Qu'est-ce qui contrôle la distribution 3D de la composition isotopique de la vapeur d'eau en Asie de l'Est ?

What controls the 3D distribution of water vapor isotopic composition in East Asia?

• Auteur / Autrice : Di Wang
• Direction : Camille Risi, Lide Tian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Soutenance le 20/11/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Yunnan University (Kunming, Chine)
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Aymeric Spiga
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adriana Bailey, Peter Blossey, Franziska Aemisegger
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : David Noone, Hongxi Pang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vapeur d'eau atmosphérique

Asie du Sud-Est

Moussons

Convection (météorologie)

Isotopes

Eau

Mots clés libres

Isotopes de l'eau

Convection

Observations par drone

Processus nuageux

Processus convectifs

Water isotopes

Convection

Observations by UAV

Cloud processes

Convective Processes

Résumé

Contrairement aux carottes de glace polaires, les variations isotopiques dans les carottes de glace tibétaines compliquent l'interprétation des signaux de température. L'une des principales raisons est que dans les régions de mousson aux latitudes basses et moyennes, les isotopes de l'eau sont influencés par des processus convectifs et nuageux. Il est nécessaire de mieux comprendre le comportement des isotopes de l'eau et les contrôles dynamiques impliqués dans la transpiration et la convection de l'humidité. Des observations in situ à grande échelle et des profils verticaux des isotopes de la vapeur pendant la convection seraient utiles, mais ces données sont rares. Le but de cette thèse a été de documenter les variations horizontales, verticales et temporelles de la mousson d'Asie de l'Est. D’abord, afin de documenter les variations horizontales près de la surface et saisonnières de la composition isotopique stable de l’eau en Chine, nous avons effectué des observations in situ des isotopes de la vapeur d'eau sur une vaste région de la Chine (plus de 10 000 km) pendant les saisons de pré-mousson et de mousson, à l'aide d'un système de mesure des isotopes de la vapeur d'eau nouvellement conçu et installé sur un véhicule. Nous avons constaté que les variations spatiales de la vapeur δ18O sont principalement contrôlées par la distillation de Rayleigh le long des trajectoires des masses d'air pendant la saison de pré-mousson, et sont fortement influencées par différentes sources d'humidité, les processus de recyclage continental et la convection le long du transport de l'humidité pendant la saison de la mousson. Ces résultats donnent un aperçu de la distribution spatiale et de la variabilité saisonnière de la composition isotopique de l'eau en Asie de l'Est et de leurs facteurs de contrôle, et soulignent la nécessité d'interpréter les enregistrements proxy dans le contexte du système régional et des sources d'humidité. Ensuite, pour mieux comprendre les processus physiques qui contrôlent la distribution verticale des isotopes de la vapeur et sa variabilité intra-saisonnière et saisonnière, nous avons observé les profils verticaux des isotopes de la vapeur de l'atmosphère jusqu'à la haute troposphère (de la surface du sol à 3856 m jusqu'à 11000 m d'altitude) de juin à octobre dans le sud-est du plateau tibétain à l'aide d'un drone spécialement conçu à cet effet. Pour l’échantillonnage, nous avons utilisé des sacs d’air, mais avons rencontré des problèmes de perméabilité généralement associés à ces sacs. Pour corriger ces problèmes, nous avons développé un modèle de diffusion et en avons calibré les paramètres avec des expériences de laboratoire. Ceci nous a permis de documenter pour la première fois que la distribution verticale des isotopes de la vapeur d'eau atmosphérique pendant toute la période de la mousson jusqu'à la haute troposphère, avec une résolution verticale et une gamme d'altitudes sans précédent. Nous constatons que les profils verticaux de la composition isotopique de la vapeur d'eau reflètent une combinaison de processus à grande échelle, en particulier la convection profonde et le recyclage continental le long des trajectoires, et les processus convectifs locaux, en particulier le détrainement convectif et la sublimation des cristaux de glace. Les variations saisonnières et intra-saisonnières observées sont généralement cohérentes verticalement, en raison du fort mélange convectif vertical et du détrainement convectif local de la vapeur provenant des basses couches, et reflètent les variations de convection profonde le long des trajectoires.

Unlike polar ice core records, the isotope variations in Tibetan ice cores challenge the interpretation of temperature signals. One of the main reasons is that in monsoon regions at low and middle latitudes, water isotopes are influenced by convective and cloud processes. A deeper understanding of water isotope behavior and the dynamical controls involved in moisture transpiration and convection is needed. Large-scale in-situ observations and vertical profiles of vapor isotopes during convection would be helpful. However, such data are rare. The aim of this thesis was to document horizontal, vertical, and temporal variations in the isotopic composition of water in East Asian monsoon region. First, to document the horizontal and seasonal variations of water isotopes near the surface across China, we made in-situ observations of near-surface vapor isotopes over a large region (over 10000 km) across China in both pre-monsoon and monsoon seasons, using a newly-designed vehicle-based vapor isotope monitoring system. We found that the observed spatial variations of vapor δ18O are mainly controlled by Rayleigh distillation along air mass trajectories during the pre-monsoon period, but are significantly influenced by different moisture sources, continental recycling processes, and convection along moisture transport during the monsoon period. These results provide an overview of the spatial distribution and seasonal variability of water isotopic composition in East Asia and their controlling factors and emphasize the need to interpret proxy records in the context of the regional system and moisture sources. Second, to better understand the physical processes that control the vertical distribution of vapor isotopes and its intra-seasonal and seasonal variability, we observed the vertical profiles of atmosphere vapor isotopes up to the upper troposphere (from the ground surface at 3856m up to 11000m a.s.l.) from June to October in the southeastern Tibetan Plateau using a specially-designed unmanned-aerial-vehicle (UAV) system. For the sampling, we chose to carry air bags on UAVs as a portable sampling device, but encountered the permeability problem commonly associated with these bags. To corrected for this problem, we developed a diffusion model with diffusion parameters calibrated through laboratory experiments. This allows us to document for the first time the vertical distribution of atmospheric water vapor isotopes across the entire monsoon period up to the upper troposphere, boasting an unprecedented vertical resolution and altitude range. We find that the vertical profiles of water vapor isotopic composition reflect a combination of large-scale processes, in particular deep convection and continental recycling along trajectories, and local convective processes, in particular convective detrainment, and sublimation of ice crystals. The observed seasonal and intra-seasonal variations are generally vertically coherent, due to the strong vertical convective mixing and local convective detrainment of vapor originating from the low levels, and are mainly due to deep convection along trajectories.