# Impacts des ouragans 2017 sur les Antilles françaises : simulations WRF vs Arome 1,3 km

Raphaël Cécé, Didier Bernard, Ghislain Faure, Yann Krien, Emmanuel

Biabiany, Gael E Arnaud, Narcisse Zahibo, Bernard Dudon

► To cite this version:

Raphaël Cécé, Didier Bernard, Ghislain Faure, Yann Krien, Emmanuel Biabiany, et al. Impacts des ouragans 2017 sur les Antilles françaises: simulations WRF vs Arome 1,3 km. Atelier TIREX, Météo-France, Dec 2018, Fort-de-France, Martinique. hal-05361760

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# Impacts des ouragans 2017 sur les Antilles françaises : simulations WRF vs Arome 1,3 km

AGENCE NATIONALE DE LA RECHERCHE
ANR

**Auteurs** : R. Cécé, D. Bernard, G. Faure*, Y. Krien, E. Biabiany, G. Arnaud, N. Zahibo, B. Dudon

**Organismes** : LARGE (Université des Antilles), *Météo-France

**Date** : 4 décembre 2018

DIRAG Météo-France, Desaix, Fort-de-France

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Tâche

#02

Impacts et résilience
des environnements côtiers

Reconstitution des conditions météorologiques
cycloniques à très haute résolution (< 2 km)

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Coordination LIENSs & LARGE
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# Quels impacts ?

- Vents soutenus destructeurs et rafales

- Pluies intenses et inondations

- Submersion marine (vagues, surcotes)

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Vue aérienne de St Martin après le passage d'Irma avec des rafales estimées à 360 km/h</figcaption></figure>

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Inondations au Raizet (Maria, 230 mm en 24h)</figcaption></figure>

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Enjeux de la reconstitution des conditions
cycloniques à très haute résolution (< 2 km) :

* Manque de données d'observation pour analyser les dégâts induits (ex Irma).

* Meilleure compréhension des effets positifs/négatifs des Petites Antilles (largeur<50km) sur les vents et les pluies cycloniques : topographie complexe, occupation des sols (zone urbaine vs zone mangrove, interface côtier).

* Identification de zones d'aléas cycloniques à l'échelle d'un quartier.

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# Quels modèles numériques atmosphériques ?

* **WRF ARW (Weather Research and Forecasting)** : modèle multi-échelle libre, éprouvé au laboratoire LARGE depuis 2010 sur les problématiques des Petites Antilles aux très fines échelles (<1 km) (Cécé et al. (2014, 2016), Bernard et al. (2013, 2017)).

* **Arome**: modèle opérationnel maille fine développé par Météo-France : runs toutes les 6h, 2,5 km de résolution actuellement dans le domaine Antilles et **maille 1,3 km** saison cyclonique 2017.

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# Étude du passage de l'ouragan cat 5 Maria sur l'Arc des Petites Antilles (18-20 septembre 2017)

* Données d'observation du réseau de stations Météo-France disponibles contrairement au cas d'Irma + radars Guadeloupe et Martinique.

* Évaluer la capacité du modèle à reproduire un phénomène très instable à l'approche de l'arc (intensification brutale, rwm très faible, trajectoire).

* Modélisation des effets de l'orographie sur les cumuls de pluie et les rafales (Dominique 1450m, Guadeloupe 1460m).

