Sensibilité climatique au cycle de l'eau de l'atmosphère tropicale : définition de nouvelles métriques à l'aide d'une constellation de satellites dédiés au cycle de l'eau

par Erik HöJgåRd-Olsen

Projet de thèse en Océan, atmosphère, climat et observations spatiales

Sous la direction de Hélène Brogniez.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris) , en partenariat avec LATMOS - Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (laboratoire) , SPACE (equipe de recherche) et de Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement de préparation de la thèse) depuis le 30-09-2017 .


  • Résumé

    Le Programme Mondial de Recherche sur le Climat (WCRP) a récemment mis en avant le besoin d'améliorer la compréhension des processus liant les nuages, la circulation de l'eau atmosphérique et le climat : réduire les incertitudes sur ces processus est un enjeu primordial pour pouvoir anticiper les évolutions du climat qui se basent sur des modèles numériques (Bony et al, 2015). Si l'on considère les processus en jeu, il est important de savoir que les interactions entre vapeur d'eau, nuages, précipitations, et rayonnement (solaire et infrarouge) dans la troposphère tropicale sont particulièrement complexes. Elles s'expriment aux petites (microphysique) et moyennes (dizaines de kms) échelles spatiales et temporelles sous influence de la circulation atmosphérique à grande échelle, qu'elles influencent en retour. Ainsi la formation des nuages, leur déploiement vertical ainsi que leur cycle de vie résultent de processus entremêlés mettant en jeu la thermodynamique de l'atmosphère (claire et nuageuse), les échanges radiatifs (solaire et infrarouge thermique) et la dynamique atmosphérique, depuis la turbulence de petite échelle jusqu'aux cellules de circulation de grande échelle. Ces interactions sont cependant difficiles à appréhender, et la description des processus diffère d'un modèle de climat à l'autre. Or l'analyse de la sensibilité du climat, c'est-à-dire son ajustement en réponse à des forçages radiatifs, comme les perturbations anthropiques des concentrations en gaz à effet de serre, passe par une utilisation intense de modèles numériques du climat. De la même façon, les mécanismes de rétroactions entre les différents processus sont principalement analysés via ce type de modèles. Actuellement ces modèles ne convergent pas vers un comportement unique et proposent au contraire une gamme large de projections (GIEC, 2013) ce qui aboutit à des prévisions d'évolution du climat de la Terre incertaines variant significativement d'un modèle de climat à l'autre pour un même scénario socio-économique. De plus, ces estimations de sensibilité climatiques reposent notamment sur des dérivées partielles de paramètres qui ne peuvent être rigoureusement traduites dans les observations. Par ailleurs les nombreuses rétroactions sont loin d'être indépendantes les unes des autres et leurs intensités sont entremêlées (Stephens, 2005 ; Klein & Hall, 2015). Ainsi, certaines des questions soulevées par le WCRP et qui traitent des relations circulation/nuages/climat nécessitent d'exploiter les observations satellites et de tirer parti de la synergie des instruments actuellement disponibles et de leurs longues séries d'observations. Dans le cadre de ce sujet de thèse, nous proposons de coupler de manière exhaustive les observations d'une constellation de satellites dédiés au cycle de l'eau dans l'atmosphère : on exploitera plus précisément les observations passives de Megha-Tropiques et les mesures actives issues du duo lidar/radar CALIPSO/CloudSat de l'A-Train. Cette synergie permettra de développer des métriques observationnelles pertinentes pour la caractérisation des rétroactions nuages/vapeur d'eau. Le travail de thèse proposé pourra se dérouler autour de 2 axes: 1) Evaluation de deux hypothèses émises dans la littérature liant la nébulosité élevée et humidité : • rôle de la convection profonde: les nuages de convection profonde sont souvent associés à des nuages d'enclumes épais optiquement avec un albédo élevé qui viendraient modérer un réchauffement de la surface, ainsi qu'à des cirrus fins de haute altitude (pas forcément reliés à la convection) qui moduleraient le rayonnement infrarouge thermique émis vers l'espace et ainsi renforçant le réchauffement initial (Sherwood & Wharlich, 1999 ; Stephens, 2005) • relation nébulosité élevée/rétroaction de la vapeur d'eau : cette relation est issue d'analyses de la haute troposphère tropicale et de l'évolution des systèmes convectifs profonds (Raval & Ramanathan, 1989). Le développement de cristaux de glace au sommet de ces nuages apparaît renforcé dans les zones où la température de surface de la mer est élevée (> 300K) et cette rétroaction semblerait être plus intense que la rétroaction de Clausius-Clapeyron seule. 2) Définition de diagnostiques de rétroactions entre les différentes observables (nuages/vapeur d'eau/précipitation/rayonnement) et étude de la déformation observée de ces processus sous l'influence d'une perturbation interannuelle naturelle importante du climat de la Terre : l'El Nino 2015/16 et La Nina en 2017, deux phénomènes qui se déroulent à l'échelle globale et qui sont bien documentés par le satellite Megha-Tropiques et les satellites de l'A-Train. On pourra également comparer ces observations avec la description de ces processus et de leur déformation interannuelle dans les modèles de climat à partir des simulations climatique (CMIP5) grâce au simulateur lidar/radar (COSP) développé au LMD. Ce projet de thèse internationale, touchant à la physique de l'atmosphère, est multidisciplinaire. En effet il implique : (i) la manipulation conjointe d'observations actives (LMD) et passives (LATMOS) donnant une vue verticale et horizontale de l'atmosphère, (ii) la mise en œuvre d'analyses statistiques multivariées pour la description des différents modes de variabilités et (iii) la physique et la thermodynamique de l'atmosphère pour l'interprétation des relations & rétroactions vapeur d'eau/nuages/dynamique. Cette thèse sera développée dans le cadre d'une collaboration étroite de deux laboratoires, LATMOS (UVSQ) & LMD (Ecole Polytechnique), de l'Université Paris-Saclay aux expertises complémentaires touchant à l'atmosphère terrestre, à son observation et l'analyse des phénomènes qui s'y déroulent.

