A simplified atmospheric boundary layer model for an improved representation of air-sea interactions in eddying oceanic models: implementation and first evaluation in NEMO (4.0)

• Published in: Geoscientific Model Development
• Main Authors: Lemarié, Florian, Samson, Guillaume, Redelsperger, Jean-Luc, Giordani, Hervé, Brivoal, Théo, Madec, Gurvan
• Other Authors: Mathematics and computing applied to oceanic and atmospheric flows (AIRSEA), Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Laboratoire Jean Kuntzmann (LJK), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA), Mercator Océan, Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer (IFREMER)-Service hydrographique et océanographique de la Marine-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France, Laboratoire d'Océanographie Physique et Spatiale (LOPS), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer (IFREMER)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre national de recherches météorologiques (CNRM), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Nucleus for European Modeling of the Ocean (NEMO R&D ), Laboratoire d'Océanographie et du Climat : Expérimentations et Approches Numériques (LOCEAN), Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)), École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)), Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), European Project: 821926,IMMERSE(2018)
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: HAL CCSD 2021
• Subjects: [SDU.OCEAN]Sciences of the Universe [physics]/Ocean; Atmosphere; [MATH.MATH-NA]Mathematics [math]/Numerical Analysis [math.NA]; Sea ice
• Online Access: https://inria.hal.science/hal-03055058; https://inria.hal.science/hal-03055058v2/document; https://inria.hal.science/hal-03055058v2/file/gmd-14-543-2021.pdf; https://doi.org/10.5194/gmd-14-543-2021

International audience A simplified model of the atmospheric boundary layer (ABL) of intermediate complexity between a bulk parameterization and a three-dimensional atmospheric model is developed and integrated to the Nucleus for European Modelling of the Ocean (NEMO) general circulation model. Anobjective in the derivation of such a simplified model, called ABL1d, is to reach an apt representation in ocean-only numerical simulations of some of the key processes associated with air–sea interactions at the characteristic scales of the oceanic mesoscale. In this paper we describe the formulation of the ABL1d model and the strategy to constrain this model with large-scale atmospheric data available from reanalysis or real-time forecasts. A particular emphasis is on the appropriate choice and calibration of a turbulent closure scheme for the atmospheric boundary layer. This is a key ingredient to properly represent the air–sea interaction processes of interest. We also provide a detailed description of the NEMO-ABL1d coupling infrastructure and its computational efficiency. The resulting simplified model is then tested for several boundary-layer regimes relevant to either ocean–atmosphere or sea-ice–atmosphere coupling. The coupled system is also tested with a realistic 0.25° resolution global configuration. The numerical results are evaluated using standard metrics from the literature to quantify the wind–sea-surface-temperature (a.k.a. thermal feedback effect), wind–current (a.k.a. current feedback effect), and ABL–sea-ice couplings. With respect to these metrics, our results show very good agreement with observations and fully coupled ocean-atmosphere models for a computational overhead of about 9 % in terms of elapsed time compared to standard uncoupled simulations. This moderate overhead, largely due to I/O operations, leaves room for further improvement to relax the assumption of horizontal homogeneity behind ABL1d and thus to further improve the realism of the coupling while keeping the flexibility of ...