EQUIPE STRATOSPHERE

 

Composition de l'équipe :

 Permanents : Hassan BENCHERIF, (PR UR), Thierry PORTAFAIX (MCF UR), Nelson BEGUE, (MCF UR), Stéphanie EVAN, (CR CNRS, 50%)

 Étudiants en thèse : Tahina RAMAROLAHY (Thèse 2013-2015), M.A. TOIHIR (Thèse 2013-2015)

 

Bilan (2008-2013)

L'activité de l'équipe stratosphère du LACy est centrée sur l'étude des échanges méridiens et la variabilité de la stratosphère tropicale.
La région tropicale est le lieu où l'air rentre préférentiellement dans la stratosphère à travers la tropopause. Le transport des constituants vers la stratosphère des moyennes et hautes latitudes se produit ensuite à travers les barrières dynamiques subtropicales par différents mécanismes : déferlement d'ondes de Rossby et d'onde de gravité, formation de filaments et de couches turbulentes, etc.

Pour documenter les mécanismes d'échange et de transport entre différents compartiments atmosphériques, l'équipe stratosphère développe et utilise des outils de modélisation numériques (MIMOSA, DyBaL, k-means,...) et s'appuie sur différents types de données et d'observations (ré-analyses ECMWF, données d'assimilations, observations sol et satellites).
Les échauffements stratosphériques soudains sont parmi les phénomènes spectaculaires qui perturbent et modifie la circulation dans la stratosphère. Ils se produisent régulièrement dans l'hémisphère d'hiver, du fait la propagation et l'accroissement de l'activité des ondes de Rossby dans la stratosphère aux latitudes polaires. Dans la continuité de la thèse de V. Charyulu sur les échauffements stratosphériques soudains, l'équipe s'est particulièrement intéressée l'évènement dynamique particulier : l'échauffement stratosphérique soudain major qui s'est produit dans l'HS en septembre 2002 (Bencherif et al. 2007). Une thèse Franco-Sud-Africaine (PhD de N. Mbatha, University of KwaZulu-Natal) a été réalisée pour étudier l'impact de cet évènement major sur la mésosphère polaire, notamment au-dessus de Sanae (72°S, 3°W), base sud-africaine en Antarctique (Mbatha et al., 2010; Mbatha et al., 2013).
En collaboration avec le LIM (Laboratoire d'Informatique et de mathématique, EA2525, UR), l'équipe Stratosphère a développé une méthode de classification (méthode des k-means ou des centres mobiles) pour la caractérisation des barrières dynamiques et la quantification des flux des masses d'air échangées à travers les barrières dynamiques (thèse de Guillaume Kirgis). Dans la continuité de ces travaux sur les échanges méridiens et le transport de l'ozone stratosphérique, en collaboration et codirection avec le LATMOS, nous avons mis en place une thèse sur la climatologie et l'assimilation de l'ozone stratosphérique dans le modèle MIMOSA-O3 (Mzé et al., 2010). La restitution de l'ozone est basée sur une méthode dite de « corrélations ». Celle-ci permet de traduire les gradients de traceurs en gradients de PV et d'ajuster le coefficient de diffusion horizontale dans le modèle MIMOSA de façon à bien représenter le gradient observé par les satellites.


Pour l'étude de variabilité et tendances stratosphériques, l'équipe utilise le modèle Trend-Run (Bencherif et al., 2006), modèle d'estimation des tendances adapté à partir des modèles AMOUNT et AMOUNT-O3 pour l'étude des tendances de températures et d'ozone aux moyennes latitudes. Nous l'avons amélioré en y intégrant des forçages océaniques (notamment l'IOD : Indian Ocean Dipole) (Bègue et al., 2010). Cette nouvelle version du modèle Trend-Run a été appliquée avec succès aux observations radiosondage du réseau SHADOZ pour l'étude de la variabilité et des tendances de la tropopause tropicale (Sivakumar et al., 2011), ainsi qu'aux séries d'observations des spectromètres SAOZ et Dobson opérationnels à différentes latitudes dans l'hémisphère sud : Réunion, Bauru, Irene, Springbok, Buenos-Aires, Ushuaia, Natal et Kerguelen (Bencherif et al., 2012). Cette étude a permis (1) de quantifier les forçages et leur impact en fonction de la position géographique du site étudiée et (2) de souligner le rôle de la dynamique sur les distributions d'ozone notamment pour les sites situés au voisinage des barrières dynamiques : vortex polaire et barrière subtropicale.
Par ailleurs, l'équipe stratosphère entretient depuis plus de 12 années une forte activité de coopération avec l'Afrique du Sud à travers plusieurs projets de Recherche et de Formation par la Recherche dont (les plus récents) SAFIR/Protea, GDRI ARSAIO et les Ecoles d'Eté TRN. Cette coopération s'est traduite par nombreux échanges d'étudiants, de chercheurs et d'enseignants-chercheurs de part et d'autre.

