Vapeur d’eau dans la haute troposphère et la basse stratosphère tropicale - impact des overshoots africains pendant SCOUT-AMMA

par Xiaoman Liu

Thèse de doctorat en Physique de l'atmosphère

Sous la direction de Georges Durry et de Emmanuel Rivière.

Soutenue en 2010

à Reims .


  • Résumé

    L’eau est un composé essentiel du système climatique et chimique de la stratosphère. Le but principal de ma thèse était d’étudier l’impact des systèmes convectifs tropicaux intenses, qui pénètrent dans la stratosphère (overshoot) sur le bilan de l’eau stratosphérique à l’échelle locale. Le rôle des overshoots à l’échelle du globe est encore très débattu. Pour cela, j’ai étudié deux cas d’observation issus de la campagne SCOUT-AMMA en Afrique de l’ouest. Je les ai modélisés avec le modèle atmosphérique 3D méso-échelle BRAMS. On peut ainsi quantifier leur rôle sur le bilan de l’eau stratosphérique. On peut résumer les principaux résultats de la manière suivante. Pour une simulation avec microphysique à double moment, on estime que l’overshoot observé au sud du Tchad injecte irréversiblement entre 330 t et 507 t d’eau dans la stratosphère, en accord avec les très rares estimations de ce type par les modèles. On confirme que les mesures élevées de vapeur d’eau, au-dessus de Niamey pendant SCOUT-AMMA 30 h plus tard dans la même masse d’air, semblent être liées à ce cas. Un autre cas à été étudié au-dessus de l’Aïr et il est montré que ce cas hydrate moins la stratosphère : une valeur maximum typique de 230 t d’eau est estimée, montrant ainsi une variabilité des overshoots sur l’hydratation de la stratosphère. Cette différence entre les deux cas est principalement due à des conditions plus humides pour l’Aïr : les particules de glace injectées dans la stratosphère par l’overshoot subliment moins efficacement, ce qui au contraire favorise leur sédimentation. Afin d’étudier l’incertitude des estimations des modèles sur l’hydratation de la stratosphère, j’ai effectué des tests de sensibilité sur les réglages du modèle, en particulier les réglages microphysiques du modèle. Une simulation du cas tchadien a été réalisée avec un schéma microphysique simple moment. On montre alors une hydratation bien plus importante, de l’ordre de 750 t ~ 950 t, que pour la simulation avec microphysique à double moment. La différence est essentiellement due à des tailles et natures différentes des hydrométéores glacés dans la stratosphère pour chaque cas. Enfin un autre test microphysique a été réalisé en changeant, pour une simulation à double moment, le paramètre de forme de la distribution en taille des hydrométéores. Cette dernière simulation montre un impact beaucoup plus faible sur l’hydratation de la stratosphère (~ 150 t). Tous ces résultats indiquent donc une grande variabilité des estimations des modèles selon le cas étudié et selon les réglages de la simulation. Mieux cerner cette variabilité sera nécessaire avant de pouvoir déduire un impact des overshoots à plus grande échelle. Ce volet sera appréhendé dans un futur projet du laboratoire

  • Titre traduit

    Water vapour in the tropical upper troposphere / lower stratosphere: impact of African overshoots during SCOUT-AMMA


  • Résumé

    Water is a key component of the stratosphere climate and chemistry. The main goal of my thesis was to study the impact of overshooting tropical deep convection (convection which penetrates the stratosphere) on the water stratospheric water budget at local scale. The role of the overshoots at the global scale is still highly debated. To do this, I have studied two observational cases from the SCOUT-AMMA campaign in West Africa. I have modeled them by using the 3D mesoscale model BRAMS. Then the role of overshoots on the stratospheric water budget can be estimated. The main results of this work can be summarized as follows. With a two moment microphysical scheme simulation (S2M), I estimated that an overshoot observed above southern Chad has injected irreversibly 330 to 507 tons of water in the stratosphere, in agreement with the very seldom estimations with this type of models. I have confirmed that the high water vapor amount measured from balloon-borne hygrometer above Niamey during SCOUT-AMMA, 30h later in the same air mass seems to be linked to this overshoot. Another overshoot case above Aïr was studied and it is shown that this case hydrate less the stratosphere (~ 230 tons) than the Chad case. This highlights a potential variability of overshooting convection on the lower stratosphere hydration. This difference between both cases is mainly due to moister conditions for the Aïr case: the particles injected by the overshoot in the stratosphere sublimate less efficiently and inversely tend to sediment. In order to study the uncertainties of model estimation of stratosphere hydration by overshoots, several sensitivity tests have been carried out in this work, in particular the microphysical setting. First a single moment simulation of the Chad case was performed. It was computed a much higher hydration, from 750 to 950 tons, than form the S2M simulation. The difference is mainly due to the size and the nature of the ice particles for each case. Finaly, another double moment simulation of the Chad case was performed with a new shape parameter of the hydrometeor’s size distribution. This simulation shows a weaker impact on the stratosphere hydration (~ 150 tons). All these results indicate a high variability of model estimation among the case studied of the model setting. A better understanding and knowledge of this setting will be necessary before the impact of overshooting convection at global scale can be estimating. This issue will be addressed in an upcoming project of the institute

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  • Détails : 1vol. (205p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.171-181

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