CAPE - Modèles météo

[Yves70]

Bonjour,

La CAPE  est un  champ disponible pour ARPEGE. Cependant cette CAPE n’est calculée que lorsqu’ARPEGE déclenche de la convection. Ce n’est donc plus une énergie potentielle disponible mais c’est l’énergie « utilisée » par la convection déclenchée par le modèle. Dès lors, dès qu’il y a de la CIN, il n’y a pas de déclenchement de convection, le schéma de convection ne s’active pas donc la CAPE n’est pas calculée et n’apparaît pas sur les cartes ARPEGE même si de la CAPE est disponible dans l’atmosphère.

 

Qu’en est-il des autres modèles comme IFS, GFS, ICON,etc... Fonctionnent-ils tous sur le même principe qu’ARPEGE ?

 

AROME est un cas particulier. Comment fait-il ?

[_sb]

Salut !

Peux-tu préciser pour ARPEGE ? Je ne comprends pas le principe de ne calculer la CAPE que s'il y a convection ? Les schéma physiques convectifs s'appliquent toujours dans tous les calculs de tous les modèles. Voudrais-tu dire que le champ de CAPE en sortie (lors du calcul, il le sera) ne serait généré que s'il y a eu détection de convection par ARPEGE lors du calcul ? Non, ou alors on ne parle pas de la même chose ...??

 

De plus, la présence de CIN n'interdit pas la convection sur l'ensemble de la colonne.

[Cotissois 31]

Je pense qu'il serait plus simple de donner le nom des schémas de convection et ensuite d'aller chercher ce que fait chaque schéma.

 

 

[Yves70]

 @_sb La CAPE n’est calculée que lorsque le modèle (schéma de convection) déclenche de la convection. S’il y a de la CIN pour le modèle, le déclenchement de la convection n’a pas lieu, le schéma de convection ne s’active pas et donc la CAPE n’est pas calculée. Ca se vérifie facilement sur les cartes de CAPE avec Arpège, tu ne verras pas de valeurs affichées sur la carte s’il y a de la CIN. 
 

C’est la différence avec un RS où on parle de CAPE disponible car potentiellement là si la particule atteint son niveau de convection libre

[Cers]

Je ne vois pas non plus où tu veux en venir. La CAPE est l'énergie potentielle disponible pour la convection, il y a plusieurs façon de l'évaluer mais elle est calculée par le modèle que la convection se déclenche ou non. De plus, la présence de CIN n'empêche pas forcément la convection sur l'épaisseur de la troposphère. Un forçage peut facilement vaincre une faible CIN, et c'est courant en situation orageuse.

 

Même dans la situation météo actuelle, ARPEGE modélise une faible MUCAPE par évolution diurne, et Arpege donne la CAPE quelque soit la CIN. Par exemple, jeudi 9/07 à 20 h, Arpege prévoit une MUCAPE d'environ 1000 J/kg entre la Haute-Loire et l'Ardèche et cela apparaît sur la carte. Idem dans l'extrême Sud, et la CIN est loin d'être nulle !

 

 

Exemple de sondage en Catalogne à la même heure, CAPE modérée, inhibition convective et NCL à plus de 3800 m d'altitude !

 

 

 

Modifié 7 juillet 2020 par Cers

[Yves70]

@Cers Il y a plusieurs types CAPE qui peuvent être calculées et obtenues de manière différente. La MUCAPE dont tu mentionnes les cartes est calculée quelque soit la CIN. Elle n’est pas liée au schéma convectif du modèle. Qu’il s’enclenche ou non, elle sortira sur une carte. Cette  CAPE définit l’énergie disponible dans l’atomosphère mais pas l’énergie utilisée. Autrement dit, on peut avoir des valeurs de CAPE ou MUCAPE qui sortent des modèles sur des cartes sans que cette CAPE soit réellement utilisée et convertie en quelque sorte dans un épisode orageux.  Avoir de la MUCAPE sera une condition nécessaire mais pas suffisante pour avoir un orage. 
A côté de cette CAPE, il y a notamment la CAPE dite Mod. Cette CAPE est une CAPE réellement utilisée, ce qui peut être très intéressant à connaître mais malheureusement cette CAPE spécifique ne sortira d’ARPEGE que si le schéma convectif est déclenché et celui-ci ne sera pas déclenché s’il y a de la CIN. Ce qui n’empêchera bien sûr pas d’avoir de la MUCAPE sur une carte

