Origines physiques des propriétés des systèmes convectifs méso-échelle et implications pour les événements à fort impact

Physical origins of the properties of mesoscale convective systems and implications for high impact events

• Auteur / Autrice : Sophie Abramian
• Direction : Caroline Jane Muller, Camille Risi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du climat, de l'atmosphère et des océans, terrestres et planétaire
• Date : Soutenance le 05/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• 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 : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Sabrina Speich
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Jane Muller, Camille Risi, Sabrina Speich, Pierre Gentine, Jean-Pierre Chaboureau, Sandrine Bony, Rémy Roca, Jan O. Härter
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Gentine, Jean-Pierre Chaboureau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Climatologie

Mots clés libres

Convection profonde

Précipitations extrêmes

Lignes de grains

Orages

Cloud resolving model

Machine learning

Isotopes

Deep convection

Extreme precipitation

Squall line

Storms

Cloud resolving model

Machine learning

Isotopes

Résumé

La convection atmosphérique fait référence aux mouvements d'air verticaux dans lesquels les nuages se forment, et on parle de convection profonde lorsque ces mouvements couvrent toute la hauteur de la troposphère. Quand la convection profonde s'organise, elle peut prendre diverses formes, dont celle de systèmes convectifs méso-échelle (MCSs) qui désignent des ensembles nuageux caractérisés par une échelle horizontale de l'ordre de la centaine de kilomètres, et d'une durée de vie de plusieurs heures. L'exemple le plus spectaculaire est sans doute le cyclone tropical, dont les vents en rotation sont parmi les plus forts de notre planète. Il en existe d'autres types, comme les lignes de grains qui décrivent un alignement d'orages sur plusieurs centaines de kilomètres. Ces systèmes convectifs méso-échelles sont à l'origine de la plupart des événements extrêmes tels que les fortes pluies et les crues soudaines. Pourtant, leur organisation reste peu comprise et donc peu prise en compte dans les estimations climatiques. Plus précisément, l'échelle caractéristique de la centaine de kilomètres des MCSs est inférieure à la résolution spatiale des modèles climatiques globaux, qui traitent donc les systèmes convectifs profonds comme des phénomènes sous-maille. Leur dynamique est alors calculée à l'aide de paramétrisation, c'est-à-dire d'un modèle réduit des équations des fluides. Cependant, du fait du manque de connaissances théoriques sur le développement de la convection, les modèles de paramétrisation actuels ne parviennent pas à anticiper la formation de phénomènes extrêmes et peinent à prédire leur évolution avec le réchauffement climatique. Cette barrière scientifique fait partie des grands défis énoncés par le Word Climate Research Program1 (WCRP) : Nuages, circulation et sensibilité climatique. Ce projet de thèse cherche 1) à clarifier les mécanismes physiques à l'origine de la formation des systèmes convectifs méso-échelle tropicaux sur océans, 2) à comprendre les précipitations extrêmes qui leur sont associées. Ce travail porte en particulier sur les lignes de grains, et s'appuie sur des simulations numériques, l'élaboration de modèles théoriques et la confrontation à des données d'observations satellitaires. À terme, l'objectif de cette thèse sera de contribuer à l'amélioration des modèles de paramétrisation de l'organisation de la convection dans les tropiques, et cherchera à déterminer si les lignes de grains vont devenir plus fréquentes et plus intenses avec le réchauffement climatique, et si oui pourquoi.

Atmospheric convection refers to the vertical air motions in which clouds form, and deep convection occurs when these motions cover the entire height of the troposphere. When deep convection is organized, it can take various forms, including mesoscale convective systems (MCSs), which are cloud clusters characterized by a horizontal scale of the order of a hundred kilometres, and a lifetime of several hours to days. The most spectacular example is probably the tropical cyclone, whose rotating winds are among the strongest on our planet. There are other types, such as squall lines, which describe a line of thunderstorms several hundred kilometres long. These mesoscale convective systems are responsible for most extreme events such as heavy rainfall and flash floods. However, their organization remains poorly understood and therefore little taken into account in climate estimates. More precisely, the characteristic scale of hundreds of kilometres of MCSs is lower than the spatial resolution of global climate models, which therefore treat deep convective systems as submesh phenomena. Their dynamics are then calculated using parametrisation, i.e. a reduced model of the fluid equations. However, due to the lack of theoretical knowledge on the development of convection, current parameterisation models are unable to anticipate the formation of extreme phenomena and have difficulty predicting their evolution with global warming. This scientific barrier is part of the major challenges set out by the Word Climate Research Program1 (WCRP): Clouds, circulation and climate sensitivity. This thesis project seeks 1) to clarify the physical mechanisms behind the formation of tropical oceanic mesoscale convective systems, 2) to understand the extreme precipitation associated with them. This work focuses in particular on squall lines, and is based on numerical simulations, the development of theoretical models and confrontation with satellite observations. In the long term, the objective of this thesis will be to contribute to the improvement of parameterization models of the organization of convection in the tropics, and will seek to determine if squall lines will become more frequent and intense with global warming, and if so why.