Interaction entre convection nuageuse et circulation de grande échelle dans les tropiques

par Boutheina Oueslati

Thèse de doctorat en Physique de l'atmosphère et de l'océan

Sous la direction de Gilles Bellon et de Hervé Douville.

Soutenue en 2012

à Toulouse 3 .

mots clés

• Convection tropicale
• Double ITCZ
• Rétroactions couplées
• Dynamique atmosphérique
• Entraînement latéral convectif
• Aquaplanète
• Multi-modèle
• Nuages de convection -- Régions tropicales
• Circulation atmosphérique -- Régions tropicales
• Thermodynamique de l'atmosphère
• Convection (météorologie)

Résumé

Le syndrome de double zone de convergence intertropicale (ITCZ) est un biais systématique dont souffrent la majorité des modèles de circulation générale (GCM). Les causes de ce comportement problématique ne sont toujours pas élucidées. Le but de la thèse est d'apporter des éléments de réponses à ce sujet et de suggérer des pistes d'amélioration des GCMs. Le travail de thèse a mis en évidence l'importance des rétroactions couplées océan-atmosphère et dynamique-thermodynamique dans la structure de l'ITCZ. Dans un premier temps, les mécanismes à l'origine de l'émergence de régimes de précipitations distincts en réponse à différents forçages en température de surface de la mer (SST) ont été analysés, dans les GCMs atmosphériques ARPEGE-Climat et LMDz, en configuration aquaplanète. La transition du régime double à deux ITCZ vers le régime simple à une seule ITCZ a été plus particulièrement analysée. Dans les deux modèles, cette transition est forcée par la convergence des vents de basses couches associée aux changements de gradients méridiens de température de couche limite. Les rétroactions sèches et humides modulent la transition en favorisant ou en s'opposant au forçage par les SST. Les rétroactions dynamiques sèches sont associées l'advection horizontale d'air froid subtropical. Les rétroactions humides, présentes uniquement dans LMDz, sont associées à la convection et incluent le refroidissement stratosphérique et celui de la couche limite dû aux courants convectifs descendants. Les processus humides sont déterminants pour la structure de l'ITCZ par leur influence sur le profil vertical de chauffage diabatique et sur les rétroactions convection-humidité, deux grandeurs très sensibles au schéma de convection et, en particulier, à l'entraînement latéral convectif. Une analyse de l'influence de l'entraînement latéral convectif sur l'ITCZ est effectuée en utilisant le GCM CNRM-CM5 dans une hiérarchie de modèles (couplé océan-atmosphère, atmosphérique et aquaplanète) et montre que la sensibilité de l'ITCZ à ce paramètre est robuste dans les différentes configurations. L'augmentation de l'entraînement convectif réduit considérablement la double ITCZ. Ce changement de structure de l'ITCZ est associé à un changement de la circulation tropicale résultant de rétroactions entre convection et dynamique de grande échelle. En plus de la dynamique verticale, la SST et les rétroactions couplées sont déterminantes pour la structure de l'ITCZ. Les études de sensibilité à l'entraînement latéral convectif montrent que les rétroactions couplées amplifient le biais de double ITCZ. L'analyse multi-modèle des GCMs CMIP5 montre que les processus thermodynamiques associés à la SST sont en grande partie responsables du problème de double ITCZ dans les simulations couplées.

Titre traduit

Interaction between cumulus convection and large-scale circulation in the tropics

Résumé

The spurious double intertropical convergence zone (ITCZ) is a systematic bias affecting state-of-the-art coupled general circulation models (GCM); there is still no consensus on its causes. The goal of this thesis is to shed some light on this outstanding problem toward the improvement of climate model performances. This work emphasizes the roles of coupled ocean-atmosphere and dynamics-thermodynamics feedbacks in the ITCZ structure. The first step was to study the response of the atmospheric GCMs ARPEGE-climat and LMDz in aquaplanet configuration, to a range of SST latitudinal distributions. The purpose was to investigate the existence of multiple precipitation regimes, explore their characteristics and untangle the mechanisms at play in regime transition. The transition from the double regime with two ITCZs to the single regime with only one ITCZ at the equator was analyzed. In both models, the transition between these regimes is mainly driven by changes in the low-level convergence that are forced by the atmospheric boundary layer temperature gradients. Model-dependent, dry and moist feedbacks intervene to reinforce or weaken the effect of the temperature forcing. Dry dynamical feedbacks are mainly driven by horizontal advection of cold subtropical air. Moist thermodynamics which are only active in LMDz; they act as negative feedbacks on low-level convergence and are associated with cooling in the stratospheric cold top and in the boundary layer by convective downdrafts. Moist processes play a crucial role in the ITCZ structure through their influence on the vertical profile of convective heating and modulation of moisture-convection feedbacks, two variables that are very sensitive to the convection scheme and, in particular, to lateral convective entrainment. The influence of lateral convective entrainment on the ITCZ structure is analyzed through a hierarchy of model configurations (coupled ocean-atmosphere, atmospheric and aquaplanet) using the CNRM-CM5 GCM. The sensitivity of the ITCZ structure to this parameter is robust across our hierarchy of models. In response to an increased entrainment rate, the realistic simulations exhibit a weakening of the southern side of the double ITCZ over the southeastern Pacific. The change in ITCZ configuration is associated with a more realistic representation of the tropical circulation driven by feedbacks between large-scale dynamics and deep convection. Together with vertical dynamics, SST and associated coupled feedbacks drive the ITCZ location. Sensitivity experiments to lateral entrainment show that ocean-atmosphere feedbacks amplify the double ITCZ bias. A multi-model analysis using CMIP5 GCMs show that the double ITCZ bias has become small in atmosphere-only simulations, and that coupled atmosphere-ocean feedbacks account for a large part of this bias in coupled simulations.