Evolution des propriétés des nuages opaques aux tropiques pendant le 21e siècle : impact de la dynamique atmosphérique, de la variabilité naturelle climatique et du forçage anthropique

Evolution of the opaque cloud properties in the tropics during the 21st century : impact of atmospheric dynamics, natural climatic variability and anthropogenic forcing

• Auteur / Autrice : Miguel Perpina
• Direction : Vincent Noël
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Aérologie (Toulouse ; 1983-....)
• Jury : Président / Présidente : Boris Dewitte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Noël, Marjolaine Chiriaco, Hélène Chepfer, Jean-Louis Dufresne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bernard Legras, Céline Cornet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circulation atmosphérique

2000-....

Régions tropicales

Nuages

Lidar

Mots clés libres

Lidar

Nuages

Climat

Lidar

Clouds

Climate

Résumé

La plus grande incertitude sur les prédictions climatiques vient de notre mauvaise compréhension de la façon dont les nuages réagiront à un climat plus chaud. Un enregistrement à long terme des détections de nuages par des capteurs actifs, tels que des lidars, permettra de mesurer la distribution verticale des nuages, l'une des propriétés les plus sensibles au réchauffement climatique. Dans cette thèse, nous regardons le futur des nuages opaques aux Tropiques en convection à l'aide de deux modèles climatiques et son observation par lidar spatial. Nous explorons, dans un premier temps, les interactions entre propriétés des nuages opaques, a priori sensibles au changement climatique, et les propriétés dynamique et thermodynamique de l'atmosphère dans les tropiques, dérivées d'observations issues d'un lidar spatial (CALIPSO-GOCCP), de réanalyses (ERA5) et de 2 modèles climatiques (CESM1 et IPSL-CM6). Les deux modèles surestiment la couverture nuageuse moyenne opaque. IPSL-CM6 met les nuages hauts opaques trop haut (+2km), surtout en ascendance. CESM1 surestime la couverture nuageuse opaque intermédiaire et sous-estime les petites et grandes couvertures nuageuses opaques. Les deux modèles s'accordent sur le fait que les propriétés des nuages se comportent différemment à une vitesse du vent supérieure (forte subsidence) ou inférieure (faible subsidence et ascendance) à +20hPa/jour. Dans le climat futur, nous constatons que les changements prédits des propriétés des nuages peuvent être déterminés au niveau régional par des changements dynamiques ou thermodynamiques, en fonction de la relation entre l'altitude des nuages opaques et ω_500 dans le modèle. Dans l'ensemble, la plupart des changements sont dus à des changements thermodynamiques dans la relation entre la propriété des nuages et la dynamique atmosphérique. Dans un second temps, nous étudions les tendances de ces propriétés des nuages opaques dans le futur et nous regardons comment les nuages opaques se comporteront lors d'événements climatiques tels que le phénomène El Niño. Nos résultats informeront les tentatives de contraindre l'évolution des nuages dans les prédictions des modèles de climat en les comparant aux observations.

The largest incertitude on climate predictions comes from our poor understanding of how clouds will react to a warmer climate. A long-term record of cloud detections by active sensors, such as lidars, will enable measuring the vertical distribution of clouds, one of the properties most sensitive to global warming. In this thesis, we look at the future of opaque clouds in the tropics in convection using two climate models and its observation by spatial lidar. We first explore the interactions between the properties of opaque clouds, a priori sensitive to climate change, and the dynamic and thermodynamic properties of the atmosphere in the tropics, derived from observations from a space lidar (CALIPSO-GOCCP), reanalyses (ERA5) and climate models (CESM1 and IPSL-CM6). IPSL-CM6 puts high opaque clouds too high (+2km), especially in ascendance. CESM1 overestimates the intermediate opaque cloud cover and underestimates small and large opaque cloud covers. Both models agree that cloud properties behave differently at wind speed above (strong subsidence) or below (weak subsidence and ascendance) 20hPa/day. In the future climate, we find that predicted changes of cloud properties can be regionally driven by dynamic or thermodynamic changes, depending on the relationship between opaque cloud altitude and ω_500 in the model. Overall, most changes are due to thermodynamic changes in the relationship between cloud property and atmospheric dynamics. Secondly, we study the trends of these properties of opaque clouds in the future and we look at how opaque clouds will behave during climatic events such as the El Niño phenomenon. Our results will inform attempts to constrain cloud evolution in climate model predictions by comparing them to observations.