La période 2008-2013, a également vu le retour de Thierry Portafaix, parti 4 années en détachement. L'équipe stratosphère a également repris la responsabilité scientifique du lidar DIAL stratosphérique, instrument labélisé NDACC. Ce dernier a été remis en fonctionnement après 6 années d'arrêt. Après un délai nécessaire au déménagement de l'instrument à l'observatoire du Maïdo (Baray et al., 2013) et aux premiers réglages, les premiers profils d'ozone et de température à partir du DIAL strato., ont été obtenus dès février 2013. La mise en place des traitements et livraisons automatiques des profils sur les réseaux partenaires, est prévue avant la fin du dernier trimestre 2013. L'équipe stratosphère assure également la co-responsabilité scientifique du spectromètre UV-Visible SAOZ.

 

2008 à 2013 en bref... 

 

- 16 articles dans des revues internationales à comité de lecture
- 17 communications avec actes dans un congrès international

- Collaborations nationales avec le LATMOS, le CNRM/GAME, l'UMR Espace-Dév de l'IRD
- Collaborations internationales avec des Université et équipes de recherche : Afrique du Sud, Madagascar, Brésil et Argentine
- Création et coordination d'un Master International « Télédétection et Risques Naturels »
- Organisation annuelle de l'école d'été TRN en Afrique du Sud en partenariat avec les Universités de Cape Town, de Protoria et du KwaZulu-Natal
- 5 thèses soutenues : V. Charyulu, N. Montoux, G. Kirgis, N. Mbatha et N. Mzé
- 2 thèses en cours : T. Ramarlahy et M.A. Toihir
- Coordination d'un projet de coopération bilatérale avec l'Afrique du Sud (SAFIR/Protea)
- Coordination du GDRI ARSAIO (groupe de recherche internationale franco-sud-africain)
- Coordination scientifique de la campagne internationale de mesure NASA/NDAAC - avril 2014
- T. Portafaix est PI du LiDAR Ozone Strato, Co-I du spectromètre SAOZ et membre du groupe lidar NDACC
- H. Bencherif est bénéficiaire d'une PES (prime d'excellence scientifique pour les périodes 2010-2013 et 2013-2017), reviewer pour plusieurs journaux internationaux dans le domaine de la climatologie et dynamique de l'atmosphère, expert scientifique et pédagogique pour le projet régional ACCLIMATE (adaptation au changement climatique) de la COI (Commission de l'Océan Indien) et pour des organismes sud-africains : National Research Foundation (NRF), University of Pretoria (UP) et University of KwaZulu-Natal (UKZN).
- 5 Accueil de Professeurs et chercheurs Invités : V. Sivakumar (University of KwaZulu-Natal ; octobre 2009 et avril 2010), S. Rakotondraompiana (IOGA, Madagascar ; avril 2011), J. Botai (University of Pretoria ; juin 2011)
- Participation à l'organisation des Doctoriales 2012 de l'UR : action d'ouverture des Doctoriales pour accueillir des doctorants des pays de la zone océan indien (demande et mise en place de bourses de mobilités via la SCAC Madagascar et la Commission de l'Océan Indien - COI)
- Participation à l'organisation du Symposium NDACC, 7-10 Novembre 2011, la Réunion

PROJET 2015-2019 : Bilan et changement de la stratosphère tropicale


En plus du contexte de changement dynamique (accélération de la circulation de Brewer-Dobson) et du rétablissement attendu de la couche d'ozone, ce projet s'inscrit dans la continuité des travaux de recherches menés par l'équipe « STRATOSPHERE » du LACy. Il est envisagé ici d'étudier la variabilité et les changements à long terme de l'ozone, ainsi que les paramètres intervenants dans son cycle (e.g., la vapeur d'eau, la température, les aérosols, dynamique). Ce projet proposé pour 2015-2019 se décline suivant quatre axes de recherche dont un transversal avec l'équipe « TROPOSPHERE » sur la thématique du transport de la vapeur d'eau dans l'UT-LS.

