Calcul de la CAPE avec Arome : BUG ?

[Damien49]

Je l'avais déjà remarqué depuis quelques années, mais maintenant qu'on a accès à plus de modèles fins, ça ne fait que confirmer qu'il y a un souci parfois avec le calcul de la CAPE avec Arome.

On le voit la CAPE est coupée par endroit, passant d'une forte valeur à rien beaucoup trop rapidement, laissant penser à un artefact non naturel.

 

Je pensais au départ que ça venait d'un mauvais paramétrage de météociel (la CAPE n'est pas dispo sur infoclimat donc je peux pas comparer), mais si je regarde arome sur un autre site on retrouve bien la même chose :



 

Notez que la première c'est la MUCAPE et la seconde c'est la CAPE (SBCAPE), donc c'est pas ça non plus.

Si je compare avec un autre modèle fin, cela donne ça :



Je me suis dit qu'arome n'affichait pas la CAPE quand la CIN était trop importante. Je ne l'est pas avec arome, mais si je mets la CIN de swiss, ça ne correspond pas du tout. On aurait rien près des côtes dans ce cas.



Si je fais un radiosondage dans une zone à forte CAPE modélisé

 

 

 

et une zone proche sans rien ça donne ça :



Y'a rien qui me semble expliquer cette différence. C'est donc bien un bug lié à Arome j'ai l'impression.  @Pan @Sylvain des éléments d'explications ?

La question importante à savoir aussi, c'est si c'est juste un problème d'affichage lié au calcul de la CAPE seul,
ou, plus problématique,

si ce calcul va influencer tous les autres paramètres, orageux notamment ?

[ben01]

Sur le modèle AROME, seul la MUCAPE est disponible en donnée direct, il n'existe pas de SBCAPE

 

Le champ CAPE_INS est calculé directement par météo France, il est couplée avec la CIN c'est probablement pour cela que ca fait des brusques sauts de valeurs.

On le remarque très bien avec tes exemples via les radiosondages prévu, les valeurs de CAPE / CIN etc en fonctions des altitudes sont directement calculés via le radiosondage et SHARpy

image 1 -> MLCAPE 3690 avec un MLCINH de -7

image 2 -> MLCAPE 3153 avec un MLCINH de -30

 

La valeur de MLCINH est probablement bien trop élevé dans leur couplage pour le champ CAPE_INS et donc doit réduire drastiquement la valeur de MLCAPE et la rapproche presque de 0.

Dans cette situation c'est fort probable que ce soient les premiers orages qui se développerons qui feront sauter le couvercle de CIN aux alentour de celle-ci et on voit les valeurs de CAPE passer brusquement de 0 à 2000+ avec un déplacement en cercle après la modélisation des premières cellules dans les régions centrales.

 

 

[Damien49]

Je ne pense pas que ça soit le couplage avec la CIN qui fasse ça (mais j'avoue m'être aussi posé la question), dans l'exemple que j'ai donné on a une MLCINH de -30 ce qui reste une CIN très faible quand même. Une CIN vraiment handicapante qui mériterait que la CAPE ne soit plus affichée, c'est sous -150 à -200 J/Kg

Je te donne un autre exemple où Arome ne détecte aucune CAPE (Nord 79 par exemple à 17h auj) :

 

en comparaison avec une zone proche à forte CAPE affichée (Ouest 49 à la même heure)
 

 

La CIN est plus importante dans le second cas où la CAPE est affichée correctement. Si on suit ton raisonnement, ça devrait être l'inverse.

[oliver88]

On 29/07/2024 at 20:04, ben01 said:

Sur le modèle AROME, seul la MUCAPE est disponible en donnée direct, il n'existe pas de SBCAPE

 

Le champ CAPE_INS est calculé directement par météo France, il est couplée avec la CIN c'est probablement pour cela que ca fait des brusques sauts de valeurs.