  • Titre traduit

    Climate sensitivity to the atmospheric water cycle in the tropics: towards the definition of new metrics using a constellation of space-borne observations


  • Résumé

    The World Climate Research Program (WCRP) recently highlighted the need to improve the understanding of processes linking clouds, circulation of atmospheric water and climate: reducing uncertainties in these processes is a key issue to anticipate the climate changes that are based on numerical models (Bony et al., 2015). Considering the processes involved, it is important to know that interactions between water vapor, clouds, precipitation, and radiation (shortwave and infrared) in the tropical troposphere are particularly complex. They are expressed in small (microphysics) and medium (tens of kms) spatial and temporal scales under the influence of the large-scale atmospheric circulation, which they influence in return. Cloud formation, vertical deployment and life cycle are the result of mixed processes involving the thermodynamics of the atmosphere (clear and cloudy), radiative exchanges (solar and thermal infrared) and atmospheric dynamics, from small-scale turbulence to large-scale circulation cells. These interactions are difficult to understand, and the description of processes differs from one climate model to another. However, the analysis of climate sensitivity, ie its adjustment in response to radiative forcing, such as anthropogenic disturbances of greenhouse gas concentrations, requires intense use of numerical models of climate. In the same way, the feedback mechanisms between the different processes are mainly analyzed via this type of model. Unfortunately, at the moment these models do not converge towards a single behavior and propose a wide range of projections (IPCC, 2013). This leads to predictions of uncertain climate changes varying significantly from a climate model to another one for the same socio-economic scenario. Moreover, these climate sensitivity estimates are generally based on partial derivatives of parameters which can not be rigorously translated into the observations, and the feedbacks are far from being independent of one another and their intensities are intermingled (Stephens, 2005; Klein & Hall, 2015). Thus some of the issues raised by WCRP and that deal with circulation / cloud / climate relations require analysing jointly observations collected by different satellites during several years. The PhD work will consist of analyzing Megha-Tropiques observations as well as the active measurements of the CALIPSO/CloudSat pair from the A-Train constellation to progress on our understanding of these intertwinded relationships.