ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES DE L`ENVIRONNEMENT D

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES DE L’ENVIRONNEMENT
D'ILEDEFranceN°129
Propositiondesujetdethèsepourlarentrée2016
Nom du Laboratoire d’accueil : LATMOS
N° UMR : 8190
Nom du Directeur du laboratoire : Philippe Keckhut
Adresse complète du laboratoire : LATMOS, Université de Versailles Saint-Quentin
11, boulevard d'Alembert, 78280 Guyancourt, France
Nom de l’Equipe d’accueil et adresse si différente de celle du laboratoire :
Equipe TROPO
LATMOS, Université Pierre et Marie Curie, Tour 45-46, 3e étage
4, Place Jussieu75272 Paris Cedex 5
Nom du Directeur de thèse HDR : Jacques Pelon
Téléphone : 01 44 27 37 79
Mail : [email protected]
Nom du co-encadrant non HDR : Jean-Christophe Raut
Téléphone : 01 44 27 84 45
Mail : [email protected]
• Titre de la thèse : Etude de la couche limite nuageuse et des interactions aérosolsnuages en Arctique
• Sujet proposé (2 pages maximum) :
Contexte :
L'Arctique est une région en pleine mutation; les conditions de forte stabilité thermique rencontrées dans le
passé pourraient ne plus être aussi fréquentes. La neige recouvrant la glace de mer et les interactions entre les
nuages et le rayonnement apparaissent à cet égard comme des composantes fondamentales du système
climatique de l'Arctique. Le transfert de chaleur entre la couche de glace et l’atmosphère est contrôlé par la
présence de la couche de neige. Son albédo élevé et son isolation thermique sont des facteurs critiques
régulant le bilan d'énergie à la surface et par conséquent la température de surface. En conditions stables, la
température de surface est inférieure à la température de la couche d'air qui la surmonte, et les modèles ont
tendance à sous-estimer la production de turbulence à proximité de la surface. Ceci conduit alors à un
couplage insuffisant entre la surface et les couches atmosphériques supérieures (et les couches océaniques
inférieures). Dans l'atmosphère, ces biais conduisent à limiter la formation nuageuse et à fausser les bilans
énergétiques à la surface. Les réanalyses et a fortiori les prévisions météorologiques issues des modèles sont
donc incertaines en zone arctique. La représentation de la turbulence et la paramétrisation des processus
physiques de fine échelle de couche limite sont donc des clefs déterminantes pour les études en Arctique. A
partir de paramétrisations des flux d'énergie et de matière assez simples, un travail significatif a été conduit
récemment par plusieurs équipes sur la détermination des coefficients de transfert afin de mieux représenter
la turbulence en conditions stables et neutres. Les propriétés structurelles de la surface ont également été
considérées comme un paramètre pour contraindre leur dépendance aux propriétés physiques réelles. Une
amélioration des prévisions est attendue de l'utilisation de ces coefficients pour représenter le transfert
vertical et le mélange dans la couche limite atmosphérique dans les modèles à plus grande échelle. Cela
implique aussi de mieux prendre en compte les changements de stabilité lorsque les propriétés de la surface
varient (formations des rides de pression, des fractures de glace, des mares de fonte), comme cela est le cas
pour l'océan.
D'autre part, par la modulation qu'ils exercent sur le rayonnement descendant aux courtes et grandes
longueurs d'ondes, les nuages apparaissent aussi comme un élément crucial du bilan d'énergie du système
océan-glace-atmosphère en Arctique. La modification de la couverture nuageuse fractionnée en été conduit à
des modifications significatives du rayonnement visible-proche IR, et sa diminution facilite le chauffage de
l'océan lorsque la glace de mer disparaît. Les flux de chaleur latente augmentant alors à la surface, plus de
nuages peuvent être formés, conduisant à réguler le système, plus ou moins rapidement suivant les forçages à
l’échelle locale et à grande échelle. Comme des campagnes de mesure l'ont montré par le passé (par exemple
SHEBA), de même que des observations satellitaires, l'occurrence des nuages en phase mixte est importante
en région arctique et l'impact de ces nuages sur le bilan radiatif de la surface est significatif. Leurs propriétés
dépendent directement de la température et des interactions avec les aérosols qui permettent la nucléation de
gouttelettes ou de cristaux de glace. Une meilleure compréhension des rétroactions entre les nuages, les
aérosols et les surfaces de glace est par conséquent cruciale pour analyser et prédire l'évolution du climat en
Arctique.
