htgop_doc

gas_opt_prop_fr.tex (12007B)

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 \begin{document}
 
 \title{High-Tune: gas optical properties file format}
 
 \maketitle
 \begin{center}
 \author{\bf|Méso|Star>}\\
  (\url{http://www.meso-star.com}) \\
 \end{center}
 \vspace{1cm}
 
 \tableofcontents
 
 \newpage
 \section{Contexte}
 Ce document présente le format de fichier fournissant toutes les données permettant de calculer les propriétés optiques (coefficients d'absorption et de diffusion, LW \& SW) {\bf du mélange gazeux} uniquement.
 Le fichier de données utilise le format ASCII, et la convention suivante: chaque donnée est décrite par une ligne de commentaire, suivie par la donnée numérique. Une seule valeur numérique est donnée par ligne. Les valeurs numériques d'un tableau de dimension $N$ sont donc fournies sur $N$ lignes.
 
 \section{Description du modèle et utilisation des données}
 
 Les données fournies dans ce fichier concernent une atmosphère plan-parallèle stratifiée: l'atmosphère est divisée en $N_{lev}$ niveaux (de pression, ou d'altitude) délimitant $N_{lay}=N_{lev}-1$ mailles. Un certain nombre de données sont fournies pour les niveaux, d'autres sont fournies pour les mailles (hypothèse de maille homogène, ce qui revient à fournir pour les mailles une donnée moyenne). Enfin, il existe deux grand domaines spectraux: le longwave (LW) et le shortwave (SW). Pour chacun de ces domaines, un certain nombre d'intervalles est défini. Enfin, dans chacun de ces intervalles, un certain nombre de points de quadrature est défini (différent dans chaque intervalle).
 
 \begin{figure}[!h]
 \centering
 \includegraphics[width=0.80\textwidth,angle=0]{./figures/ka_lw.pdf}
 \caption[]{Evolution du coefficient d'absorption pour les dix points de quadrature du premier intervalle spectral LW, pour la première maille atmosphérique (profil MLS) en fonction de la concentration molaire de vapeur d'eau.}
 \label{fig:ka_lw}
 \end{figure}
 
 La principale chose à retenir est la possibilité de reconstruire les propriétés optiques du mélange de gaz (coefficients d'absorption et de diffuion) à partir des données fournies dans ce fichier atmosphérique, ainsi que de la composition locale en vapeur d'eau (variable, imposée par les données LES). Le fichier atmosphérique contient en effet les valeurs des coefficients d'absorption et de diffusion tabulés en fonction de la fraction molaire de vapeur d'eau $x_{H_{2}O}$. On peut en effet constater (figure \ref{fig:ka_lw}) que le logarithme du coefficient d'absorption évolue de façon linéaire avec le logarithme de $x_{H_{2}O}$ sur une large gamme de concentration molaire, et ce pour chaque point de quadrature. Il est donc facile d'interpoler les propriétés optiques du mélange de gaz pour toute valeur de $x_{H_{2}O}(local)$ (imposée, dans le cas du projet High-Tune, par les données nuageuses LES) à partir des valeurs tabulés dans le fichier atmosphérique.
 
 \begin{figure}[htbp]
 %  \hspace*{-2.2cm}
   \centering
   \mbox{
     \subfigure[]{
       \includegraphics[width=0.50\textwidth]{./figures/si_flux_nominal_lw.pdf}
     }
     \quad
     \hspace{-0.5cm}
     \subfigure[]{
       \includegraphics[width=0.50\textwidth]{./figures/dsi_flux_lw.pdf}
     }
   }
   \caption{(a) Profil de flux intégrés sur le domaine LW, obtenus à l'aide des épaisseurs optiques d'absorption nominales de ECRAD sur un profil standard MLS; (b) Ecart sur les flux radiatif (intégrés sur le domaine LW) obtenus d'une part à l'aide des épaisseurs optiques d'absorption nominales, et d'autre part à l'aide des épaisseurs optiques d'absorption interpolées à partir de la tabulation et des valeurs nominales de $x_{H_{2}O}$}
   \label{fig:si_flux_lw}
 \end{figure}
 
