Le rôle des nuages et des processus de surface sur la variabilité de la température à l'échelle locale : analyse d'observations multi-variables

The role of clouds and surface processes on local temperature variability : analysis of multi-variables observations

• Auteur / Autrice : Oscar Javier Rojas Muñoz
• Direction : Marjolaine Chiriaco
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, climat et observations spatiales
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Mallet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Lohou, Céline Cornet, Vincent Noël, Romain Roehrig
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Lohou, Céline Cornet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Température

Troposphère

Météorologie -- Observations

Couche limite (météorologie)

Nuages -- Physique

Mots clés libres

Nuages

Processus de surface

Température

Observations

Clouds

Surface processes

Temperature

Observations

Résumé

La dynamique de grande échelle domine au premier ordre les variations de température de surface et les conditions atmosphériques en Europe occidentale. Cependant, cette circulation des masses d'air à grande échelle n’explique pas à elle seule l’ensemble de la variabilité des températures et des précipitations. Au second ordre, cette variabilité dépend de processus de petite échelle via la couche limite atmosphérique et le bilan d’énergie à la surface (SEB), qui dépend lui-même en grande partie du rayonnement et donc des propriétés des nuages.L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les processus locaux et leur influence sur la variabilité climatique locale, avec une attention particulière sur le rôle des nuages .Pour cela, le premier objectif est de quantifier la contribution locale spécifique des principaux termes du SEB agissant sur les variations de température à court terme (i.e. horaire) en Ile de France, et de déterminer leur importance et les conditions dans lesquelles l’un ou l’autre de ces termes sera prépondérant. Les quatre termes agissant sur les variations de température sont le rayonnement (que l’on peut séparer en contribution du ciel clair et des nuages), l'échange de chaleur avec l’atmosphère, l'échange de chaleur avec le sol, et l'advection de température. Nous développons le modèle OTEM qui permet d’estimer ces termes en s’appuyant quasiment exclusivement sur des observations, grâce au jeu de données SIRTA-ReOBS. Nous montrons que la somme de ces quatre termes donne une bonne estimation des variations horaires de température. Le poids de chaque terme du SEB sur les variations horaires de température est analysé à l'aide de la méthode des forêts aléatoires, dont le principal avantage est sa capacité à traiter des milliers de variables d'entrée et identifier les plus significatives. Cette analyse a montré que quelle que soit la saison, les nuages sont le principal modulateur de l’effet du soleil sur les variations de température en une heure pendant la journée, et ils dominent complètement pendant la nuit.Le deuxième objectif est l’étude du rôle spécifique des nuages dans les variations de température. Pour cela, d'autres observations incluant des profils lidar ont été utilisés, exclusivement dans des conditions nuageuses. Plusieurs cas ont été créés à partir de l’effet radiatif des nuages pendant le jour et la nuit pour (i) mieux comprendre comment ils affectent l’état de l’atmosphère et donc des autres variables à la surface, et (ii) caractériser le type des nuages prédominants en fonction de leur effet radiatif.Finalement, nous étudions la variabilité spatio-temporelle des résultats obtenus précédemment : (1) variabilité spatiale en appliquant la même méthode au site de la Météopole à Toulouse pour comprendre comment les conditions spécificités locales affectent chacun des termes impliqués dans les variations de température de surface ; (2) variabilité en fonction des conditions de circulation de l’air à grande échelle en séparant nos résultats en fonction des régimes de temps nord-atlantique.

Large-scale dynamics dominate the surface temperature variations and atmospheric conditions in Western Europe to the first order. However, this large-scale air mass circulation alone does not explain all the temperature and precipitation variability. At the second order, this variability depends on small-scale processes via the atmospheric boundary layer and the surface energy balance (SEB), which itself depends largely on radiation and thus on cloud properties.The objective of this thesis is to better understand local processes and their influence on local climate variability, with a particular focus on the role of clouds.To do so, the first objective is to quantify the specific local contribution of the main SEB terms acting on short-term (i.e. hourly) temperature variations in Ile de France, and to determine their importance and the conditions under which one or the other of these terms will be preponderant. The four terms acting on the temperature variations are radiation (which can be separated into clear sky and cloud contribution), heat exchange with the atmosphere, heat exchange with the ground, and temperature advection. We develop the OTEM model that allows us to estimate these terms almost exclusively from observations, using the SIRTA-ReOBS dataset. We show that the sum of these four terms gives a good estimate of the hourly temperature variations. The weight of each term of the SEB on the hourly temperature variations is analyzed using the random forest method, whose main advantage is its ability to handle thousands of input variables and identify the most significant ones. This analysis showed that regardless of the season, clouds are the main modulator of the sun's effect on hourly temperature variations during the day, and they completely dominate during the night.The second objective is to study the specific role of clouds in temperature variations. For this purpose, other observations including lidar profiles have been used, exclusively under cloudy conditions. Several cases were created from the radiative effect of clouds during the day and night to (i) better understand how they affect the state of the atmosphere and thus other variables at the surface, and (ii) characterize the type of predominant clouds according to their radiative effect.Finally, we investigate the spatio-temporal variability of the previously obtained results: (1) spatial variability by applying the same method to the Meteopole site in Toulouse to understand how local specific conditions affect each of the terms involved in the surface temperature variations; (2) variability as a function of large-scale air circulation conditions by separating our results as a function of North Atlantic weather patterns.