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Configuration des modèles

<table><thead><tr><th></th><th>AROME</th><th>WRF</th></tr></thead><tbody><tr><td>Grilles</td><td>1 domaine à 1,3km (944x528)</td><td>4 domaines imbriqués : 7,5 - 2,5 - 0,8 - 0,3 km (2-way)</td></tr><tr><td>Niveaux verticaux</td><td>90 jusqu'à 10 hPa</td><td>99 jusqu'à 30 hPa</td></tr><tr><td>Conditions initiales</td><td>ECMWF IFS (0,1°-137 levels) + nudging 6h (IAU)</td><td>ECMWF IFS (0,1°-26 levels) + hybrid ENS-3DVAR (TCbogus+ GTS)</td></tr><tr><td>Conditions limites</td><td>ECMWF IFS (0,1° - 137 niveaux verticaux)</td><td>ECMWF IFS (0,1° - 26 niveaux verticaux)</td></tr><tr><td>SST</td><td>Mercator Ocean</td><td>RTG Highres 1/12°</td></tr><tr><td>Turbulence</td><td>CBR TKE</td><td>Non-local-K YSU M-O. Surface layer flux (Donelan et al. 2004)</td></tr><tr><td>Deep convection</td><td>Explicit</td><td>Dom. 1 : Kain-Fritsh<br>Autres : explicit</td></tr></tbody></table>

Période de simulation (24h) : 18 sept 18Z au 19 sept 18Z

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# Configuration des modèles : domaines

**AROME :**

Domaine unique
(1,3km)

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**WRF :**

4 domaines

imbriqués :

- DOM1 (7,5km)

- DOM2 (2,5km)

- DOM3 (0,8km)

- DOM4 (0,3km)

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# Résultats WRF0,3km : bogus vortex interpolé sans 3dvar

Maximum 10m wind speed (km/h)

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24h accumulated rain (18-22Z 19-22Z) (mm)

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Procédure d'initialisation

AROME : IAU

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WRF : ENS-3DVAR (TC bogus+ obs GTS)

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# Procédure de correction de la position et de l'intensité du vortex : ENS-3DVAR (U, V, T, Q, Ps)

Méthode décrite dans Wang et al. (2008a, 2008b, 2011) et appliquée par Schwartz et al. (2013) et Shen et al. (2016).

Minimisation de la cost function hybride (J) : $J = \beta_1 J_b + \beta_2 J_e + Jo$

Avec $\frac{1}{\beta_1} + \frac{1}{\beta_2} = 1$

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# Procédure de correction de la position et de l'intensité du vortex : ENS-3DVAR (U, V, T, Q, Ps)

Méthode décrite dans Wang et al. (2008a, 2008b, 2011) et appliquée par Schwartz et al. (2013) et Shen et al. (2016).

$$ \text{Minimisation de la cost function hybride } (J) : J = \beta_1 J_b + \beta_2 J_e + J_o \\ \text{Avec } \frac{1}{\beta_1} + \frac{1}{\beta_2} = 1 $$

Suivant Shen et al. (2016) et nos propres tests, nous avons choisi une fonction / dépendant entièrement de la covariance sur l'ensemble des membres.

Ainsi : $\beta_1 = 1/1001$ et $\beta_2 = 1/1,001$

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# Vortex Paramétrique (Holland 1980, Krien et al. 2018)

Les champs de pression et de vitesse : formule de Holland (1980).

$$P = (P_{\infty} - P_{c})\exp\left(-\left(\frac{Rm64}{r}\right)^{B}\right) + P_{c}$$

$$B = \frac{V_{m}^{2} e\rho + fV_{m} R_{m} e\rho}{\Delta P}$$

Rm64 : rayon de vent max
calculé avec les rayons à 64kt

$$V(r) = \sqrt{\left(\frac{R_m}{r}\right)^B \frac{B \Delta P \exp\left(-\left(\frac{R_m}{r}\right)^B\right)}{\rho} + \frac{r^2 f^2}{4} - \frac{fr}{2}}$$

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# Vortex Paramétrique (Holland 1980, Krien et al. 2018)

* La vitesse paramétrique est obtenue à partir d'une combinaison de trois valeurs de vitesse, calculées à partir des trois rayons de vents max différents : Rm64, Rm50, et Rm34 (Krien et al. 2018).

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* Coef allant de 0,7 à 1 pour estimer la vitesse sur 10 niveaux verticaux (hPa) : Surface, 1000, 950, 925, 900, 850, 800, 700, 600, 500 (Xiao et al. 2008).