On le remarque très bien avec tes exemples via les radiosondages prévu, les valeurs de CAPE / CIN etc en fonctions des altitudes sont directement calculés via le radiosondage et SHARpy

image 1 -> MLCAPE 3690 avec un MLCINH de -7

image 2 -> MLCAPE 3153 avec un MLCINH de -30

 

La valeur de MLCINH est probablement bien trop élevé dans leur couplage pour le champ CAPE_INS et donc doit réduire drastiquement la valeur de MLCAPE et la rapproche presque de 0.

Dans cette situation c'est fort probable que ce soient les premiers orages qui se développerons qui feront sauter le couvercle de CIN aux alentour de celle-ci et on voit les valeurs de CAPE passer brusquement de 0 à 2000+ avec un déplacement en cercle après la modélisation des premières cellules dans les régions centrales.

 

 

C'est ce que je voulais savoir, la différence entre le CAPE__INS et le CAPE. Mais je n'ai rien trouvé sur l'internet jusqu'à présent  Mais il existe un paramètre SBCAPE dans AROME et ARPEGE, mais aucun des sites ne l'utilise encore.

 

 

SBCAPE, Mais les MAGICS ne peuvent pas afficher le nom du champ. Il y a une différence très importante entre les deux CAPE.

 

[Damien49]

On retrouve bien la SBCAPE sur meteologix : https://meteologix.com/af/model-charts/french-hd/cape-surface.html 
et comme je vois difficilement comment ils pourraient la calculer eux-mêmes, c'est soit qu'ils la récupèrent directement depuis Arome, soit qu'ils se sont trompés et qu'il s'agit en fait de la MUCAPE (qui a disparu de leur site) ^^

Mais ça ne résout pas mon souci, SBCAPE ou MUCAPE je ne pense pas que le problème vienne de là.

[ben01]

Il n'y a pas de de champ SBCAPE sur le modèle AROME dans les paquets téléchargeables ni dans leur doc. Donc d'après toutes les données que l'on a sur AROME (ni sur ARPEGE) il n'y a pas de SBCAPE à part la calculer point par point avec toutes les données d'altitudes (ce qui est difficilement faisable rapidement sans supercalculateur).

S'il existe où peut-on trouver pour les ajouter ? @oliver88

 

Quelques infos :

https://www.ecmwf.int/sites/default/files/elibrary/2019/19278-overview-convective-available-potential-energy-and-convective-inhibition-provided-nwp-models.pdf

[oliver88]

Uniquement disponible sur le portail-api.meteofrance via le service WCS, sur meteo.data.gouv.fr non@ben01 Et pour l'ARPEGE, il n'est disponible qu'en résolution 0.1°, en 0.05° non.

Je connais ce document pdf, mais il est peut-être obsolète, car le calcul de la CAPE a changé depuis la mise à jour des modèles d'APREGE et d'AROME de 2022. 

Réponse de l'API pour ARPEGE 0.1˚ ,ATOURX

Maximum convective available potential energy

CONVECTIVE_AVAILABLE_POTENTIAL_ENERGY_MAX__GROUND_OR_WATER_SURFACE___

Convective available potential energy

CONVECTIVE_AVAILABLE_POTENTIAL_ENERGY__GROUND_OR_WATER_SURFACE___

 

 

 

[ben01]

Il y a 20 heures, oliver88 a dit :

 

Je connais ce document pdf, mais il est peut-être obsolète, car le calcul de la CAPE a changé depuis la mise à jour des modèles d'APREGE et d'AROME de 2022. 

Je pense (je l'espère) que si y'a eu un changement si important que ca dans le calcul de la CAPE pour les modèles AROME et ARPEGE en 2022 il y a quelque chose de documenté car hélas il est indiqué partout que c'est bien la MUCAPE qui est utilisé/calculé sur des documents de 2015/2017/2019 hélas je ne trouve rien après 2022.

Aurais tu des documents indiquant ce changement vers plus une SB qu'une MU ? car depuis l'ouverture des données arome en 2016 le paramètre affiché (ex sur Météociel) reste le même. 

