonic eddy is marked by a weaker cooling opposite to what is usually observed in tropical cyclones. Third, the strong dynamics of the Strait of Sicily enhance the role of the lateral advection in the cooling and warming processes of the mixed layer

Surface processes in the 7 November 2014 medicane from air–sea coupled high-resolution numerical modelling

A medicane, or Mediterranean cyclone with characteristics similar to tropical cyclones, is simulated using a kilometre-scale ocean–atmosphere coupled modelling platform. A first phase leads to strong convective precipitation, with high potential vorticity anomalies aloft due to an upper-level trough. Then, the deepening and tropical transition of the cyclone result from a synergy of baroclinic and diabatic processes. Heavy precipitation results from uplift of conditionally unstable air masses due to low-level convergence at sea. This convergence is enhanced by cold pools, generated either by rain evaporation or by advection of continental air masses from northern Africa. Back trajectories show that air–sea heat exchanges moisten the low-level inflow towards the cyclone centre. However, the impact of ocean–atmosphere coupling on the cyclone track, intensity and life cycle is very weak. This is due to a sea-surface cooling 1 order of magnitude weaker than for tropical cyclones, even in the area of strong enthalpy fluxes. Surface currents have no impact. Analysing the surface enthalpy fluxes shows that evaporation is controlled mainly by the sea-surface temperature and wind. Humidity and temperature at the first level play a role during the development phase only. In contrast, the sensible heat transfer depends mainly on the temperature at the first level throughout the medicane lifetime. This study shows that the tropical transition, in this case, is dependent on processes widespread in the Mediterranean Basin, like advection of continental air, rain evaporation and formation of cold pools, and dry-air intrusion

Ocean response to strong precipitation events in the Gulf of Lions (northwestern Mediterranean Sea): a sensitivity study

International audienceThe Mediterranean Sea is a region of intense air-sea interactions, with in particular strong evaporation over sea which drives the thermohaline circulation. The Mediterranean region is also prone to strong precipitation events characterized by low spatial extent, short duration, and high temporal variability. The impacts of intense offshore precipitation over sea, in the Gulf of Lions which is a spot for winter deep convection, are investigated using four sensitivity simulations performed at mesoscale resolution with the eddy-resolving regional ocean model NEMO-MED12. We use various atmospheric fields to force NEMO-MED12, downscaled from reanalyses with the non-hydrostatic mesoscale Weather Research and Forecasting model but differing in space resolutions (20 and 6.7 km) or in time frequencies (daily and three-hourly). This numerical study evidences that immediate, intense, and rapid freshening occurs under strong precipitation events. The strong salinity anomaly induced extends horizontally (~50 km) as vertically (down to 50 m) and persists several days after strong precipitation events. The change in the space resolution of the atmospheric forcing modifies the precipitating patterns and intensity, as well as the shape and the dynamics of the low-salinity layer formed are changed. With higher forcing frequency, shorter and heavier precipitation falls in the ocean in the center of the Gulf of Lions, and due to a stronger vertical shear and mixing, the low-salinity anomaly propagates deeper