  • axe-1 : Dynamique de la moyenne atmosphère (coordonné par H. Bencherif, PR)
  • axe-2 : Echanges méridiens et barrières dynamiques (coordonné par N. Bègue, MC)
  • axe-3 : Observations, variabilité et tendances (coordonné par T. Portafaix, MC)
  • axe-T : Transport de la vapeur d'eau dans l'UT-LS tropicale (coordonné par H. Bencherif et S. Evan)

Le premier axe de recherche sera consacré aux ondes atmosphériques et à la dynamique de la moyenne atmosphère, il est envisagé ici d'étudier l'activité de ces ondes et leur contribution à la circulation générale. Les travaux proposés seront structurés suivant deux points. D'une part, ils analyseront la variabilité et la climatologie des ondes de gravité en association avec les inversions de températures mésosphériques, et d'autre part ils documenteront les processus dynamiques et des interactions « stratosphère-mésosphère ». Ces thématiques sont développées dans le cadre de la coopération avec l'Afrique du Sud, et s'inscrivent ainsi dans les activités du GDRI ARSAIO.

 

Représentation schématique de la circulation stratosphérique et des principales régions de la stratosphère

Le deuxième axe de recherche proposé, s'inscrit dans la volonté de poursuivre l'effort d'évaluation et de quantification du transport méridien s'effectuant entre les différents réservoirs stratosphériques, et celui s'opérant à travers la tropopause tropicale. Au sein de ce second axe de recherche, le travail scientifique sera orienté sur l'étude de l'influence des transports horizontaux et verticaux sur le bilan de l'ozone dans la stratosphère tropicale. Le travail sur les échanges méridiens aura pour finalité, d'une part la mise en évidence des routes privilégiées de transport et d'autre part, l'analyse de l'influence de ces échanges méridiens sur le bilan des espèces traces stratosphériques (e.g., ozone, vapeur d'eau,...). Dans cette partie, il sera également abordé la thématique des aérosols stratosphériques, et tout particulièrement leur influence sur le bilan de l'ozone dans la basse stratosphère de l'hémisphère sud.

Enfin, le troisième axe de recherche de ce projet a pour objectif de continuer le travail engagé par l'équipe « STRATOSPHERE » dans les observations et l'analyse à long terme des paramètres physico-chimiques nécessaires pour comprendre le comportement de la stratosphère tropicale. Au sein de cet axe de recherche, des études de variabilité et des tendances des espèces traces stratosphériques (particulièrement l'ozone) seront réalisées. Par ailleurs, les changements à long terme et la variabilité de la dynamique de la stratosphère tropicale seront étudiés.

Représentation schématique de la circulation stratosphérique et des principales régions de la stratosphère

'20 années de mesure d'ozone total à la Réunion par le spectromètre SAOZ


L'axe de recherche transversal sera consacré à la vapeur d'eau dans l'UT-LS tropicale. Dans cet axe, l'équipe stratosphère se focalisera sur l'influence de la troposphère sur la stratosphère. Il sera nécessaire de mettre en évidence la variabilité et les anomalies de la tropopause tropicale en relation avec les épisodes d'injections des masses d'air dans la basse stratosphère.