Ca serait bien d'avoir des informations de la part de MF pour un si grand changement s'il y a eu lieu quand même 😑 Car ca change quand même beaucoup au niveau des prévisions.

[Cers]

Si je ne m'abuse, le paramètre est une MUCAPE * ("dilute CAPE") qui tient compte de l'entraînement. Mais je ne suis pas sûr qui çà puisse expliquer complètement les fortes variations spatiales sur la carte, qu'on ne retrouve pas dans les sondages simulés.

[Damien49]

Tout à fait Cers, Arome étant un modèle non-hydrostatique, il réagit correctement sur la MUCAPE une fois la convection démarrées en bouffant progressivement la MUCAPE simulée dans les zones d'ascendance, j'aurais dû le préciser dans mon premier post. On le voit parfaitement sur les différents runs quand Arome simule un début d'orage. Là-dessus aucun problème, c'est ce qu'on attend de lui et il le fait correctement, je pense.

Mais le souci c'est que parfois, il le fait aussi AVANT un début d'ascendance convective. J'ai remarqué, il me semble (ça demande confirmation) qu'il le fait par période où surtout dans des circonstances à forte CAPE (type masse tropicale sans grande dynamique).

Cette notion d'entrainement sur la MUCAPE est peut-être mal paramétré, je ne sais pas.

Le PDF date de 2015 je pense en effet comme l'a dit oliver qu'il n'est plus à jour. Celui-ci ? https://donneespubliques.meteofrance.fr/client/document/description_parametres_modeles-arpege-arome-v2_185.pdf

[Cers]

En fait, la ECAPE diffère de la CAPE même quand il n'y a pas de convection humide profonde. Elle tient compte des effets de la dilution (qui réduit l'énergie potentielle d'une parcelle d'air ascendante), en fonction des propriétés de l'environnement (profil d'humidité, cisaillement de vent ...).

[Damien49]

Tu penses que ça serait ça ?

[_sb]

Ce n'est pas le sujet principal du topic, je signale à la marge donc que la prochaine version d'IFS, 49r1 en fin d'année, abandonnera les calculs de la CAPE et de la CIN pour les seules MUCAPE et MUCIN.

 

Sur ARPEGE, peut-être AROME ?, le modèle calcule la MUCAPE, codée en « CAPE_INS », et la SBCAPE, codée en « CAPE_MOD ». J'en ai cependant aucune certitude et ce dernier paramètre n'est pas distribué par les canaux classiques. Peut-être est-il seulement réinjecté sur du post-traitement pour l'élaboration d'autres produits convectifs ? Ou diffusé via d’autres canaux que j'ignore.

 

Peut-être @yayathe ou @Kendor auront des réponses ou des contacts sur ce sujet ?

[Pan]

On 8/4/2024 at 9:01 AM, Cers said:

En fait, la ECAPE diffère de la CAPE même quand il n'y a pas de convection humide profonde. Elle tient compte des effets de la dilution (qui réduit l'énergie potentielle d'une parcelle d'air ascendante), en fonction des propriétés de l'environnement (profil d'humidité, cisaillement de vent ...).

 

Je pense que tu vois juste ici. J'ai fait un petit exercise avec mon code de ECAPE "offline". J'ai pris deux sondages simulés vers la Corse sur cette carte, le sondage 1 dans une zone de fortes valeurs de MUCAPE (~ 1000 J/kg graphiquement) et le sondage 2 dans une zone à valeurs plus faibles (< 500 J/kg graphiquement).

 

 

Voici les profils et les valeurs calculées "offline" avec Sharppy :

 

sondage 1 : MUCAPE ~ 1500 J/kg

 

 

sondage 2 : MUCAPE ~ 800 J/kg

 

 

Déja, comparé aux valeurs sur la carte, on observe un surestimation du calcul de la MUCAPE. Normal puisque la MUCAPE directe de Arome tient compte des phénomènes d'entrainement/dilution. Maintenant voici le résultat pour la ECAPE que j'ai calculée. En bleu c'est le profil non dilué (la MUCAPE donc), et en rose/noir c'est avec dilution (l'ECAPE).

