Les équations régissantes sous forme perturbée

Télécharger le fichier original (Mémoire de fin d’études)

Fonction de chaque programme de WPS

Pour créer le domaine de simulation, nous avons opté manuellement en ajustant les paramètres de la partie « geogrid » du fichier « namelist.wps ». Des détails de namelist.wps sont indiqués en Annexe I.

Programme geogrid

Le but de geogrid est de définir les domaines de simulation, et d’interpoler les divers ensembles de données terrestres aux modèles de grilles. Le domaine de simulation est défini à l’aide des informations spécifiées par l’utilisateur dans le « namelist geogrid » du namelist.wps. En plus du calcul de latitude/longitude pour chaque point de la grille, geogrid interpolera les catégories, l’utilisation et la température moyenne du sol, la longueur du terrain, la fraction mensuelle de végétation, l’albédo mensuel, l’albédo des neiges, et les catégories de pente aux modèles grilles par défaut. L’ensemble de données globales pour chacun de ces domaines sont fournis par le site MMM, et ne doivent être téléchargés qu’une seule fois. Plusieurs ensembles de données sont disponibles selon la résolution, mais d’autres sont mis à disposition dans les résolutions de 30″ (seconde), 2′ (minute), 5′, et 10′. Ainsi, l’utilisateur n’a pas besoin de télécharger toutes les résolutions disponibles pour un ensemble de données, même si les champs interpolés seront généralement plus représentatifs lorsqu’une résolution des données de la simulation est utilisée. Toutefois, les utilisateurs qui s’attendent à travailler avec des domaines ayant des espacements de grille couvrant une large gamme pourraient éventuellement télécharger toutes les résolutions disponibles des données terrestres.
Outre l’interpolation des champs terrestres par défaut, le programme geogrid est assez général pour être interpoler les champs les plus continus et les plus catégoriques aux domaines de simulation. De nouveaux jeux de données peuvent être interpolés aux domaines de simulation grâce à l’utilisation du fichier de table, GEOGRID.TBL. Ce dernier définit chacun des champs qui seront produits par geogrid; il décrit les méthodes d’interpolation à utiliser pour un champ, ainsi que l’emplacement du système de fichiers, où l’ensemble de données du champ est localisé.
Pour créer le domaine de simulation, nous avons opté manuellement en ajustant les paramètres de la partie « geogrid » du fichier « namelist.wps ». Des détails de namelist.wps sont indiqués en Annexe I.

Programme ungrib

Le programme de ungrib lit les fichiers de format GRIB, et écrit les données dans un format simple, appelé le format intermédiaire. Les fichiers GRIB contiennent des champs météorologiques qui varient dans le temps et sont fréquemment d’un autre modèle régional ou mondial, comme le NAM de NCEP ou modèles GFS. Le programme ungrib peut lire GRIB 1 et/ou GRIB 2 fichiers.
GRIB 1 et 2 utilisent différents codes pour identifier les variables et les niveaux dans le fichier GRIB. Ungrib utilise des tables de ces codes appelé Vtables, Ces codes sont disponibles pour NAM 104 et 212 grilles, le format NAM AWIP, GFS, le NCEP/NCAR archivée à NCAR, RUC (données de niveau de pression et hybride de données de coordonnées), et la sortie AGRMET modèle de surface terrestre AAE. Les utilisateurs peuvent créer leur propre Vtable pour d’autres sorties du modèle utilisant l’un des Vtables comme un modèle.

Programme metgrid

Le programme metgrid interpole horizontalement les données de format intermédiaire qui sont extraites par le programme ungrib sur des domaines de simulation définies par le programme geogrid. Le rendement interpolé par metgrid peut ainsi être ingéré par le programme « real.exe » du WRF. La plage de dates qui seront interpolés par metgrid est définie dans le fichier « namelist.wps » de WPS. Pour chaque domaine de simulation, cette plage de dates doit être spécifiée individuellement dans « namelist.wps ». Puisque le travail de metgrid dépend du temps, comme celui du programme ungrib, metgrid a été exécuté à chaque fois initialisé sur une nouvelle simulation.
Le fichier METGRID.TBL fournit une section pour chaque domaine, et dans cette section, il est possible de spécifier des options à savoir les méthodes d’interpolation utilisées pour le champ.
L’état de référence est défini par trois (03) constantes et l’altitude de terrain. po (1005 Pa), pression au niveau de la mer, To (de 270 à 300 K), la température du niveau de la mer (SST), A (50 K), représente la température entre les pressions de niveau p0 et p0/e. En conséquent, la pression de surface d’état de référence sèche est :
pdhs = poexp [- + ] (2.2.1) La pression de référence à 3D est calculée comme une fonction de la coordonnée verticale
−
La ̅
η :
dh = d = η(pdhs – pdht) + pdht (2.2.2)
température potentielle de référence est définie :
̅ ̅ (2.2.3)
d = T0 + A ln d/p0)

