Observations du cycle de l'eau atmosphérique tropicale et de ses variations avec la température de surface de la mer, à l'aide d'une constellation de satellites

Observations of the tropical atmospheric water cycle and its variations with sea surface temperature using a constellation of satellites

• Auteur / Autrice : Erik Höjgård-Olsen
• Direction : Hélène Brogniez, Hélène Chepfer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, climat et observations spatiales
• Date : Soutenance le 27/11/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Bousquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Cornet, Jean-Pierre Chaboureau, Dominique Bouniol
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Céline Cornet, Jean-Pierre Chaboureau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Changements climatiques

Atmosphère

Régions tropicales

Cycle hydrologique

Mots clés libres

Le cycle de l'eau atmosphérique tropicale

Relations humidité/nuages/environnement

Télédétection active et passive

Rétroaction climatique

Température de surface de la mer

Tropical atmospheric water cycle

Humidity/cloud/environment relationships

Active and passive remote sensing

Climate feedback

Sea surface temperature

Résumé

L'atmosphère tropicale est un système complexe de processus dynamiques et thermodynamiques. A cela, s’ajoute un forçage radiatif dû aux gaz à effet de serre anthropiques et au réchauffement climatique qui en résulte. Les projections climatiques supposent souvent que le paramètre de rétroaction est constant dans le temps, de sorte que les changements de flux radiatif sont proportionnels aux changements de température de surface. En fait, les incertitudes de projections sont associées à la réponse du cycle de l’eau atmosphérique au réchauffement de la surface et motivent ainsi la nécessité de mieux comprendre les processus liant les nuages, la circulation de l’eau atmosphérique et le climat.Ce travail vise à améliorer notre compréhension de la co-variabilité des température de surface de la mer (SST), humidité relative (HR), nuages ​​et précipitations, à différentes échelles temporelles et spatiales dans la ceinture tropicale (30°N à 30°S). Il repose sur un ensemble unique de mesures de journée (13h30) de haute résolution verticale qui regroupe le profil HR, les caractéristiques des nuages ​​et les précipitations près de la surface fournis par le radiomètre micro onde SAPHIR, le lidar CALIOP et le radar CPR. Ces données ont une résolution horizontale de 1° par 1° et couvrent la période de 2012 à 2018. Elles sont associées aux champs de SST et de vitesse verticale de l'atmosphère des réanalyses ERA5.Cet ensemble de données a été exploré selon deux axes:(i) Le premier axe était focalisé sur la co-évolution des profils de HR, de la couverture nuageuse et de la SST, sous contrainte de circulation à grande échelle en exploitant l’échelle instantanée de variation. À notre connaissance, il s’agit d’une première analyse intégrant entièrement des observations de la réponse du cycle de l’eau atmosphérique tropicale à la SST à cette échelle. Des relations physiques sont établies pour les différents régimes de circulation de grande échelle, et leurs caractéristiques se maintiennent avec la variabilité naturelle du climat (comme El Niño-Southern Oscillation). Ainsi, le régime subsident est caractérisé par une troposphère libre sèche et une décroissance, avec l’augmentation de la SST, de la fraction de nuages opaque de phase liquide, et un refroidissement prévu par ciel clair avec SST. Le régime ascendant est caractérisé par des variations non linéaires de la fraction de nuages de phase glacée et d'HR de la troposphère avec un maximum autour d’une SST de 302 K, ce qui implique des impacts non linéaires sur les flux radiatifs.(ii) Le deuxième axe qui a été considéré portait sur l'hypothèse de facteurs de rétroaction invariants dans le temps aux échelles journalière, mensuelle, saisonnière et annuelle. Les taux de changement de l'humidité relative et des caractéristiques des nuages ​​avec la SST définis à l'échelle globale (océans tropicaux) sont comparés aux taux de changement calculés localement, sur chaque point de la grille. Ainsi, à l'échelle globale, les changements en profil de HR et en température des nuages de glace sont peu significatifs , tandis que la couverture de nuages opaques diminue et que l'altitude des nuages ​​de glace augmentent. Ces résultats suggèrent un renforcement du refroidissement radiatif de ciel clair avec la SST, alors que la température d'émission des nuages est invariante, ce qui est à la base de certaines hypothèses sur le fonctionnement de l’atmosphère tropicale. Ces résultats mettent en évidence des différences significatives en fonction de l'échelle de temps considérée, et qui peuvent ainsi être utilisés comme diagnostic pertinent pour l'évaluation des modèles climatiques. Une première analyse du modèle climatique de l’IPSL a été réalisée et souligne l'intérêt de tels diagnostiques basés sur des observations.

The tropical atmosphere is a complex system of dynamic and thermodynamic processes. Superimposed on these complexities is a radiative forcing due to anthropogenically emitted greenhouse gases and a resulting global warming. Climate projections often assume that the feedback parameter is constant in time, so that changes in radiative flux are proportional to changes in surface temperature. Projection uncertainties are associated with the atmospheric water cycle’s response to surface warming, and motivate the need to better understand processes linking clouds, circulation of atmospheric water and climate.This work aims to improve our understanding of the covariability of sea surface temperature (SST), relative humidity (RH), clouds and precipitation, on different temporal and spatial scales in the tropical belt (30°N-30°S). It relies on a unique synergistic dataset of high vertical resolution that measures the daytime (01:30 pm) RH profile, cloud characteristics and near-surface precipitation provided by the microwave radiometer SAPHIR, the CALIOP lidar and the CPR radar. This dataset has a 1° by 1° horizontal resolution and covers the time period 2012 to 2018. It is associated to SST and atmospheric vertical velocity fields of the ERA5 reanalysis.The synergistic dataset was explored along two scientific questions:(i) The first question concerned the instantaneous timescale and the co-evolution of RH profiles, cloud cover and SST, under large-scale circulation constraint. To our knowledge, this is the first comprehensive observational view of the tropical atmospheric water cycle’s response to SST on the instantaneous timescale. Different physical relationships are established for the different large-scale circulation regimes, and their characteristics are robust to natural variability (such as El Niño-Southern Oscillation). The descending regime is characterized by a dry free troposphere and decreasing opaque liquid cloud cover with SST, and an expected clear-sky cooling with SST. In contrast, the ascending regime is characterized by a nonlinear response in ice cloud cover and free-tropospheric RH with SST that peak around the 302 K SST, which likely induce nonlinear responses of the radiative fluxes.(ii) The second question addressed the assumption of timescale-invariant feedback factors on daily, monthly, seasonal and annual scales. Rates of changes of RH and cloud characteristics with SST defined on the global scale (tropical oceans) are compared to rates of changes computed on the grid box scale. On the global scale, negligible changes are observed in the RH profile with SST, opaque cloud cover decreases, and ice cloud altitudes rise with SST with little change in cloud temperature. These results suggest an enhanced clear-sky radiative cooling with SST, whilst cloud emission temperatures are invariant, as discussed in some assumptions on the tropical atmosphere. Overall, the results highlight significant differences according to the timescale considered for computing global scale rates of changes, which can be used as a strong diagnostic in the evaluation of climate models. Following this, a first analysis of the IPSL model was performed and shows the interest of such diagnostic based on observations.