Convection dans une bande transporteuse d'air chaud : caractérisation et impacts sur la dynamique d'altitude

Convection in a warm conveyor belt : characterisation and impacts on altitude dynamics

• Auteur / Autrice : Nicolas Blanchard
• Direction : Jean-Pierre Chaboureau, Florian Pantillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Aérologie (Toulouse ; 1983-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cyclones

Circulation atmosphérique

Temps (météorologie) -- Prévision numérique

Mots clés libres

Dépression

Tempête

Processus diabatiques

Ascendances

Tourbillon potentiel

Modélisation

Méso-NH

Trajectoires

Courant-jet

NAWDEX

Extratropical cyclone

Windstorm

Diabatic processes

Ascents

Potential vorticity

Modelling

Meso-NH

Trajectories

Jet stream

NAWDEX

Résumé

Les bandes transporteuses d'air chaud (WCB) sont des courants d'air ascendants dans les tempêtes des moyennes latitudes. Elles transportent l'air chaud et humide des tropiques aux hautes latitudes et sont le lieu de la plupart des processus diabatiques nuageux. Ceux-ci modifient la dynamique d'altitude en injectant des anomalies négatives de tourbillon potentiel (PV) dans le flux de sortie des WCB qui renforcent le guide d'onde régissant la circulation générale. Leur représentation est une source d'erreurs de prévision en aval, en particulier en Europe. Alors que les WCB sont généralement considérées comme des ascendances obliques lentes et continues, des études récentes ont révélé l'existence d'ascendances convectives rapides dans les WCB dont l'impact sur la dynamique d'altitude est encore débattu. La réduction des incertitudes de prévision a motivé la campagne de mesure NAWDEX en Atlantique nord en automne 2016. Au cours de la campagne, la région d'ascendance et le flux de sortie de la WCB de la tempête Stalactite ont été observées par un radar Doppler aéroporté et des dropsondes. Ces observations sont reproduites par une simulation à convection explicite réalisée avec le modèle Méso-NH grâce à laquelle une analyse inédite combinant approches eulériennes et lagrangiennes a permis de caractériser la complexité des ascendances dans la WCB. La région d'ascendance de la WCB est d'abord étudiée. Trois types d'ascendances convectives sont trouvés et se produisent de manière cohérente et organisée plutôt que sous forme de cellules isolées. Deux sont causés par la convection peu profonde liée à la dynamique du front froid et à celle d'un jet de basse couche. Le troisième est due à la convection à mi-niveau située sur le bord ouest de la WCB entre le jet de basse couche et le courant-jet d'altitude. C'est cette dernière qui alimente la branche anticyclonique de la WCB. Le flux de sortie de la WCB et son alimentation par la convection à mi-niveau sont ensuite étudiés. Une simulation supplémentaire est réalisée pour laquelle les échanges de chaleur issus des processus nuageux sont coupés afin de mettre en avant leur impact sur la dynamique d'altitude. La simulation de référence montre que la convection à mi-niveau crée diabatiquement des dipôles horizontaux de PV dont le pôle orienté en direction du courant-jet atteint des valeurs négatives. Ces dipôles de PV sont ensuite advectés par la dynamique de grande échelle et persistent dans le temps. Des bandes allongées de PV négatif se retrouvent ainsi dans le flux de sortie de la WCB dix heures après. La comparaison des deux simulations montre que ces bandes de PV négatif renforcent le gradient horizontal de PV à la tropopause, accélérant localement le courant-jet. Les résultats de la thèse montrent la complexité de la convection que l'on peut trouver dans une WCB. Ils suggèrent que la convection à mi-niveau impacte la dynamique d'altitude et que sa mauvaise représentation dans les modèles de grande échelle pourrait expliquer en partie les erreurs de prévision en aval.

Warm air conveyor belts (WCB) are ascending air streams in mid-latitude storms. They transport warm and moist air from the tropics to the high latitudes and are the site of most cloud diabatic processes. These processes modify the upper-level dynamics by injecting negative potential vortex (PV) anomalies into the WCB outflow, which reinforce the waveguide governing the general circulation. Their representation is a source of forecast errors downstream, especially over Europe. While WCBs are predominantly considered as slow continuous slantwise ascents, recent studies have revealed the existence of fast convective ascents in WCBs whose impact on upper-level dynamics is still debated. The reduction of forecast uncertainties motivated the NAWDEX field campaign over the North Atlantic in autumn 2016. During the campaign, the ascent region and the outflow of the WCB of the Stalactite cyclone were observed by an airborne Doppler radar and dropsondes. These observations are reproduced by a convection-permitting simulation carried out with the Meso-NH model, thanks to which a novel analysis combining Eulerian and Lagrangian approaches made it possible to characterize the complexity of the ascents in the WCB. The WCB ascent region is first studied. Three types of convective ascents are found and occur in a coherent and organized manner rather than as isolated cells. Two are caused by shallow convection related to the dynamics of the cold front and that of a low level jet. The third is due to mid-level convection, located on the western edge of the WCB between the low-level jet and the upper jet stream. It is the latter that feeds the anticyclonic branch of the WCB. The outflow of the WCB and its mid-level convection feed are then studied. An additional simulation is carried out for which the heat exchanges resulting from the cloud processes are cut off in order to highlight their impact on the upper-level dynamics. The reference simulation shows that the mid-level convection diabatically creates horizontal PV dipoles whose pole oriented towards the jet stream reaches negative values. These PV dipoles are then advected by the large-scale dynamics and persist over time. Thus, elongated bands of negative PV are found in the WCB outflow ten hours later. Comparing the two simulations shows that these negative PV bands reinforce the horizontal PV gradient at the tropopause, locally accelerating the jet stream. The results of the thesis show the complexity of convection that can be found in a WCB. They suggest that mid-level convection impacts the altitude dynamics and that its misrepresentation in large-scale models could explain in part the forecast errors downstream.