 

sondage 1 : On a une ECAPE plus proche de 1000 J/kg (en ordre de grandeur), qui correspond davantage à ce qu'on voit sur la carte.

 

sondage 2 : là, on retrouve la ECAPE 500 J/kg, qui correspond plus à ce qu'on voit sur la carte que les ~800 J/kg calculés en "offline" pour la MUCAPE

Donc, à priori on pourrait penser que c'est bien les phénomènes de dilution, en lien avec cisaillement, qui donnent des valeurs bien plus faibles que ce qu'on voit sur les profils verticaux. Il faudrait surement refaire le calcul pour des situations ressemblant à celles-ci sur ces cartes pour bien confirmer ce fait :

Modifié 14 septembre par Pan

[Damien49]

Merci à vous deux pour ces explications.

Juste un truc, est-ce que vous pourriez nous expliquer plus en détail la ECAPE et comment elle fonctionne, se calcule ? Car je ne suis pas sûr que tout le monde ait bien compris et j'ai moi-même peur de dire des conneries en essayant d'expliquer. Concrètement, comment cisaillement et humidité influence la CAPE et si oui, c'est calculé à partir de la MUCAPE, SBCAPE, MLCAPE ?

Merci à vous.

[Pan]

La ECAPE, ou CAPE effective, est une mesure de la CAPE qui tient compte des effets d'entrainement liés au cisaillement, mais aussi à l'échelle de la convection. Quand un thermique convectif se développe verticalement dans l'atmosphère, il se produit de l'entrainement turbulent sous forme de méandres, de recirculations, entre l'air environnement et l'air du thermique. Quand il y a peu de cisaillement, ça augmente encore davantage cet entrainement. Cet entrainement contribue à réduire l'énergie convective disponible, donc l'ECAPE est souvent une meilleure approximation de l'énergie convective utilisable pour la convection que ne l'est la MUCAPE (qui ne tient pas compte de l'entrainement).

Il n'y a pas de formule simple pour le calcul de l'ECAPE. Dans un modèle à haute résolution comme Arome, on calcule directement l'énergie utilisée provenant de toutes les contributions, dans mon cas en "offline", je ne calcule l'ECAPE que par rapport au profil vertical du cisaillement.

Modifié 13 septembre par Pan
correction apportée sur le rôle du cisaillement

[Damien49]

Ok merci. Est-ce que ça un rapport quantitatif ou qualitatif par rapport au cisaillement ? Par exemple quantitatif, plus un cisaillement est important, plus il va réduire la CAPE ? Même chose pour l'humidité ?

[Pan]

C'est un sujet très complexe. Ca reste un sujet de recherche très actif. Ca va dépendre beaucoup du profil de vent, de température et d'humidité.

 

Pour tenter de faire simple, quand le cisaillement dans les bas niveaux augmente, ça réduit (souvent) l'entrainement et par conséquent la dilution, de telle sorte que l'ECAPE sera plus proche de la CAPE que dans un cas avec faible cisaillement dans les bas niveaux. Exemple ci-dessous avec deux radiosondages qui ont mêmes profils thermodynamiques mais faible cisaillement (à gauche) et plus fort cisaillement (à droite). La ECAPE est plus forte à droite qu'à gauche.

 

bleu : parcelle "MUCAPE"

rose/noir : parcelle "ECAPE"

 

Pour l'humidité, c'est également compliqué, mais en général on considère qu'il y aura plus d'entrainement (donc de dilution) pour de la convection se développant dans un environnement plus sec comparé à un environnement plus humide. Ce qui va résulter en une ECAPE plus faible (par rapport à la CAPE) dans un environnement plus sec. J'illustre ça en comparant le cas à fort cisaillement et faible humidité dans les bas niveaux (à droite sur la figure précédente) à un cas où j'ai augmenté l'humidité dans le premier km (je sais, j'aurais du modifier l'humidité plutôt en haut qu'en bas afin de ne pas modifier la MUCAPE, mais je voulais aller au plus simple). On voit que la ECAPE a augmenté comparé à précédemment, ce qui est cohérent avec ce qui est dit plus haut.