 

Je cherchais à savoir si c’était propre à ARPEGE ou si les autres modèles ( sauf AROME bien sûr, puisqu’AROME resoud sa convection) travaillaient sur le même principe

[_sb]

Le 06/07/2020 à 18:07, Yves70 a dit :

S’il y a de la CIN pour le modèle, le déclenchement de la convection n’a pas lieu, le schéma de convection ne s’active pas et donc la CAPE n’est pas calculée.

 

As-tu une source ? Car jamais je n'ai lu ni entendu pareille affirmation, quel que soit le modèle. Je pourrais concevoir avec mille pincettes que la CAPE ne soit pas fournie par MF dans un tel cas bien que cela me paraisse aberrant. Mais honnêtement que « le schéma de convection ne s’active pas » est un non-sens. Le schéma convectif est exécuté. Mais si pour une raison qui m'échappe, le schéma physique convectif ne serait pas activé dans un tel cas, je serais vraiment heureux d'avoir une source m'expliquant cette conception.

 

Un exemple d'ARPEGE 0.1° de résolution sur le domaine européen pour les échéances 49 à 60h pris sur les serveurs de MF, pack « SP2 » : http://dcpc-nwp.meteo.fr/services/PS_GetCache_DCPCPreviNum?token=__5yLVTdr-sGeHoPitnFc7TZ6MhBcJxuSsoZp6y0leVHU__&model=ARPEGE&grid=0.1&package=SP2&time=49H60H&referencetime=2020-07-07T12:00:00Z&format=grib2

Les 4 derniers messages du fichier GRIB concernent la CAPE « instantanée » que MF définit aussi comme étant la MUCAPE (https://donneespubliques.meteofrance.fr/client/document/description_parametres_modeles-arpege-arome-v2_184.pdf ) pour les échéances 51, 54, 57 et 60h :

$ grib_ls W_fr-meteofrance,MODEL,ARPEGE+01+SP2+49H60H_C_LFPW_202007071200--.grib2
edition      centre       date         dataType     gridType     stepRange    typeOfLevel  level        shortName    packingType
(...)
2            lfpw         20200707     missing      regular_ll   51           surface      0            CAPE_INS     grid_jpeg   
2            lfpw         20200707     missing      regular_ll   54           surface      0            CAPE_INS     grid_jpeg   
2            lfpw         20200707     missing      regular_ll   57           surface      0            CAPE_INS     grid_jpeg   
2            lfpw         20200707     missing      regular_ll   60           surface      0            CAPE_INS     grid_jpeg   
112 of 112 messages in W_fr-meteofrance,MODEL,ARPEGE+01+SP2+49H60H_C_LFPW_202007071200--.grib2

112 of 112 total messages in 1 files

En faisant un dump sur le fichier, les 4 derniers messages donnent (extraits) :

$ grib_dump W_fr-meteofrance,MODEL,ARPEGE+01+SP2+49H60H_C_LFPW_202007071200--.grib2 
***** FILE: W_fr-meteofrance,MODEL,ARPEGE+01+SP2+49H60H_C_LFPW_202007071200--.grib2
(...)
#==============   MESSAGE 109 ( length=415023 )            ==============
GRIB {
  (...)
  shortName = CAPE_INS;
  nameLegacyECMF = unknown;
  nameECMF = unknown;
  name = Convective Available Potential Energy instantaneous;
  (...)
  #-READ ONLY- maximum = 3251.62;
  #-READ ONLY- minimum = 0;
  #-READ ONLY- average = 117.23;
  #-READ ONLY- numberOfMissing = 0;
  #-READ ONLY- standardDeviation = 204.5;
  #-READ ONLY- skewness = 4.15086;
  #-READ ONLY- kurtosis = 25.6504;
  #-READ ONLY- isConstant = 0;
  #-READ ONLY- getNumberOfValues = 386061;
  (...)

et c'est la même chose pour les messages 110, 111 et 112 : aucune valeur manquante (numberOfMissing). La CAPE est définit en tout point du domaine.