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# Résultats assimilation ENS-3DVAR DOM1 le 18 18Z

10m wind speed (ECMWF 18 18Z) (m/s)

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Spinup runs (18 12Z-18 18Z)

50 membres : gain par rapport à l'analyse
ECMWF 18 18Z

10m wind speed (WRF 50-ENSEMBLE MEAN 18 18Z) (m/s)

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# Résultats assimilation ENS-3DVAR DOM1 le 18 18Z

<figure><img src="image_54.png" /><figcaption>10m wind speed (WRF 50-ENSEMBLE MEAN 18 18Z) (m/s)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_55.png" /><figcaption>ENS-3DVAR
(parametric vortex +
OBS GTS)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_56.png" /><figcaption>10m wind speed (ENS-3DVAR output 18 18Z) (m/s)</figcaption></figure>

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<figure><img src="image_58.png" /></figure>

Init. 18 18Z : AROME IAU VS WRF ENS-3DVAR

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<figure><img src="image_60.png" /><figcaption>10m wind speed (ENS-3DVAR output 18 18Z) (m/s)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_61.png" /><figcaption></figcaption></figure>
<figure><img src="image_62.png" /></figure>

Tracking automatisé du centre du vortex à partir de
la réflectivité radar 5 min (18 18Z – 19 18Z)

Tracking Maria : 18/09/2017 à 18:00 | iter:1

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<figure><img src="image_64.png" /></figure>
<figure><img src="image_65.png" /><figcaption>Tracks : 15min-Radar_Refl, 15min-WRF0,8km_Pmin, 3h-AROME1,3km_Pmin, 6h-Btrack (1818Z-1918Z)</figcaption></figure>

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<figure><img src="image_67.png" /></figure>
<figure><img src="image_68.png" /><figcaption>WRF0,8km
18 18Z - 19 18Z
(15min) :
SPD10 et Refl</figcaption></figure>

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RAIN 24h (18
18Z-19 18Z) :
AROME1,3km
vs WRF0,8km

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Précipitations accumulées : WRF0,3km vs AROME1,3km

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Cartes Cumuls pluie 24h : AROME1,3km vs WRF0,3km

24h accumulated rain AROME1.3km (mm)

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24h accumulated rain WRF0.3km (mm)

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Vents max 10m stations : WRF0,3km vs AROME1,3km

<figure><img src="image_84.png" /><figcaption>WRF0.3km topography</figcaption></figure>

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Cartes vents max : AROME1,3km vs WRF0,3km

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# Vents max WRF0,3km : agglomération pointoise

(Petit-Bourg, Baie-Mahault, Pointe-à-Pitre, Les Abymes, Le Gosier)

<caption>Max 1s wind speed WRF0.3km</caption>

(km/h)

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Conclusions

* Bonne performance de la méthode d'initialisation ENS-3DVAR avec vortex paramétrique : position et intensité de l'ouragan Maria.

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Conclusions

* Bonne performance de la méthode d'initialisation ENS-3DVAR avec vortex paramétrique : position et intensité de l'ouragan Maria.

* **Trajectoire** : AROME et WRF assez similaires après le passage de la Dominique avec un biais nord par rapport au radar. WRF semble mieux représenter l'arrivée et le passage sur la Dominique (AROME : pas de déstabilisation).

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Conclusions

* Bonne performance de la méthode d'initialisation ENS-3DVAR avec vortex paramétrique : position et intensité de l'ouragan Maria.

* **Trajectoire** : AROME et WRF assez similaires après le passage de la Dominique avec un biais nord par rapport au radar. WRF semble mieux représenter l'arrivée et le passage sur la Dominique (AROME : pas de déstabilisation).

* **Intensification 18 18Z – 19 00Z (cat3-5)** : Bonne performance des deux modèles sur le vent et biais important sur la Pmin (mauvaise représentation de la dynamique et des flux dans l'œil ?).

