Paramétrisation de la couche limite atmosphérique convective et représentation du cycle diurne des nuages dans un modèle de climat

• Auteur / Autrice : Catherine Rio
• Direction : Frédéric Hourdin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanographie, météorologie et environnement
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couche limite (météorologie)

Nuages de convection

Résumé

L’objectif principal de cette thèse est d’améliorer la représentation du cycle diurne des nuages convectifs dans les modèles de circulation générale atmosphérique grande-échelle. La sous-estimation des nuages bas, le déclenchement prématuré des précipitations convectives ainsi que leur arrêt prématuré en fin de journée sont des biais communs à la plupart des modèles de climat. L’amélioration de ces différents aspects passe notamment par une représentation plus réaliste des mouvements convectifs de la couche limite atmosphérique. Pour cela, les processus en jeu dans la turbulence de couche limite, la convection sèche et nuageuse, peu profonde et profonde, sont d’abord étudiés à l’aide d’observations et de simulations haute résolution. Cela permet d’établir les hypothèses à la base de la paramétrisation que l’on souhaite développer. Pour essayer de prendre en compte toutes les échelles de turbulence observées dans la couche limite convective, on combine à un schéma diffusif classique une paramétrisation en flux de masse représentant les structures cohérentes de la couche limite : le modèle du thermique nuageux. Le schéma est principalement testé dans une version unicolonne du modèle LMDZ, développé au Laboratoire de Météorologie Dynamique, sur des cas particuliers de convection continentale, sèche et nuageuse, peu profonde et profonde, et évalué à partir d’observations et de simulations haute résolution. La représentation explicite d’un panache ascendant entraînant et détraînant, ainsi que d’une subsidence compensatoire dans l’environnement, permet d’améliorer le cycle diurne de la couche limite et des cumulus qui se forment par beau temps. Cette meilleure représentation des nuages de couche limite a par ailleurs des répercussions sur le cycle diurne de la convection plus profonde associée aux orages et prise en compte par une paramétrisation indépendante. Le contrôle du déclenchement et de l’intensité de la convection profonde par les processus dits sous-jacents, de couche limite d’une part et liés à la formation de poches froides sous le système convectif précipitant d’autre part, permet de retarder le déclenchement des précipitations de plusieurs heures et de les maintenir plus tard dans la soirée. Enfin, les développements effectués sont adaptés à la représentation de la convection induite par les feux de biomasse dans les Tropiques. Initialisé par les caractéristiques des feux dans ces régions, le modèle du thermique nuageux devient celui du pyro-thermique nuageux, avec des panaches qui restent confinés dans la couche limite mais peuvent aussi percer jusqu’à la moyenne troposphère. Les différentes paramétrisations évoquées sont destinées à faire partie de la nouvelle version 3D de LMDZ, en vue des simulations climatiques à effectuer dans le cadre du prochain rapport du Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC).

The main objective of this work is to improve the representation of the diurnal cycle of convective clouds in General Circulation Models. Some biases in the representation of this diurnal cycle are commonly found in GCMs : under-estimation of low clouds, precipitations in phase with solar activity while the maximum of precipitations is observed in the late afternoon. A better representation of convective processes in the boundary layer is one of the key issues to improve those various aspects in GCMs. Processes involved in boundary layer turbulence, dry and moist convection, either shallow or deep, are first studied using observations and high resolution simulations. This leads to various hypothesis at the basis of the parameterization we want to develop. To try to take into account all turbulent scales of the convective boundary layer, a classical diffusive scheme is combined with a mass-flux scheme representing boundary layer coherent structures : the cloudy thermal plume model. The scheme is implemented in an 1D configuration of the GCM LMDZ, developed in the Laboratoire de Météorologie Dynamique, and evaluated against observations, Large Eddy Simulations and Cloud Resolving Models on cases of dry, shallow and deep convection over land. The explicit representation of a mean ascending plume, entraining and detraining, and of a compensating subsidence in the environment, improves the diurnal cycle of the boundary layer and shallow cumulus clouds. This better representation of boundary layer clouds has an impact on the diurnal cycle of deep convection associated with precipitations and parameterized independently. By controling deep convection by so-called ''underlying processes'', like boundary layer convection or wakes generated by evaporation of precipitations under the convective system, it is possible to delay the onset of precipitations by several hours and to maintain them after sunset. Finally, developments are adapted to the representation of convection induced by biomass burning in the Tropics. Initialized by fires characteristics, the thermal plume model becomes the pyro-thermal plume model, generating plumes in the boundary layer which can also reach the mid-troposphere. The various parameterizations used in this study will be part of the new 3D version of LMDZ, in order to run the simulations required for the next IPPC (Intergovernmental Panel on Climate Change)report.