Ondes et turbulence à la tropopause tropicale et impacts sur les cirrus

Waves and turbulence at the tropical tropopause and their impacts on tropical tropopause layer cirrus

• Auteur / Autrice : Aurélien Podglajen
• Direction : Riwal Plougonven, Albert Hertzog
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Météorologie, océanographie, physique de l'environnement
• Date : Soutenance le 30/06/2017
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : François Lott
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Riwal Plougonven, Albert Hertzog, François Lott, Martina Krämer, Jean-Pierre Chaboureau, Emmanuel Rivière, Gwenaël Berthet, Bernard Legras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martina Krämer, Jean-Pierre Chaboureau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cirrus

Turbulence atmosphérique

Ondes de gravité

Atmosphère

Mots clés libres

Tropopause tropicale (TTL)

Ondes de gravité

Turbulence

Cirrus

Ballons longue durée

Modélisation mésoéchelle

TTL (tropical tropoause layer)

Gravity waves

Turbulence

Cirrus clouds

Superpressure balloons

Mesosclae modeling

Résumé

Cette thèse s’intéresse aux ondes de gravité et à la turbulence dans la région de la tropopause tropicale (TTL pour tropical tropopause layer, entre 14 et 18 km d’altitude), et à leurs impacts sur les cirrus.Dans un premier temps, les fluctuations de température et de vent vertical induites dans la TTL par les ondes de gravité sont quantifiées et caractérisées à partir de mesures provenant de vols de ballons stratosphériques longue durée. Les perturbations observées sont comparées aux champs de fluctuations résolues par différents modèles atmosphériques globaux. À la lumière des observations, différentes méthodes de paramétrisation des fluctuations de température sont discutées.Dans un second temps, l’influence des ondes équatoriales et de gravité sur la microphysique des cirrus est étudiée. On considère d’abord l’impact des ondes de gravité de haute fréquence sur la nucléation des cristaux de glace. La question du rôle des anomalies de vent vertical induites par les ondes de basse fréquence sur le transport de la glace est ensuite abordée et son impact quantifié à l’aide d’observations in situ. Enfin, on étudie la formation et l’évolution d’un cirrus de grande échelle à l’aide de simulations numériques. Parmi les différents processus en jeu (radiatifs,...), on montre l’importance d’une onde équatoriale de grande échelle dans la structuration et l’évolution du champ nuageux.Dans une dernière partie, les fluctuations de vents de petite échelle dans la TTL, interprétées comme de la turbulence, sont étudiées à partirdes observations avion de la campagne ATTREX au-dessus de l’océan Pacifique. Leur impact sur le transport vertical de différents traceurs est quantifié. Il est inférieur à l’impact de l’upwelling équatorial de grande échelle mais néanmoins significatif.

Atmospheric waves and turbulence and their impacts on cirrus clouds in the Tropical Tropopause Layer (TTL, 14-18 km altitude) are studied using in situ observations, numerical simulations and theoretical approaches.First, long-duration stratospheric balloon measurements are used to analyze Lagrangian temperature and vertical wind fluctuations induced by gravity waves at the tropical tropopause. The amplitude and intermittency of wave fluctuations are assessed, and the observations are compared with resolved wave fluctuations in atmospheric models. Methods to parameterize Lagrangian temperature fluctuations are then discussed.Then, some impacts of waves on cirrus clouds microphysics are examined. We first consider the influence of high frequency gravity waves on the ice nucleation process. Next, we explore the interplay between ice crystal sedimentation and advection by the wind perturbations induced by low frequency waves. At last, we use numerical simulations to investigate the formation of a large-scale cirrus in the TTL. We demonstrate the role of large-scale equatorial waves and quantify the relevance of different processes (dynamics, radiative heating,...) in the cloud evolution.Finally, small-scale wind fluctuations, interpreted as turbulent bursts, are characterized using aircraft measurements from the ATTREX campaign in the tropical Pacific. The impact of the fluctuations on vertical mixing and on the TTL tracer budget is quantified. The vertical transport induced by turbulent mixing is found to be smaller than that induced by mean tropical upwelling, but nonetheless significant.