Damien HERON

« Effet de la convection sur le contenu en vapeur d’eau de la région de la haute troposphère-basse stratosphère tropicale au-dessus de l’Océan Indien »

Soutenance : Octobre 2020


La Haute Troposphère & Basse Stratosphère (en anglais Upper Troposphere Lower Stratosphère ou UTLS) tropicale, entre 14-20km d’altitude, joue un rôle clé dans la circulation générale puisqu’elle est le lieu d’entrée des masses d’air troposphériques dans la stratosphère (Holton et al., 1995). On sait depuis Brewer (1949) que l'air troposphérique rentre principalement dans la stratosphère au niveau des tropiques à travers l’UTLS tropicale et redescend dans la troposphère aux moyennes et hautes latitudes. La région de l’UTLS tropicale joue donc un rôle important puisqu’elle est la "porte d’entrée" de nombreuses espèces chimiques troposphériques dont le temps de résidence dans la stratosphère est de l’ordre de deux ans (Rosenlof et al., 1995).
La région de l’UTLS tropicale joue aussi un rôle clé dans la régulation de vapeur d’eau en stratosphère. L'air stratosphérique présente un très faible contenu en vapeur d’eau qui peut être expliqué par la condensation de la vapeur d'eau au niveau du minimum de température de la tropopause tropicale. Les modèles climatiques prédisent une augmentation de la concentration de vapeur d’eau dans la région de l’UTLS qui contribuerait à un réchauffement additionnel de 10% en surface (Dessler et al., 2013). Cependant, ces modèles ont beaucoup de difficultés à modéliser les variations de vapeur d’eau dans l’UTLS à cause, entre autres, d'une mauvaise représentation de la convection tropicale qui contrôle en bonne partie le transport vertical de vapeur d’eau vers l'UTLS. La compréhension des effets de la convection tropicale profonde sur le contenu en vapeur d’eau de l’UTLS reste à être approfondi malgré des études qui ont montré que les cyclones tropicaux pouvaient contribuer fortement à l’humidification de l’UTLS (Ray and Rosenlof., 2007).
Dans la figure 1, on représente le transport de vapeur d’eau en troposphère et dans l’UTLS engendré par un cyclone tropical, les deux phénomènes qui ont un impact direct sur la vapeur d’eau en UTLS sont représentés en figure 1.1 et 1.2.

 

Figure 1: Illustration simplifiée de la coupe d’un cyclone tropical (gauche) et des phénomènes étudiés dans cette thèse (droite).  En ordre de grandeur, un cyclone s’entend entre 400 et 800 km de diamètre pour un oeil de 50 à 150 km de diamètre. Un cyclone est organisé en bandes précipitantes concentrique qui s’enroulent autour d’une zone centrale de subsidence (l’oeil). Les vents et les précipitations les plus importantes sont observés dans le mur de l’oeil où la convection est la plus intense. C’est donc dans le mur de l’oeil que les injections en vapeur d’eau dans l’UTLS semblent le plus fréquent (figure en haut à droite). Les nuages de glace formés en haute altitude (dans la zone de détraînement convectif), la turbulence ou les ondes générées par le cyclone peuvent engendrer un refroidissement de la tropopause qui peut causer un assèchement de la basse-stratosphère (figure en bas à droite).

 

L’île de la Réunion occupe une position stratégique pour observer et étudier l'impact de la convection profonde et en particulier des cyclones tropicaux sur le contenu en vapeur d'eau de l'UTLS. L’objectif de cette thèse est donc de mieux comprendre le rôle que joue la convection dans le transport de vapeur d’eau vers l'UTLS afin d’améliorer notre capacité à prévoir le climat futur. La thèse s’articule autour de deux questions de recherche :
1- La convection profonde contribue au refroidissement de la tropopause tropicale et donc favorise la déshydratation de la stratosphère (Figure 1.1, Kuang et Bretherton, (2004)).
2- La convection dite très profonde peut injecter des particules de glace/vapeur d’eau au-dessus de la tropopause et donc contribuer à humidifier la stratosphère (Figure 1.2, e.g. Chaboureau et al., 2007; Corti et al., 2008; Dauhut et al.,  2015). Cette thèse s’appuie sur l’utilisation du modèle atmosphérique Méso-NH, développé au LACy pour l’étude des phénomènes convectifs en milieu océanique tropical, ainsi que des observations de l’Observatoire du Maïdo et des données des satellites sur l'océan Indien (exemple d’utilisation en figure 2).

Figure 2 : Exemple de figure illustrant les moyens déployés (Modèle Méso-NH et donnée Satellite GPM)  pour l’étude des phénomènes convectifs intenses. Comparaison des précipitations cumulées du cyclone Enawo entre le 3 et le 7 mars 2017. A gauche les précipitations simulées par le modèle, à droite celle estimée par le satellite GPM.  Le centre des précipitations est correctement reproduit à 14°S-56°E malgré une surestimation des précipitations simulées dans le coeur d’Enawo. La bande de précipitation à l’est  du système est bien reproduite par le modèle alors que les précipitations sont légèrement sous-estimées au Sud-Est du système. Une dernière observation concerne les précipitations de la côte est de Madagascar. Le modèle semble surestimer les effets topographiques sur la précipitation.

Figure 3 : Coupe horizontale à 14km (partie basse de l’UTLS) du contenu en vapeur d’eau au-dessus du cyclone Enawo le 6 mars à 18 UTC (droite) et à 17km au-dessus de la tropopause (gauche). Les flèches représentent les champs de vents simulés à la même altitude. On voit une humidification très importante en haute troposphère sur la figure de droite qui correspond à l’altitude de détraînement du cyclone. Sur la figure de gauche , on peut voir une humidification au-dessus de 17km, sans doute par des injections directes de vapeur d’eau (entourées en noir).


Encadrement :

Directeur : Jean Pierre Cammas
Laboratoire de l'Atmosphère et des Cyclones (LACy) - UMR 8105
Université de La Réunion

Co-directrice : Stéphanie Evan
Laboratoire de l'Atmosphère et des Cyclones (LACy) - UMR 8105
Université de La Réunion