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Conclusions

* Bonne performance de la méthode d'initialisation ENS-3DVAR avec vortex paramétrique : position et intensité de l'ouragan Maria.

* **Trajectoire** : AROME et WRF assez similaires après le passage de la Dominique avec un biais nord par rapport au radar. WRF semble mieux représenter l'arrivée et le passage sur la Dominique (AROME : pas de déstabilisation).

* **Intensification 18 18Z – 19 00Z (cat3-5)** : Bonne performance des deux modèles sur le vent et biais important sur la Pmin (mauvaise représentation de la dynamique et des flux dans l'œil ?).

* **Impacts pluie 24h** : AROME suretime globalement les cumuls observés (+150mm VOL). WRF plus performant mais sous-estimation à RZT entre 12Z et 18Z (-75mm).

* **Impacts vents max** : Surestimations importantes pour AROME. Bonne performance WRF0,3km avec des sous-estimations raisonnables compte-tenu du schéma de turbulence utilisé.

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# Perspectives

* **Rafales :** passage au 3D-TKE LES dans WRF0,3KM pour améliorer la représentation des vents max.

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# Perspectives

* **Rafales** : passage au 3D-TKE LES dans WRF0,3KM pour améliorer la représentation des vents max.

* **Trajectoire** : au Sud de la Dominique quand TC plus puissant → Initialiser le 18 18Z le TC en cat 4 et non en cat 3.

Cette idée s'appuie sur les incertitudes de mesures dans la zone d'intensification rapide (ces incertitudes Btrack questionnées d'ailleurs par l'éditeur du draft Krien et al. 2018) :

**Btrack cat3 (57m/s 956mb) à 18Z** basée sur le relevé Aircraft du **18 1630Z** or

**ATCF indique avec un bon indice de confiance** : une estimation AMSU **cat4 (65m/s 937mb) du 18 1900Z.**

**Pourquoi ne pas utiliser cette valeur pour calculer notre vortex paramétrique à 18Z ?**

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# Perspectives

* Application de la méthodologie au cas Irma dans les Îles du Nord (premiers résultats sans ENS-3DVAR ni LES publiés dans Duvat et al. 2018 et soumis dans Pillet et al. 2018).

Irma beaucoup plus stable en trajectoire et intensité à -12h avant impact (pas d'intensification, pas de relief dans la zone, RMW classique 28km (Maria = 19km puis 9km)).

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## Bons résultats sans ENS-3DVAR ou Bogussing

Maximum 10m wind speed

(km/h)

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St Barthélémy

Maximum 10m wind speed

(km/h)

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St Martin

Trouver ou produire une carte d'occupation des sols pour les Îles du Nord >50m de résolution !

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# Perspectives

* **Submersion marine : champs de vent et Pmer**
  WRF2,5km Maria à 15 min utilisés pour forcer le modèle SCHISM-WWM. **Premiers résultats sans ENS-3DVAR :**

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# Perspectives

* **Submersion marine : champs de vent et Pmer**
  WRF2,5km Maria à 15 min utilisés pour forcer le modèle SCHISM-WWM. **Premiers résultats sans ENS-3DVAR :**

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Résultats d'y hier avec
ENS-3DVAR : bouée
42060 (Montserrat)

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# Perspectives

* **Impacts inondation** : apport des résultats de surface runoff dans l'analyse des zones inondées (origine pluviale/marine).

Runoff WRF0,3km : agglomération pointoise (Petit-Bourg, Baie-Mahault, Pointe-à-Pitre, Les Abymes, Le Gosier)

24h accumulated runoff WRF0.3km

(mm)

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* **Analyse de l'intensification brutale (1700Z-1900Z, 1800Z-1900Z)** : WRF avec moving grids DOM2 et DOM3 (article en cours de rédaction avec Mark R Jury et Sen Chiao).

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