Processus de la couche limite Arctique et impact sur le bilan d'énergie en surface

Boundary layer processes impacting the surface energy balance in the Arctic

• Auteur / Autrice : Julia Maillard
• Direction : François Ravetta, Jean-Christophe Raut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'atmosphère
• Date : Soutenance le 07/07/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Solène Turquety
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Javier Fochesatto, Elsa Dieudonné, Etienne Vignon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Timo Vihma, Julia Schmale

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arctique -- Climat

Couche limite (météorologie)

Physique de l'atmosphère

Modèles mathématiques

Température atmosphérique

Arctique

Nuages

Mots clés libres

Arctique

Couche limite

Nuages

Inversions de température

Modélisation

Observations

Arctic

Boundary-layer

Clouds

Résumé

L'Arctique se réchauffe deux à trois fois plus vite que le reste de la Terre, et c'est donc une zone d'étude cruciale des sciences de l'atmosphère. Cette thèse a pour but d'étudier deux caractéristiques de la couche limite de l'Arctique (les nuages et les inversions de température en surface) et de déterminer leur impact sur le bilan d'énergie de surface en combinant observations et modélisation. Tout d'abord, une nouvelle statistique des caractéristiques nuageuses au-dessus de la banquise a été dérivée d'un ensemble de 1777 profils lidar obtenus au cours de la campagne Ice, Atmosphere, Ocean Observation Systems (IAOOS). Lors de cette campagne, les nuages étaient présents plus de 85% du temps de mai à octobre et l'épaisseur (optique et géométrique) des couches de nuages individuelles était maximale en octobre. Le forçage radiatif total des nuages en été a été était négatif pour les nuages optiquement minces, mais positif pour les nuages optiquement épais. Deuxièmement, l'impact des vitesses de vent sur le développement des inversions de température en surface en Arctique continental a été étudié. L'analyse des mesures de la campagne pré-ALPACA, qui a eu lieu à Fairbanks, Alaska, en hiver 2019, a montré qu'une circulation locale se renforce en conditions anticycloniques. Cet écoulement inhibe le développement de fortes inversions de température en alimentant la turbulence, même lorsque le refroidissement radiatif est très fort. La modélisation des inversions de température en conditions de ciel clair en lien avec la vitesse du vent a ensuite été étudiée, plus particulièrement en zones de couvert forestier. Un modèle analytique à deux couches de la couche de surface végétalisée a été développé. Ce modèle prévoit une diminution plus lente du gradient de température en fonction de la vitesse du vent par rapport à un modèle à une seul couche, et il est cohérent avec les observations menées à un site du réseau Ameriflux près de Fairbanks. En revanche, deux schémas de couche de surface de WRF se sont avérés imposer des limites excessives à la turbulence.

The Arctic is warming at two to three times as fast as the rest of the Earth, and it is therefore a crucial area of study for atmospheric scientists. This thesis aimed to gain insight on two characteristics of the Arctic boundary-layer (clouds and surface based temperature inversions) and to determine their impact on the surface energy balance through a combination of novel measurements and modelling. First, a novel statistic of cloud frequency and characteristics over the Arctic sea-ice was derived from a set of 1777 lidar profiles obtained during the 5-year Ice, Atmosphere, Ocean Observation Systems (IAOOS) campaign. Clouds were found to occur more than 85% of the time from May to October and single cloud layers were optically and geometrically thickest in October. Total cloud radiative forcing over a typical summer cycle was estimated to be negative for optically thin clouds, but positive for optically thick clouds. Second, the impact of wind speeds on the development of surface-based temperature inversions (SBIs) in the continental Arctic was investigated. The analysis of measurements from the pre-ALPACA winter 2019 campaign that took place in Fairbanks, Alaska, showed that a local, likely topographically driven flow developed under anticyclonic conditions. This flow inhibited the development of strong SBIs by sustaining significant turbulence even under very strong radiative cooling. The modelling of clear-sky surface layer temperature inversions and their dependence on wind speed was then studied, with a focus on forest areas. A 2-layer analytical model of the vegetated surface layer was developed. This model exhibited a slower decrease of the SBI strength with wind speed compared to a 1-layer model, which was shown to be coherent with observations at an Ameriflux site close to Fairbanks. These models were then compared to two WRF surface layer schemes, which were found to place excessive limits on the turbulence, preventing the development of large temperature gradients.