 

Citation

C’est la différence avec un RS où on parle de CAPE disponible car potentiellement là si la particule atteint son niveau de convection libre

 

La CAPE est toujours une énergie potentielle, c'est sa définition même. Sur un RS ou sur n'importe quoi d'autre.

Ce topic que j'avais créé l'an passé pourrait circonscrire le périmètre réel de cette discussion : 

 

Citation

Ca se vérifie facilement sur les cartes de CAPE avec Arpège, tu ne verras pas de valeurs affichées sur la carte s’il y a de la CIN. 

 

Si tu peux donner un lien vers les cartes que tu consultes afin que je puisse me rendre compte et, surtout, confirmer qu'il n'y a pas mésentente sur les termes employés ou une interprétation erronée.

[Cotissois 31]

Pouvez-vous donner le nom des schémas ?  En effet, dans les documentations, on donne généralement le nom des schémas et non pas on décrit explicitement.

 

AROME est un cas particulier.

 

AROME est différent mais tous les modèles sont différents non ?

Modifié 7 juillet 2020 par Cotissois 31

[_sb]

Il y a 2 heures, Yves70 a dit :

A côté de cette CAPE, il y a notamment la CAPE dite Mod. Cette CAPE est une CAPE réellement utilisée, ce qui peut être très intéressant à connaître mais malheureusement cette CAPE spécifique ne sortira d’ARPEGE que si le schéma convectif est déclenché et celui-ci ne sera pas déclenché s’il y a de la CIN.

 

Non, il n'y a pas de CAPE réellement utilisé. MF définit ses deux entrées CAPE_INS et CAPE_MOD [1] :

 

Citation

CAPE_INS :Energie Potentielle Instantanée Convective de la particule la plus instable en basses couches (m2.s-2)

CAPE_MOD:Energie Potentielle Instantanée Convective du modèle (m2 s-2)

 

En allant plus loin que cette définition succincte, la CAPE_MOD fait référence à la convection profonde sur une colonne plus étendue et semble être dépendante de la hauteur du sommet de la colonne ascendante (> 3000 m). Mais encore une fois, cela n'a pas de dépendance directe avec la CIN.

Il y a je crois confusion ici. Comme mentionné par Cers, une CIN importante peut inhiber les forçages de surface, dès lors le schéma physique lié à CAPE_MOD ne serait pas exécuté si aucune convection profonde n'est détectée. Mais ces mêmes forçages peuvent vaincre cette CIN et initier une convection profonde et le schéma correspondant sera exécuté. Toutefois, il n'y a pas qu'un seul schéma convectif à l'œuvre dans ARPEGE et les paramétrisations diffèrent.

Par ailleurs, au-delà de la CIN, c'est la TKE (l'énergie cinétique turbulente [dans la couche limite]) qui peut asseoir un seuil en deçà duquel la convection est totalement arrêtée, mais ce seuil est utilisé dans la PE d'ARPEGE sur certains membres pour les perturbations, pas dans le déterministe car la TKE détermine généralement une convection peu profonde, plus facilement inhibée. Peut-être est-ce là aussi l'origine de cette confusion, entre DET et PE ?

CAPE_MOD est fournie également dans les GRIB mais n'est pas incluse dans l'open data, c'est pour cela qu'elle n'est pas donnée sur les sites. CAPE_INS ne dépend pas de la présence ou non d'un nuage convectif et de la hauteur de son sommet. Les différentes CAPE peuvent être déduites des RS notamment.