 \begin{figure}[htbp]
 %  \hspace*{-2.2cm}
   \centering
   \mbox{
     \subfigure[]{
       \includegraphics[width=0.50\textwidth]{./figures/si_flux_nominal_sw.pdf}
     }
     \quad
     \hspace{-0.5cm}
     \subfigure[]{
       \includegraphics[width=0.50\textwidth]{./figures/dsi_flux_sw.pdf}
     }
   }
   \caption{(a) Profil de flux intégrés sur le domaine SW, obtenus à l'aide des épaisseurs optiques d'absorption nominales de ECRAD sur un profil standard MLS; (b) Ecart sur les flux radiatif (intégrés sur le domaine SW) obtenus d'une part à l'aide des épaisseurs optiques d'absorption nominales, et d'autre part à l'aide des épaisseurs optiques d'absorption interpolées à partir de la tabulation et des valeurs nominales de $x_{H_{2}O}$}
   \label{fig:si_flux_sw}
 \end{figure}
 
 
 Un travail de validation de l'hypothèse de linéarité des propriétés optiques avec la fraction molaire de vapeur d'eau a été conduit sur la base suivante: nous disposons d'un code de transfert radiatif (LW \& SW) basé sur l'utilisation de solutions analytiques, donc sans diffusion (en cours de publication) qui a été adapté à l'utilisation de données spectrales en k-distribution à ordre de quadrature variable, donc permettant d'utiliser les données spectrales issues de ECRAD. Nous avons effectué deux calculs de transfert radiatif (flux intégrés sur le domaine LW) sur un profil atmosphérique MLS modifié: dans un premier temps, nous avons isolé dans les données LES, la colonne contenant la maille présentant la plus forte humidité spécifique. Le profil vertical de $x_{H_{2}O}$ du profil MLS standard a donc été remplacé, dans chaque maille atmosphérique, par les données issues de cette colonne LES dans la zone contenant le nuage (pour z<4 km), et n'a pas été modifié en dehors de cette zone. Les deux calculs de transfert radiatif effectués ont utilisé:
 
 \begin{itemize}
 \item d'une part, les coefficients d'absorption issus de ECRAD pour le profil MLS modifié. Les résultats sont présentés en figure \ref{fig:si_flux_lw}(a) pour le LW et en figure \ref{fig:si_flux_sw}(a) pour le SW.
 \item d'autre part en utilisant les coefficient d'absorption obtenus par interpolation à partir des valeurs locales de $x_{H_{2}O}$, et de la tabulation établie par utilisation de ECRAD, sur 20 points $x_{H_{2}O}$ répartis de façon uniforme en log entre 10$^{-6}$ et 1. La figure \ref{fig:si_flux_lw}(b) montre les différences entre les flux radiatifs obtenus par cette méthode et les résultats précédents (référence) pour le LW, et la figure \ref{fig:si_flux_sw}(b) montre les mêmes écarts pour le domaine SW.
 \end{itemize}
 
 Les résultats étant extrêmement proches, on considère à cette étape que la méthodologie consistant à tabuler les propriétés optiques du mélange en fonction de $x_{H_{2}O}$ dans le but d'interpoler ces quantités pour n'importe quelle valeur locale de $x_{H_{2}O}$, est bien validée. Au besoin, il est possible de rajouter des données dans la tabulation afin d'améliorer la précision sur le transfert radiatif.
 
 \newpage
 \section{Format de fichier}
 
 Les données fournies dans le fichier atmosphérique, séparées par une ligne de commentaire, sont les suivantes:
 