Les différentes thématiques de ce projet s'appuieront sur des observations sols (Lidar, Radar, Riomètre, SAOZ, radiosondage, radiomètre micro-onde) réalisées à La Réunion (observatoire du Maïdo et OPAR) en mode « routine » ou en mode « campagnes ». Ces observations seront complétées par les bases de données des réseaux internationaux (e.g., SHADOZ, NDACC, GDRI), mais également par des observations satellites (e.g., MLS/Aura, SABER, IASI/MétOp, SAPHIR/MEGA-Tropique, COSMIC, OMI/Aura, GOMOS/Envisat,...). La bonne réalisation de ce projet passe également par la mise en oeuvre de moyens de modélisation globale (MOCAGE) et méso-échelle (Méso-NH). Pour bien quantifier le transport, il faut que les échelles pertinentes soient résolues. Cependant, les modèles globaux n'ont pas une résolution assez fine pour estimer correctement le transport à travers la barrière subtropicale. Ainsi, en plus des deux modèles précédemment cités, le modèle d'advection de contour à haute résolution MIMOSA sera utilisé. Enfin, pour une meilleure caractérisation des échanges méridiens et des routes privilégiés de transport un domaine «tropique sud » sera défini dans MOCAGE . En plus des outils dérivés du formalisme de Nakamura (code DyBaL), la méthode des k-means sera utilisée afin de déterminer la position des barrières et quantifier les échanges. La méthodologie retenue pour les études de variabilité et de tendance est basée sur l'utilisation du code Trend-Run, dont une évolution est envisagée afin de prendre en compte les évolutions non-linéaires dans les « proxy » et les séries analysées.


Ce projet permettra de consolider les collaborations tant nationales qu'internationales de l'équipe stratosphère, mais également de développer des collaborations connexes. Sur le plan national, les relations avec les équipes de CNRM (Toulouse), du LATMOS (Guyancourt) et du LPC2E (Orléans), seront poursuivies. D'un point de vue régional, ce projet consolidera la coopération du LACy avec l'Afrique du Sud et permettra de développer de nouvelles coopérations avec le Brésil et l'Argentine. Au plan local, une collaboration sera reconduite avec le Laboratoire d'Informatique et Mathématique (LIM, EA 2525) afin de travailler sur l'amélioration de Trend-Run et l'utilisation de la méthode des k-means.

PRINCIPALES PUBLICATIONS (2008-2013) : 

 

1. Mbatha N., V. Sivakumar, H. Bencherif, and S. Malinga, Extracting gravity wave parameters during the September 2002 Southern Hemisphere major sudden stratospheric warming using a SANAE imaging riometer, Ann. Geophys., 31, 1709-1719, 2013.

2. Baray, J.-L., Courcoux, Y., Keckhut, P., Portafaix, T., Tulet, P., Cammas, J.-P., Hauchecorne, A., Godin Beekmann, S., De Mazière, M., Hermans, C., Desmet, F., Sellegri, K., Colomb, A., Ramonet, M., Sciare, J., Vuillemin, C., Hoareau, C., Dionisi, D., Duflot, V., Vérèmes, H., Porteneuve, J., Gabarrot, F., Gaudo, T., Metzger, J.-M., Payen, G., Leclair de Bellevue, J., Barthe, C., Posny, F., Ricaud, P., Abchiche, A., and Delmas, R.: Maïdo observatory: a new high-altitude station facility at Reunion Island (21° S, 55° E) for long-term atmospheric remote sensing and in situ measurements, Atmos. Meas. Tech., 6, 2865-2877, doi:10.5194/amt-6-2865-2013, 2013.

3. Mbatha N., V. Sivakumar, H. Bencherif, S.B. Malinga and S. R. Pillay, Analyses of the Middle atmosphere thermal structure over Durban using a ground-based Rayleigh LIDAR system and satellite experiments (HALOE and SABER), South African J. of Sciences, 108(1/2), sajs.v108i1/2.612, 2012

4. Sivakumar V, Bencherif H, Begue N and Thompson A.M., Tropopause characteristics and variability from 11-year SHADOZ observations in the southern tropics and sub-tropics, Journal of Applied Meteorology and Climatology, doi:10.1175/ 2011JAMC2453.1, 50, 7, 1403-1416, 2011

5. Sivakumar, V., Vishnu Prasanth, P., Kishore, P., Bencherif H., and Keckhut. P., Rayleigh LIDAR and satellite (HALOE, SABER, GPS-CHAMP and COSMIC) measurements of Stratosphere-Mesosphere temperature over a southern sub-tropical site, Reunion (20.8°S; 55.5°E): Climatology and comparison study, Ann. Geophy., 29, 649-662, 2011

6. Bencherif H., L. El Amraoui, G. Kirgis, J. Leclair de Bellevue, A. Hauchecorne, N. Mzé, T. Portafaix, A. Pazmino, and F. Goutail, Analysis of a rapid increase of stratospheric ozone during late austral summer 2008 over Kerguelen (49.4° S, 70.3° E), Atmos. Chem. Phys., 11, 363-373, doi:10.5194/acp-11-363-2011, 2011