 

bleu : parcelle "MUCAPE"

rose/noir : parcelle "ECAPE"

 

Pour revenir à quelque chose de simple, on peut regarder à nouveau les trois sondages précédents. On a :

sondage avec humidité modérée + cisaillement modéré ->

sondage avec humidité modérée + cisaillement plus faible ->

 

sondage avec humidité plus grande + cisaillement modéré ->

Modifié 14 septembre par Pan
ajout d'un calcul du rapport ECAPE sur MUCAPE et de quelques figures

[Damien49]

Merci Pan c'est beaucoup plus clair maintenant et je ne pensais pas que ma question amènerait sur un sujet aussi intéressant, j'suis content de l'avoir posé, d'autant que cette histoire de CAPE manquante sur Arome ça faisait bien quelques années qu'on ne comprenait vraiment pas. 😄

Faudrait revérifier maintenant lors d'épisodes où y'a de très grosses différences. Faudra attendre la saison prochaine par contre je pense. ^^

[kami]

Oui, ça n'est jamais mentionné, mais la CAPE que nous utilisons à MF est une CAPE avec entraînement : une eCAPE. Cela ne fait pas consensus dans la communauté internationnale, mais l'idée de l'approche "particule" est trop idéalisée et finalement peu réaliste. Le nuage n'est pas un milieu clos : de l'air humide rentre dedans (entraînement) et de l'air saturé en sort (détraînement). Dans tous les cas, cela aboutit à une évaporation partielle de la partie ascendante du nuage. Et donc un refroidissement. La bulle chaude ne suivra plus une pseudo-adiabatique mais une trajectoire un peu sur la gauche de celle-ci comme on le voit sur les émagrammes montrés précédemment. Cela va donc faire dégonfler le ventre de la CAPE et ainsi aboutir à une CAPE (en fait une MUCAPE) moins forte.

 

Ce qui fait débat, c'est la manière de paramétrer cela. Jusqu'en 2022, c'était un entraînement uniforme sur toute la verticale. Mais les échanges et la turbulence sont majoritairement en bas. Donc depuis 2022, l'entraînement est dit "adaptatif". En gros, il décroît avec l'altitude.

 

Je n'ai pas la paramétrisation exacte en tête mais la sensibilité est majoritairement liée à l'humidité. Plus ce sera sec et plus la dilution sera forte et donc la eCAPE moins forte.

 

Enfin, ARPEGE propose la même paramétrisation. Et si dans le catalogue, SBCAPE = CAPEMOD, il vaut mieux la jeter. C'est un vieux calcul qui est obsolète depuis 2010. Ce n'est pas une vraie CAPE : cela montre là où le schéma de convection réagit (donc autant regarder les pluies !). Mais c'est tjs présent sur nos postes de travail.

 

Au final, j'avoue qu'entre le champ de MUCAPE (en fait MUeCAPE ) et les profils verticaux, je ne vois pas d'élément décisif pour expliquer ce passage brut vers des valeurs plus basses (autant sur le Massif Central, on devine un courant de densité). Faudra que je regarde au travail à l'occasion

[Pan]

Merci @kami, donc ça confirme bien les intuitions de @Cers et les calculs que je montre précédemment. Vous ne tenez donc pas compte du cisaillement pour votre calcul de ECAPE?

Modifié 21 septembre par Pan

[kami]

Bonne question, je ne connais pas l'"envers du décor"

 

Car effectivement, il y a bien l'humidité d'un côté, mais forcément, le vent agit pour faire entrer l'air dans le nuage qui se déplace. Donc le cisaillement paraît le mieux. Si j'ai plus d'info, je vous dirai...