 

Il y a 2 heures, Yves70 a dit :

sauf AROME bien sûr, puisqu’AROME resoud sa convection

 

Idem, je ne vois pas le rapport de cause à effet, entre les éléments que tu apportes pour ARPEGE et cette conclusion sur AROME.

 

Concernant IFS, je t'invite à lire (en anglais) la documentation des schémas physiques à l'œuvre et spécialement le chapitre 6 dédié à la convection [2]. Tu trouveras également quelques infos sur le guide utilisateur [3], dont le chapitre 9.

Pour ICON, faudrait que je me replonge dans sa doc mais je t'avoue me demander si c'est vraiment utile ...

GFS, tu peux commencer par ici [4].

 

De mémoire, les modèles font naturellement la différence entre convection peu profonde et convection profonde (shadow et deep convection). Mais je n'ai jamais vu ou lu un lien direct avec la CIN. Dans le détail, la doc citée serait à relire.

 

Ceci dit, ce serait intéressant d'avoir un lien vers les cartes / sites que tu cites.

 

Il y a 2 heures, Yves70 a dit :

Autrement dit, on peut avoir des valeurs de CAPE ou MUCAPE qui sortent des modèles sur des cartes sans que cette CAPE soit réellement utilisée et convertie en quelque sorte dans un épisode orageux.

 

Je perçois beaucoup de confusions sur l'interprétation des données convectives d'une part, et entre sorties de modèles et cartes d'autre part ...

 

[1] : https://donneespubliques.meteofrance.fr/client/document/doc_arpege_pour-portail_20190827-_249.pdf

[2] : https://www.ecmwf.int/file/285476/download?token=ko55VlV0

[3] : https://confluence.ecmwf.int/display/FUG/9+Physical+Considerations+when+Interpreting+Model+Output

[4] : https://www.emc.ncep.noaa.gov/emc/pages/numerical_forecast_systems/gfs.php

[Cotissois 31]

D'après ce que je lis ici https://www.lmd.jussieu.fr/~mpllmd/dephy2_cv_flux_surface/09_Piriou.pdf

@Ventdautan pourrait nous renseigner.

[Cers]

Il y a 6 heures, Yves70 a dit :

@Cers Il y a plusieurs types CAPE qui peuvent être calculées et obtenues de manière différente. La MUCAPE dont tu mentionnes les cartes est calculée quelque soit la CIN. Elle n’est pas liée au schéma convectif du modèle. Qu’il s’enclenche ou non, elle sortira sur une carte. Cette  CAPE définit l’énergie disponible dans l’atomosphère mais pas l’énergie utilisée. Autrement dit, on peut avoir des valeurs de CAPE ou MUCAPE qui sortent des modèles sur des cartes sans que cette CAPE soit réellement utilisée et convertie en quelque sorte dans un épisode orageux.  Avoir de la MUCAPE sera une condition nécessaire mais pas suffisante pour avoir un orage. 
A côté de cette CAPE, il y a notamment la CAPE dite Mod. Cette CAPE est une CAPE réellement utilisée, ce qui peut être très intéressant à connaître mais malheureusement cette CAPE spécifique ne sortira d’ARPEGE que si le schéma convectif est déclenché et celui-ci ne sera pas déclenché s’il y a de la CIN. Ce qui n’empêchera bien sûr pas d’avoir de la MUCAPE sur une carte

 

Je cherchais à savoir si c’était propre à ARPEGE ou si les autres modèles ( sauf AROME bien sûr, puisqu’AROME resoud sa convection) travaillaient sur le même principe

 

Comme l'a mentionné @_sb, il n'y a pas de CAPE "réellement utilisée" : par définition même, la CAPE est l'énergie potentielle de convection disponible ! Alors effectivement, lorsque la convection parvient à se déclencher, la CAPE est consommée mais la variable CAPE_MOD reste une CAPE. Dans les modèles, le schéma de convection s'active lorsque certains critères sont validés, en particulier un forçage et une instabilité convective suffisants, une convergence humide en basses couches.

