Étude comparative du rôle de la dynamique et de la chimie dans la modélisation de l'atmosphère moyenne

Comparative study of the role of dynamics and chemistry in modelling the middle atmosphere

• Auteur / Autrice : David Saint-Martin
• Direction : Daniel Cariolle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physicochimie de l'atmosphère
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Moyenne atmosphère

Mots clés libres

Atmosphère moyenne

Dynamique

Chimie

Climat

Modélisation

Paramétrisation

Ondes de gravité

Oscillation quasi-biennale

Ozone

Résumé

L'importance du rôle de l'atmosphère moyenne dans le forçage des autres composantes du système climatique est aujourd'hui largement reconnue. Cela tient notamment à la place centrale occupée par l'ozone dans le bilan radiatif de l'atmosphère et aux conséquences sur la circulation atmosphérique de la destruction de l'ozone. Il apparaît également que la dynamique de la stratosphère influence de manière substantielle la variabilité dans la troposphère. Durant cette thèse, nous nous sommes attachés à développer des pistes d'amélioration de la modélisation de l'atmosphère moyenne dans le modèle de circulation générale, ARPEGE-Climat, tout en examinant le rôle potentiel de cette amélioration dans la circulation troposphérique. Nous étudions tout d'abord, par des expériences numériques idéalisées, l'influence de la stratosphère équatoriale sur la dynamique extra-tropicale. Cette étude montre sans ambiguïté qu'une simulation précise de la circulation aux hautes latitudes de l'hémisphère nord ne peut se passer d'une représentation réaliste de la stratosphère tropicale. Nous décrivons ensuite la mise en oeuvre d'une paramétrisation spectrale des ondes de gravité non orographiques dans le modèle ARPEGE-Climat. L'introduction de cette paramétrisation conduit à une distribution horizontale réaliste du flux de quantité de mouvement dans la stratosphère, à une amélioration de la représentation de la circulation en moyenne zonale ainsi qu'à une meilleure simulation de la variabilité stratosphérique équatoriale. Enfin, le travail s'est orienté sur le développement et la validation d'un modèle de chimie-climat (CNRM-CCM) pour lequel le schéma chimique REPROBUS a été couplé avec le modèle ARPEGE-Climat. Ce nouveau modèle apparaît comme un outil approprié pour l'étude des interactions chimie-climat. L'introduction d'une chimie stratosphérique interactive permet de réduire certains biais chauds à la stratopause tropicale et de représenter de manière plus réaliste les vortex polaires hivernaux.

The importance of the role played by the middle atmosphere in forcing other parts of the climate system is now generally recognized. A major reason is the central role of stratospheric ozone as a climate gas and the resulting issues of ozone depletion on the atmospheric circulation. There is also evidence that the stratosphere substantially affects the tropospheric variability through dynamical processes. This PhD aims to investigate this influence through improving middle atmosphere modelling in the general circulation model, ARPEGE-Climat. By using a set of idealized ensemble experiments, we first study the sensitivity of the northern hemispheric winter climate to the equatorial stratosphere circulation. The comparison between perturbed and control experiments reveals a significant influence on the extratropical stratospheric variability through an improved propagation of the planetary waves. We then describe results from a simulation in which a spectral parameterization for small-scale non-orographic gravity waves is introduced into the general circulation model, ARPEGE-Climat. They show a realistic horizontal distribution of momentum flux in the stratosphere, an improved representation of the zonal-mean circulation and temperature structure and a better simulation of the equatorial stratospheric variability. We finally present a description and evaluation of the chemistry-climate model, CNRM-CCM, which interactively combines the general circulation model ARPEGE-Climat with the stratospheric chemistry scheme REPROBUS. This new model appears as an appropriate tool to study chemistry-climate interactions. The introduction of a fully coupled chemistry improves the model dynamical climatology, with a substantial reduction of the temperature biases in the tropical stratopause region and a better representation of the winter polar vortices.