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Couches limites atmosphériques extrêmes en Antarctique : évaluation et amélioration des modèles

par LIBOIS Quentin - 21 octobre 2014 - ( maj : 26 mars 2015 )

Etienne VIGNON

Date de début et de fin : octobre 2014 - septembre 2017

Financement : MRES

Directeurs : Christophe GENTHON et Frédéric HOURDIN (LMD)

Résumé :

Il s’agit d’une étude des couches limites atmosphériques antarctiques à travers 1) une participation centrale (l’analyse critique des résultats des modèles) au programme international d’intercomparaison GABLS4 sur le plateau antarctique, 2) le développement et le test de paramétrisations innovantes pour les couches limites très stables, et 3) l’extension aux couches limites catabatiques de la périphérie antarctique. La couche limite est cette région de l’atmosphère qui interagit effectivement avec la surface. Elle conditionne en particulier les échanges de vapeur d’eau, d’énergie sensible et de quantité de mouvement : notre climat ne serait pas ce qu’il est si ces échanges étaient différents, et leur prise en compte dans les modèles météorologiques et climatiques est critique. Sur les pentes périphériques antarctiques, ces échanges déterminent les vents catabatiques et la divergence continentale qui en résulte. La fermeture de la cellule méridienne polaire en propage l’effet à la circulation générale globale. Le bilan de masse de surface de la calotte est directement affecté par ces échanges : une perturbation induit un changement de masse qui se répercute sur le niveau des mers, à nouveau avec un impact global. Une bonne connaissance des couches limites atmosphériques (CLA) en général, des CLA antarctiques en particulier, et une bonne capacité à les traiter dans les modèles sont cruciales pour notre compréhension et capacité à prévoir la météorologie et le climat. Toutefois, les CLA Antarctiques diffèrent beaucoup de celles des autres régions du monde. Elles mettent en général en défaut les paramétrisations développées pour ces autres régions. La thèse d’Hélène BARRAL, se terminant à l’automne 2014, a entre autres permis la mise en place d’un projet d’expérience internationale d’intercomparaison des paramétrisations de CLA dans les modèles météorologiques et de climat sur un cas d’observation au Dôme C sur le plateau Antarctique. C’est l’expérience GABLS4 du programme mondial GEWEX (Global Energy and Water Exchange du Programme Mondial de Recherche sur le Climat). Une période d’observation particulièrement complète et caractéristique, alternant forte stabilité et instabilité convective, a été sélectionnée et validée. Des simulations du modèle national MESO-NH avec résolution explicite des grands tourbillons sont en cours de réalisation (la thèse d’Hélène BARRAL a apporté bien plus que ces résultats, mais ce sont ceux qui nous intéressent ici). Cette expérience d’intercomparaison est co- pilotée par le CNRM de Météo-France et le LGGE. Le doctorant, dont le stage de M2R actuel contribue à l’initiation de cette expérience, consacrera le début de sa thèse à la réalisation des analyses d’intercomparaison, en aveugle tout d’abord pour les groupes de modélisation participants (une 15aine de groupes attendus incluant les Pays-Bas, les Etats Unis, la Finlande, le Royaume Uni, etc). Ces groupes fourniront les résultats de leurs modèles utilisés sous contraintes synoptiques imposées (analyses météorologiques réalisées par Météo- France), sans avoir accès aux observations dans la couche limite et donc sans pouvoir ajuster leur modèle dans un premier temps. Le doctorant devra développer une métrique pour 1 L’encadrement pressenti au moment du dépôt de la proposition de thèse sur le site de l’école doctorale en mars a été modifié. Christophe Brun souhaitant recentrer ses activités de recherches sur les aspects théoriques de la turbulence, c’est Frédéric Hourdin qui assurera la codirection. L’engagement de Frédéric Hourdin contribuera à assurer un lien fort avec la communauté nationale impliquée dans le développement des modèles météorologiques et de climat. L’étude et le l’implémentation de paramétrisations innovantes de couche limite dans le modèle national LMDZ, modèle national dont Frédéric Hourdin pilote le développement au LMD, sera ainsi favorisé. l’intercomparaison de la CLA de des modèles permettant de mettre en évidence d’une part les biais systématiques de modélisation, d’autre part ceux ressortant comme spécifiques d’un modèle particulier. La seconde étape sera consacrée à la recherche, en interaction avec les différents partenaires de GABLS4 qui pourront alors réaliser des simulations complémentaires, des raisons des biais des modèles et l’identification des défauts typiques des paramétrisations. Cette seconde phase pourra conduire à la mise en oeuvre de paramétrisations de concepts innovants qui seront testées dans des version uni et tridimensionnelles du modèle de circulation générale du LMD (éventuellement la version à physique mixe MAR/LMD en cours de développement). Une fois GABLS4 terminé au Dôme C, le domaine d’étude sera étendu aux régions côtières. Ces régions sont fortement catabatiques et présentent donc un caractère d’extrême dynamique dans dans des conditions qui seraient stables sinon. L’initiation d ’un vent catabatique et les caractéristiques de turbulence dans ces écoulements seront étudiées, toujours en vue de l’évaluation et l’amélioration des modèles d’atmosphère

Abstract :

Atmospheric boundary layers (ABL) in Antarctica are very different from elsewhere. They are a challenge for the parameterizations developed for other regions. Hélène BARRAL’s PhD thesis, finishing fall 2014, has initiated an international CLA parameterization intercomparison project using observations made at Dome C on the Antarctic plateau : the GABLS4 project, part of GEWEX (Global Energy and Water Exchange, World Climate Research Program). A particularly complete and representative series to observations, during which strong stability alternates with convective mixing, was selected and validated. Large eddy simulations with the national MESO-NH research model are being performed. GABLS4 is jointly managed by CNRM / météo-France and LGGE. The candidate, whose current masters thesis contributes the initiation of GABLS4, will first be in charge of processing the model results provided by the GABLS4 participants ( 15 institutes expected including from Netherlands, Finland, UK, US, etc). In a first step, the simulations are made in a blind mode using synoptic control by meteorological analyses produced by Météo- France, without access to the control observations and thus without possibility to adjust the models. The PhD student will develop an appropriate metric to highlight common and separate biases in the models. In a next step, interacting with the GABLS4 partners which may then carry complementary simulations, the reasons for the biases and the shortcomings of the parameterizations will be identified. This may lead to testing innovative parameterizations in 1 and 3-dimensional versions of the LMD general circulation model (possibly including the mixed LMD/MAR physics version currently being developed). Once GBALS4 is completed at Dome C, the project will be extended to the peripheral regions of Antarctica. These are strongly catabatic regions, thus extremely dynamic in conditions which would otherwise be stable. The initiation of a catabatic wind, and the characteristics of turbulence in such conditions, will be studied still with evaluating and improving atmospheric models in mind.

Mots clef : couches limites atmosphériques - paramétrisation de la turbulence - météorologie antarctique- modélisation atmosphérique // atmospheric boundary layer - turbulence parametrisation - Antarctic meteorology - atmospheric modelisation

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