Interpolation et extrapolation verticale

Le préprocesseur des données réelles d’ARW interpole verticalement en utilisant des fonctions de pressions. Les données d’entrées de WPS contiennent une pression totale et un gisement d’humidité. Dans l’atmosphère libre, il est possible d’avoir une contradiction entre la surface d’entrée et la pression extérieure. Ainsi, ces contradictions peuvent mener à une extrapolation. Ainsi, pour extrapoler les vents horizontaux et l’humidité relative, la surface connue doit garder la constante de valeurs, avec le gradient vertical nul. Si la condition aux frontières existe, nous remarquons que le géopotentiel est défini nul à p0, l’extrapolation n’est pas exigée.

État de perturbation

Tout d’abord, un état de référence topographiquement défini est calculé, puis les donnéesμd’entrée à 3D sont verticalement interpolées dans une espace de pression sèche. µd’= µd – d (2.2.4)
Celle-ci représente le champ de colonne de perturbation de pression, où ud est la colonne de pression totale sèche. De ce fait, les champs de perturbation de pression et la densité inverse sont diagnostiqués.

Les données utilisées

Les données exploitées par le modèle peuvent être classées suivant trois (03) catégories :
• Les données météorologiques formées par les composants zonaux et méridionaux du vent, la température, l’humidité, la pression à la surface, la SST et les conditions aux limites ;
• les données extérieures de la topographie, l’albédo, la longueur de rugosité, le type de sol, les surfaces d’eaux souterraines, …
• les données de végétation sur le type de terre utilisé, la couverture de végétation, …
Dans cette étude nous avons utilisé les données FNL (from GFS final) fournies à chaque 6 heures par « NCAR/ CISL ». Ces données de type GriB2 sont disponibles globalement à une résolution de 1° x 1° à partir de NCAR/DSS [17]. La période employée dans les envergures de cette étude s’étant à partir de 28 à 30 janvier 2013 pour la simulation en été et de 17 à 19 juillet celui d’hiver.
En plus de ces données statiques, nous avons besoin des données d’entrée géographiques nécessaires à la création du domaine d’étude. Ces données (geog.tar.gz) sont disponibles sur internet [29], avec une résolution de 30s, 2mn,
5mn et 10mn. Ces données incluent déjà les parties MODIS sur la végétation, type de sol, … et les parties sur les champs nommées GWD.
Pour avoir la hauteur de vagues, les cartes donnant la direction et la force de vent issues du modèles WRF seront traités. Pour cela nous avons utilisé l’échelle anémométrique établit par Sir Francis Beaufort. Nous allons détailler dans la suite, cette échelle de Beaufort.

Échelle de Beaufort

L’échelle de Beaufort est une échelle de mesure empirique, comportant 13 degrés (de 0 à 12), de la vitesse moyenne du vent sur une durée de dix (10) mn utilisée dans les milieux maritimes, cette échelle a été conçue depuis 1805 par Sir Francis Beaufort et adoptée en 1926 par les instances internationales. Le degré Beaufort correspond à la vitesse moyenne du vent. Si cette vitesse peut être mesurée avec une bonne précision à l’aide d’un anémomètre, il est commode, en mer, d’estimer cette vitesse par la seule observation des effets du vent sur la surface de la mer. Le tableau n°05 suivante qui présente la formulation de l’échelle Anémométrique de Beaufort (a la hauteur normalisé de 10 mètres au dessus d’un terrain plat et découvert) a évolué et pour être utilisés au cours des années 1946.
Notons que cette table est conçue pour servir uniquement de guide indiquant grosso modo les conditions que nous pouvons s’attendre en haute mer, loin des côtes. Elle ne doit jamais à être utilisée de manière inverse, c’est-à-dire pour déterminer l’état de la mer en vue de la consigner ou de la signaler. Dans les mers intérieures ou près des côtes, avec un vent de terre, la hauteur des vagues sera plus petite et leur escarpement plus fort. Les chiffres entre parenthèse indiqué dans ce tableau figurent la hauteur maximale probable des vagues. [32]