Dans le cadre du projet innovant IAOOS, un système d'observation intégré dans l'océan arctique permet de
collecter simultanément et en temps réel des informations relatives à l'état des couches supérieures de l'océan,
de la basse atmosphère et de la glace de mer arctique. Plusieurs bouées ont été déployées, et des observations
ont été réalisées pendant les périodes de tests en 2014 et au début de 2015. Un premier réseau mis en place
ensuite dans le Haut-Arctique va permettre d'obtenir des observations avec des variations saisonnières.
L'instrumentation implémentée sur les bouées comprend des profileurs de température dans la glace et la
neige, des capteurs météorologiques à 1 m au-dessus de la surface, un lidar à rétrodiffusion aérosols-nuages
et des mesures radiométriques. Elles sont complémentaires des informations disponibles par satellite sur la
structure et les propriétés de la glace de mer à plus grande échelle, ainsi que sur les nuages (CALIOP sur
CALIPSO, CloudSat, etc.). Les observations satellitaires de la glace de mer comprennent des mesures en
micro-ondes (AMSR-E, Cryosat) et dans le domaine spectral IR ou visible (MODIS, CALIPSO, AIRS). Des
informations supplémentaires sur le vent, le rayonnement, l'humidité pourront être apportées par des capteurs
dérivants implémentés dans le cadre d'autres projets, comme le projet européen Ice-ARC. De nouvelles
mesures sur les propriétés optiques et microphysiques des aérosols et des nuages seront également
disponibles à partir de mai 2016 grâce à une campagne aéroportée sur ULM impliquant radar et lidar dans le
cadre du projet PARCS (Pollution in the ARCtic System) dans lequel l'équipe proposante est impliquée.
Objectifs :
La thèse portera sur l’étude et la représentation des interactions atmosphère-glace-océan en région arctique,
ce qui permettra une meilleure compréhension du bilan d'énergie surface-atmosphère avec une attention toute
particulière à la contribution des processus de petite échelle. Elle devra également permettre de mieux
représenter les processus dynamiques (rayonnement, humidité,…) et physico-chimiques (interactions avec
les aérosols) conduisant à la formation nuageuse dans cette région.
Organisation des travaux de recherche :
1. Le travail de thèse portera d'abord sur l'exploitation des observations sur la couche limite nuageuse et les
propriétés de surface en Arctique, en particulier les nouvelles mesures rendues disponibles par le réseau
IAOOS, les observations satellitaires et les observations de la campagne PARCS-ULM. Ce travail permettra
de tester les paramétrisations déjà proposées et de choisir celles qui sont les mieux adaptées, voire de les
améliorer. Il s'agira notamment d'évaluer la sensibilité des flux de matière et d'énergie dans la couche
atmosphérique de surface en fonction des propriétés structurelles de la surface. L'étude des processus
physiques pilotant l'évolution de la couche limite en Arctique permettra également de mieux comprendre les
interactions entre les aérosols et les propriétés microphysiques des nuages.
2. Différents types de simulations seront ensuite réalisés aux différentes échelles des observations disponibles
en utilisant le modèle Polar-WRF (maille horizontale allant de quelques centaines de mètres à la dizaine de
kilomètres), permettant une meilleure représentation des processus de surface dans les régions polaires. Des
simulations à basse résolution seront réalisées en utilisant des paramétrisations standard et plus élaborées des
processus d'interaction avec la surface. Des simulations à haute résolution seront également nécessaires pour
comparer des simulations plus explicites avec les observations locales des bouées sur différentes périodes.
Cela permettra de vérifier les résultats issus des simulations à basse résolution en utilisant des
paramétrisations optimisées pour mieux représenter les hétérogénéités de surface. Finalement, l''inclusion des
processus microphysiques et optiques liés aux aérosols dans les simulations Polar-WRF-Chem devrait
permettre d'améliorer la représentation des nuages (en particulier la nucléation) et des flux de rayonnement à
la surface.
Compétences recherchées :
Le travail proposé nécessite des connaissances en physique de l’atmosphère et des aptitudes en modélisation.
Des connaissances en mécanique des fluides et en FORTRAN pour l’utilisation de Polar-WRF-Chem sont
appréciées, les développements informatiques en post-traitement et les visualisations graphiques pourront
s’effectuer sous Python, MATLAB, ou IDL.
• Type de Financements prévu autre que ED 129 (CNES, CEA, ADEME etc…) :
• Encadrement :
. Liste des autres doctorants que vous encadrez au 1er janvier 2016
Marelle Louis (Co-dir Raut J.-C.), UPMC, CIFRE TOTAL, soutenance fin avril 2016