 

Les modèles font appel à plusieurs schémas de paramétrisation, dont le schéma de convection peu profonde et le schéma de convection profonde. Si on s'attarde sur ce dernier, ARPEGE utilise le schéma de convection de Bougeault avec une fermeture du système d'équations en humidité disponible, ou une fermeture en CAPE (donc énergie disponible). Dans ce second cas, le schéma s'active si CAPE - CIN > 0. Dans le premier cas, le schéma à un niveau donné du modèle se déclenche si la flottabilité de l'air nuageux et l'intégration de l'humidité disponible entre la surface et le niveau effectif sont positives : la CIN n'est donc pas prise en compte.

 

CAPE_MOD (MOD pour "modifié" ou "modified" en anglais) fait référence au schéma de fermeture en CAPE en ajoutant un critère supplémentaire, à savoir que le sommet du nuage doit être au-dessus de 3000 m. Avec la fermeture en humidité, on peut faire la même chose.

 

Deux schémas convectifs légèrement différents conduisent à une activité convective sensiblement différente, bien que chaque schéma soit acceptable. L'intérêt de faire varier les schémas de paramétrisations dans la prévision d'ensemble (notamment PE-ARP puisqu'on parle d'Arpege) est donc de couvrir les incertitudes sur la prévision : on peut modifier soit l'état initial, soit apporter des modifications dans les schémas de paramétrisation. Lorsque les forçages d'échelle synoptique sont marqués, une modification des schémas physiques a moins d'impact qu'une perturbation des conditions initiales en situation convective.

 

Voici deux liens pour approfondir :

 

https://www.umr-cnrm.fr/IMG/pdf/piriou_memoire.pdf

 

https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/qj.2469

Modifié 8 juillet 2020 par Cers

[Ventdautan]

Il y a 9 heures, Cotissois 31 a dit :

D'après ce que je lis ici https://www.lmd.jussieu.fr/~mpllmd/dephy2_cv_flux_surface/09_Piriou.pdf

@Ventdautan pourrait nous renseigner.

 

Le schéma de convection PCMT n'est pas dans ARP oper (il avait était testé durant une chaine en double mais ARP avec ce schéma de convection avait été jugé moins performant, c'est pour cela qu'il a été retiré). Par contre, PCMT est dans ARP climat et quelques membres de la PEARP me semble t'il.

 

Juste pour rappel : l'objectif d'un schéma de convection est de représenter l'ensemble des effets d'un ensemble de nuages convectifs sous-maille sur la grande échelle.

 

Sinon attention a bien définir les termes. Il existe toute une multitude de CAPE avec chacune une définition physique différente.

Et je ne peux qu'approuver le message de @Cers

 

Et pour finir, la CAPE mod vient de la fermeture du schéma. Il faut comprendre que dans une paramétrisation physique (paramétrisation de la convection profonde, de la turbulence, ...), on a toujours plus de variables que d'équations. Donc pour résoudre le système, on est obligé de faire des hypothèses, c’est de que l’on appelle la fermeture du schéma pour pouvoir résoudre le système d’equations.

Donc la CAPE mod, ça indique juste l'énergie utilisé par le schéma de convection, rien de plus. Lorsque le schéma de convection déclenche sur un point de grille, alors on a une valeur de CAPE Mod différente de 0. Point final.

 

PS : Vous avez ma thèse aussi si vous voulez vous tuer!

https://oatao.univ-toulouse.fr/23929/1/LEGER_Julien.pdf

 

D'ailleurs, je vous conseille d'aller voir les annexes. 😀

Modifié 8 juillet 2020 par Ventdautan

[Cotissois 31]

OK merci, je croyais qu'ils avaient changé.

 

Je pense du coup que le message de Yves initial a du sens pour ARPEGE, certains paramètres sont des caractéristiques des schémas et leur valeurs en sortie expliquent comment a travaillé le schéma.  Il faut bien nommer les paramètres suivant la documentation officielle pour repérer çà.

[Yves70]

Merci à tous pour vos commentaires et interventions !