 \begin{itemize}
 \item Le nombre de niveaux atmosphériques $N_{lev}$ (1 entier)
 \item Le nombre de mailles atmosphériques $N_{lay}$ (1 entier)
 \item La température du sol (1 réel) [K]
 \item La pression à chaque niveau ($N_{lev}$ réels) [Pa]
 \item La température à chaque niveau ($N_{lev}$ réels) [K]
 \item L'altitude à chaque niveau ($N_{lev}$ réels) [m]
 \item La fraction molaire nominale de vapeur d'eau dans le mélange $x_{H_{2}O}(nominal)$, pour chaque maille ($N_{lay}$ réels) [mole de $H_{2}O$ par mole de mélange]
 \item Le nombre de profils verticaux de fraction molaire de vapeur d'eau $x_{H_{2}O}$ pour la tabulation ($N_{w}$).
 \item Pour chacun des $N_{w}$ profils verticaux de $x_{H_{2}O}$ de la tabulation: la valeur de $x_{H_{2}O}$ pour chacune des $N_{lay}$ mailles atmosphériques. ($N_{w}xN_{lay} réels$) [mole de $H_{2}O$ par mole de mélange]
 \item L'émissivité du sol pour le domaine LW (1 réel)
 \item L'émissivité du sol pour le domaine SW (1 réel)
 \item Le nombre d'intervalles spectraux pour le domaine LW $N_{b,LW}$ (1 entier)
 \item Le nombre d'intervalles spectraux pour le domaine SW $N_{b,SW}$ (1 entier)
 \item Pour chacun des $i_{b} \in [1,N_{b,LW}]$ intervalles du domaine LW:
 \begin{itemize}
 \item le nombre d'onde inférieure de l'intervalle (1 réel) [cm$^{-1}$]
 \item le nombre d'onde supérieure de l'intervalle (1 réel) [cm$^{-1}$]
 \item le nombre de points de quadrature $N_{g}(i_{b})$ (1 entier)
 \item les $N_{g}(i_{b})$ poids de quadrature de l'intervalle ($N_{g}(i_{b})$ réels)
 \end{itemize}
 \item Pour chacun des $i_{b} \in [1,N_{b,SW}]$ intervalles du domaine SW:
 \begin{itemize}
 \item le nombre d'onde inférieure de l'intervalle (1 réel) [cm$^{-1}$]
 \item le nombre d'onde supérieure de l'intervalle (1 réel) [cm$^{-1}$]
 \item le nombre de points de quadrature $N_{g}(i_{b})$ (1 entier)
 \item les $N_{g}(i_{b})$ poids de quadrature de l'intervalle ($N_{g}(i_{b})$ réels)
 \end{itemize}
 \item Pour chacun des $i_{b} \in [1,N_{b,LW}]$ intervalles du domaine LW, et pour chacun des $i_{g} \in [1,N_{g}(i_{b})]$ points de quadrature:
 \begin{itemize}
 \item le coefficient d'absorption {\bf nominal} du mélange de gaz, pour chaque maille ($N_{lay}$ réels) [m$^{-1}$]
 \item le coefficient d'absorption du mélange de gaz {\bf pour chaque point de tabulation} $i_{w}$, pour chaque maille ($N_{w}xN_{lay}$ réels) [m$^{-1}$]
 \end{itemize}
 \item Pour chacun des $i_{b} \in [1,N_{b,SW}]$ intervalles du domaine SW, et pour chacun des $i_{g} \in [1,N_{g}(i_{b})]$ points de quadrature:
 \begin{itemize}
 \item le coefficient d'absorption {\bf nominal} du mélange de gaz, pour chaque maille ($N_{lay}$ réels) [m$^{-1}$]
 \item le coefficient d'absorption du mélange de gaz {\bf pour chaque point de tabulation} $i_{w}$, pour chaque maille ($N_{w}xN_{lay}$ réels) [m$^{-1}$]
 \end{itemize}
 \item Pour chacun des $i_{b} \in [1,N_{b,SW}]$ intervalles du domaine SW, et pour chacun des $i_{g} \in [1,N_{g}(i_{b})]$ points de quadrature:
 \begin{itemize}
 \item le coefficient de diffusion {\bf nominal} du mélange de gaz, pour chaque maille ($N_{lay}$ réels) [m$^{-1}$]
 \item le coefficient de diffusion du mélange de gaz {\bf pour chaque point de tabulation} $i_{w}$, pour chaque maille ($N_{w}xN_{lay}$ réels) [m$^{-1}$]
 \end{itemize}
 
 \end{itemize}
 
 Un exemple de routine (fortran) permettant de lire ce fichier est donné ci-dessous (fichier ``input.for''):
 
 \lstinputlisting[language=fortran]{./source_files/input.for}
 
 \end{document}