Table des matières

LISTE DES ABREVIATIONS
TERMES SPECIFIQUES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES CARTES
LISTE DES ANNEXES
INTRODUCTION.
PARTIE I : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES
I.1. Présentation de l’océan Indien
I.1.1. Circulation générale
I.1.1.1. Les Alizés
I.1.1.2. La zone de convergence intertropicale
I.1.2. Circulation océaniques [12]
I.1.2.1. La circulation à la surface des océans
a. Loi de Newton [3].
b. Équation de mouvement en océanographie
c. Équation géostrophique
I.1.3. Circulation globale
I.2. Vague et transport maritime
I.2.1. Mécanisme de la vague
I.2.1.1. Formation des vagues
I.2.1.2. Vitesse et classification des propagations des ondes
a. Vitesse de propagation de l’onde
b. Classification des ondes
c. Phénomène de marées
I.2.1.3. Caractéristiques des vagues
I.2.1.4. Représentation mathématiques des vagues
I.2.1.5. Propagation des vagues
I.2.1.6. Energie des vagues
I.2.1.7. Vieillissement
I.2.1.8. Déferlement
I.2.2. Transport maritime à Madagascar
I.2.2.1. Structure du Navire
a. Coque
b. Quille
c. Étrave
d. Étambot et Gouvernail
I.2.2.2. Tonnage
I.2.2.3. Navires de Madagascar
I.2.2.4. Ports de Madagascar et lignes maritimes
I.2.2.2. Perspectives pour les ports malgaches [21]
a. Au port de Toamasina
b. Au port d’Ehoala
PARTIE II: METHODOLOGIE
II.1. Description du modèle Weather Research and Forecasting (WRF)
II.1.1. Modèle de recherche avancée WRF (ARW).
II.1.2. Les équations régissantes
II.1.2.1. Coordonnées verticales
II.1.2.2. Équations d’humidité de l’air en WRF
II.1.2.3. Les systèmes de projections
II.1.2.4. Les équations régissantes sous forme perturbée
II.1.3. Discrétisation
II.1.4. Conditions initiales et aux limites
II.1.4.1. Conditions initiales
II.1.4.2. Présentation de WRF processing System (WPS)
II.1.4.3. État de référence
II.1.4.4. Conditions aux frontières latérales
II.1.5. Technique de nesting
II.2. Mise en oeuvre du Modèle
II.2.1. WPS
II.2.2. WRFDA
II.2.3. Le noyau WRF
II.2.4. Outil de traitement et de visualisation
II.2.5. Installation et compilation du modèle WRF ARW
II.2.6. WPS (Package)
II.2.7. Fonction de chaque programme de WPS
II.2.7.1. Programme geogrid
II.2.7.2. Programme ungrib
II.2.7.3. Programme metgrid
II.2.8. Interpolation et extrapolation verticale
II.2.9. État de perturbation
II.2.10. Les données utilisées
II.3. Échelle de Beaufort
II.3.1. Approximation de Beaufort avec la vitesse de vent.
II.3.2. Formule entre la vitesse de vent en Beaufort et en noeuds
PARTIE III : APPLICATIONS, RESULTATS, INTERPRETATIONS ET DISCUSSION
III.1. Configuration du modèle
III.1.1. Présentation de la démarche de simulation
III.1.2. Compilation de geogrid, ungrib et metgrid
III.2. Simulation
III.2.1. Simulation en janvier
III.2.1.1. 1er jour
a. Domaine Père.
b. Domaine fils (DO2)
c. Domaine fils (DO3)
III.2.1.2. 2ème jour
a. Domaine père
b. Domaine fils (DO2)
c. Domaine fils (DO3)
III.2.1.3. 3ème jour
a. Domaine Père
b. Domaine fils (DO2)
c. Domaine fils (DO3)
III.2.2. Simulation en juillet
III.2.2.1. 1er jour
a. Domaine Père
b. Domaine fils (D02)
c. Domaine fils (D03)
III.2.2.2. 2ème jour
a. Domaine Père.
b. Domaine fils (DO2)
c. Domaine fils (D03)
III.2.2.3. 3ème jour
a. Domaine Père
b. Domaine fils (DO2)
c. Domaine fils (DO3)
III.3. Confrontation des Résultats
III.4. Discussion
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ET WEBOGRAPHIQUES
ANNEXE