Les précipitations au dessus de la calotte Antarctique : une approche conjointe observations et modélisation

Precipitation above the Antarctic ice sheet : a combined approach of observations and modeling

• Auteur / Autrice : Marie-Laure Roussel
• Direction : Christophe Genthon, Jean-Louis Dufresne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 01/09/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau, Essonne ; 1968-....) - Laboratoire de Météorologie Dynamique (UMR 8539) / LMD
• Jury : Président / Présidente : Francis Codron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Genthon, Jean-Louis Dufresne, Julien Delanoë, Yann Seity, Irina Gorodetskaya
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francis Codron, Julien Delanoë

Mots clés

Mots clés contrôlés

Précipitations (météorologie) -- Mesure

Glaciers -- Antarctique

Météorologie maritime

Mots clés libres

Antarctique

Atmosphère

Précipitations

Observation

Télédétection

Modélisation

Antarctic

Atmosphere

Precipitation

Observation

Remote sensing

Modeling

Résumé

La calotte Antarctique, dont le bilan de masse de surface est principalement alimenté par les précipitations, stocke plus de 30 millions de km3 de glace (l’équivalent d’environ 60 mètres de niveau des mers). Toute perturbation de celle-ci a donc un impact direct sur le niveau global des mers. Malheureusement les processus à l'origine des précipitations sont extrêmement difficiles à observer du fait des conditions météorologiques complexes de l'environnement antarctique, et ainsi très peu connus. En croisant les données issues de différents instruments - radar embarqué sur satellite, mesures in-situ et télédétection depuis la surface ainsi que les modèles météorologiques et de climat - l'objectif est d'obtenir la meilleure synthèse possible, de représenter le plus fidèlement et précisément les précipitations dans leur environnement (comprenant la dimension verticale) et la meilleure capacité à prévoir leur évolution. Une première étude climatologique globale ainsi que régionale des précipitations cumulées en surface a été réalisée. Une évaluation des récentes avancées en modélisation (CMIP et ERA5) par rapport à l'unique jeu de données issues d’observations satellitales (CloudSat) pendant 4 années consécutives à l’échelle du continent a permis de mettre en avant la complexité et les nombreux désaccords dans la représentation des précipitations au pôle Sud. Il y a moins de valeurs aberrantes dans les quantités de précipitations simulées mais aucune amélioration notable du biais positif des modèles (surestimation des taux moyens de précipitations aux échelles continentale et régionale, toute l'année, indépendamment de la saison). Puis une analyse événementielle locale des précipitations a été poursuivie dans le cadre de la campagne YOPP, permettant d'étudier à la fois la surface et la verticale pendant une saison d'été austral complète. La divergence entre les modèles et réanalyses atmosphériques ainsi qu'avec les observations concernant les quantités de précipitations est notable. Un biais positif doit être pris en compte lors de l'utilisation des données de modélisation, tant sur l'intensité que la fréquence d'occurrence des événements de précipitation. L'analyse des données locales d'observation de Dumont d'Urville qui acquises pendant plusieurs années consécutives permettent de mettre la campagne YOPP dans un contexte pluriannuel. D'autre part l'étude des réanalyses ERA5 ainsi que des observations satellitales CloudSat sur la verticale complète et nous permet partiellement d'extrapoler l'analyse locale au continent Antarctique. En parallèle, l'exploitation de rapports météorologiques à différentes stations et des réanalyses ERA5 concernant la phase des précipitations a mené à la réalisation d'une analyse à l'échelle climatologique de l'occurrence des précipitations liquides en Antarctique. Ces événements pluvieux se manifestent généralement lors de l'apparition d'une intrusion maritime chaude et humide associée à un blocage anticyclonique. Malgré les différences concernant les quantités de précipitations liquides prédites, les simulations réalisées avec de nombreux modèles (CMIP6) et dans plusieurs scénarios futurs suggèrent que le réchauffement global futur de l'Antarctique s'accompagnera d'épisodes pluvieux plus fréquents et plus intenses.

The Antarctic ice sheet, whose surface mass balance is primarily driven by precipitation, stores over 30 million cubic kilometers of ice (equivalent to about 60 meters of global sea level rise). Any disturbance to this ice sheet has a direct impact on the global sea level. Unfortunately, the processes responsible for precipitation are extremely challenging to observe due to the complex weather conditions in the Antarctic environment, and thus, they are not well understood. By combining data from various instruments - satellite-borne radar, in-situ measurements, surface remote sensing, as well as weather and climate models - the objective is to obtain the best possible synthesis, accurately representing precipitation in its environment (including the vertical dimension) and improving the ability to forecast its evolution. A preliminary global and regional climatological study of cumulative surface precipitation has been conducted. An evaluation of recent modeling advancements (CMIP and ERA5) compared to the single dataset derived from satellite observations (CloudSat) over four consecutive years at the continental scale has highlighted the complexity and significant discrepancies in representing precipitation at the South Pole. There are fewer outliers in the simulated precipitation amounts, but there is no notable improvement in the positive bias of the models (overestimation of mean precipitation rates on both continental and regional scales, throughout the year, regardless of the season). Subsequently, a local event-based analysis of precipitation was pursued as part of the YOPP campaign, allowing for the study of both surface and vertical aspects during a complete austral summer season. The divergence between atmospheric models, reanalyses, and observations concerning precipitation amounts is noteworthy. A positive bias needs to be considered when using modeling data, affecting both the intensity and frequency of precipitation events. The analysis of local observational data from Dumont d'Urville, acquired over multiple consecutive years, provides a multi-year context for the YOPP campaign. Additionally, studying ERA5 reanalyses and CloudSat satellite observations throughout the vertical dimension partially enables extrapolation of the local analysis to the Antarctic continent. Concurrently, the utilization of meteorological reports from various stations and ERA5 reanalyses regarding the precipitation phase has led to a climatological-scale analysis of liquid precipitation occurrence in Antarctica. These rainy events typically occur during the arrival of a warm and moist maritime intrusion associated with anticyclonic blocking. Despite differences in predicted amounts of liquid precipitation, simulations conducted with numerous models (CMIP6) and under multiple future scenarios suggest that future global warming in Antarctica will be accompanied by more frequent and intense rainy episodes.