MesoNH (Lafore et al., 1998, http://mesonh.aero.obs-mip.fr/mesonh/), est un modèle atmosphérique capable de simuler les processus dynamiques et physiques de l’atmosphère à des échelles allant de la méso échelle jusqu’à des échelles très fines de quelques dizaines de mètres. Le modèle utilise un système d’équations basé sur l’approximation anélastique. Cette hypothèse consiste à utiliser un profil de densité constant dans les équations de continuité et du moment, sauf pour le terme de flottabilité, dans le but de filtrer les ondes acoustiques qui posent des problèmes numériques du fait de leur propagation rapide. Les différentes variables sont décomposées en une somme d’état de référence et d’une perturbation par rapport à cet état. L’état de référence est défini comme étant une atmosphère au repos, en équilibre hydrostatique, avec des profils de température et de vapeur d’eau uniformes horizontalement.
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Ces profils sont souvent choisis comme étant une moyenne horizontale de l’état initial des champs sur le domaine simulé. Les perturbations sont déterminées par la résolution du système d’équations du modèle. La pression est évaluée en résolvant par itérations successives un problème elliptique. Numériquement, ce système d’équations est résolu par discrétisation de manière indépendante dans les trois directions du système de coordonnées. Celui-ci ne peut pas être un simple système cartésien du fait de la sphéricité de la Terre. En météorologie, on utilise le système de coordonnées défini par la longitude, la latitude, et l’altitude (Z) au-dessus du niveau de la mer. Si on appelle (, , ) la base associée à ce
système; pointe en direction de l’Est, en direction du Nord et est vertical.
La coordonnée verticale du modèle (Z) est la coordonnée classique de Gal-Chen et
Soummerville [1975] définie de la manière suivante:
Z = H
(3.1)
Avec H l’altitude du sommet du modèle, Zs la hauteur du relief au point considéré et Z l’altitude au-dessus du niveau de la mer. Ainsi, dans les basses couches de l’atmosphère les isolignes de cette coordonnée verticale épousent la forme du terrain et plus on s’élève dans l’atmosphère, plus les isolignes se rapprochent de l’horizontale.
La discrétisation spatiale est effectuée aussi bien horizontalement que verticalement sur une grille de type ‘Mesinger et Arakawa’, [1976]. La discrétisation temporelle est basée sur un schéma ‘leapfrog’. Un filtre temporel d’Asselin est utilisé afin de contrôler les oscillations rapides générées par les itérations.
Les variables prognostiques sont les composantes du vent dans la base (, , ), la température
potentielle, les rapports de mélange des différentes classes d’eau utilisées et l’énergie cinétique turbulente. Ces variables constituent les solutions des équations de la physique dépendantes du temps et discrétisées. Elles doivent être initialisées au début de la simulation.
MesoNH a été conçu pour réaliser simultanément des simulations pour des grands domaines avec faible résolution et des simulations pour des domaines plus petits avec une meilleure
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résolution. On peut donc utiliser des configurations de modèles imbriqués tout en garantissant les échanges d’informations entre les différents domaines. Pour cela, une technique d’interaction bidirectionnelle (‘Two-way grid-nesting’, Stein et al., 2000) a été implémentée dans le modèle de telle manière que les champs du domaine fils où certains phénomènes de petite échelle sont explicitement résolus peuvent influer sur les champs du domaine père et inversement.
MesoNH possède un ensemble de paramétrisations physiques complet. Seules les paramétrisations utiles pour notre étude sont présentées ci-dessous:
- Le schéma de surface (SurfEx): Ou ‘Surface Externalisée’ possède ses propres entrées-sorties et diagnostiques. Il fournit les bilans d’eau et d’énergie à la surface du sol et dans la partie du sol (à quelques mètres) en interaction avec l’atmosphère. Il simule aussi d’autres flux et variables, comme les flux chimiques gazeux et aérosols ou de dioxyde de carbone (CO2) issus de la végétation. Dans SurfEx, la surface est découpée en 4 types de sols correspondant à des schémas de paramétrisation spécifiques: ISBA (sols naturels; Noilhan et
Planton, 1989), TEB (ville; Masson, 2000), SEA_FLUX (mers et océans; Mondon et Redelsperger, 1998), WATER_FLUX (lacs). Pour l’étude des émissions d’aérosols naturels
c’est le schéma ISBA qui entre en jeu. ISBA puise ses données d’entrées de la base de données ECOCLIMAP et permet d’évaluer les flux de surface de chaleur, d’humidité et de quantité de mouvement. ISBA fournit huit variables pronostiques: les températures de surface et du sol profond; les contenus en eau de la surface, du sol profond et à la surface des végétaux; le contenu en eau liquide; l’albédo et la densité du réservoir de neige. Ces variables combinées aux données des caractéristiques du sol et de la végétation permettent de calculer les flux turbulents de quantité de mouvement et de chaleur (sensible et latente) dégagés par le système sol-végétation suite au flux radiatif net absorbé.
- Le schéma de turbulence: MesoNH possède un schéma de turbulence conçu pour des simulations en 3D et à résolution fine (Cuxart et al., 2000). Ce schéma consiste en un système complet d'équations pour les moments d'ordre deux des flux turbulents décrit par Deardorff, [1973] et suit le modèle proposé par Redelsperger et Sommeria [1981] et Bougeault et al., [1989].
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- Le schéma d’advection (PPM): Ou ‘Piecewise Parabolic Method’ (Colella et Woodward, 1983) implémenté récemment dans MesoNH. PPM est basé sur la méthode de Godunov, [1959] et il fonctionne à nombre de Courant élevé tout en conservant les gradients et la masse. Ce schéma a été testé avec succès sur le cas d’une ligne de grains en Ile de France. L’avantage du schéma d’advection PPM est qu’il permet une meilleure définition spatiale des panaches d’aérosols dans l’atmosphère.