7. Keckhut P., W. J. Randel, C. Claud, T. Leblanc, W. Steinbrecht, B. M. Funatsu, H. Bencherif, I. S. McDermid, A. Hauchecorne, C. Long, R. Lin, and G. Baumgarten, Consistencies between decanal middle atmospheric temperature series of the ground-based lidar network and space observations, J. of Atmos. Sol.-Terres. Phys., 72, 1171–1179, 2011

8. Raju J.P.U., P. Keckhut, Y. Courcoux, M. Marchand, S. Bekki, B. Morel, H. Bencherif, A. Hauchecorne, Nocturnal temperature changes over Tropics during CAWSES -III campaign: Comparison with numerical models and satellite data, J. of Atmos. Sol.-Terres. Phys., 72, 1171–1179, 2010

9. Bègue N., H. Bencherif, V. Sivakumar, J. Leclair de Bellevue, G. Kirgis, and N. Mzé, Temperature variability and trend estimates at tropopause and UT-LS over a subtropical site: Reunion (20.8°S, 55.5°E), Atmos. Chem. Phys., 10, 8563-8574, 2010.

10. J. A. E. van Gijsel, D. P. J. Swart, J.-L. Baray, H. Bencherif, H. Claude, T. Fehr, S. Godin-Beekmann, G. H. Hansen, P. Keckhut, T. Leblanc, I. S. McDermid, Y. J. Meijer, H. Nakane, E. J. Quel, K. Stebel, W. Steinbrecht, K. B. Strawbridge, B. I. Tatarov, and E. A. Wolfram, GOMOS ozone profile validation using ground-based and balloon sonde measurements, Atmos. Chem. Phys., 10, 10473-10488, 2010

11. Mbatha N., V. Sivakumar, S.B. Malinga, H. Bencherif, and S. Pillay, Study on the impact of sudden stratosphere warming in the upper mesosphere-lower thermosphere regions using satellite and HF radar measurements, Atmos. Chem. Phys., 10, 3397-3404, 2010

12. Mzé N., A. Hauchecorne, H. Bencherif, F. Dalaudier and J.-L. Bertaux, Climatology and comparison of ozone from ENVISAT/GOMOS and SHADOZ/balloon-sonde observations in the southern tropics, Atmos. Chem. Phys., 10, 8025-8035, 2010

13. El Amraoui L., J. -L. Attié, N. Semane, M. Claeyman, V.-H. Peuch, J. Warner, P. Ricaud, J.-P. Cammas, A. Piacentini, D. Cariolle, S. Massart, and H. Bencherif, Midlatitude Stratosphere-Troposphere Exchange as diagnosed by MLS O3 and MOPITT CO assimilated fields, Atmos. Chem. Phys., 10, 2175-2194, 2010

14. Dou X., T. Li, J. Xu, H.-L. Liu, X. Xue, S. Wang, T. Leblanc, I. S. McDermid, A. Hauchecorne, P. Keckhut, H. Bencherif, C. Heinselman, W. Steinbrecht, M. G. Mlynczak, and J. M. Russell III, Seasonal oscillations of middle atmosphere temperature observed by Rayleigh lidars and their comparisons with TIMED/SABER observations, J. Geophys. Res., 114, D20103, doi:10.1029/2008JD011654, 2009

15. Prasanth P.V., V. Sivakumar, S. Sridharan, Y.B. Kumar, H. Bencherif, and D. Narayana Rao., Lidar observations of sodium layer over low latitude, Gadanki (13.5°N, 79.2°E): Seasonal and nocturnal variations, Ann. Geophys, Ann. Geophys., 27, 3811–3823, 2009

16. Montoux N., A. Hauchecorne, J.-P. Pommereau, F. Lefèvre, G. Durry, R. L. Jones, A. Rozanov, S. Dhomse, J. P. Burrows, B. Morel, and H. Bencherif, Evaluation of balloon and satellite water vapour measurements in the Southern tropical UTLS during the HIBISCUS campaign, Atmos. Chem. Phys., 9, 5299-5319, 2009