Impact du chauffage diabatique des nuages de la haute troposphère sur la circulation atmosphérique générale et le climat

Impact of diabatic heating of upper tropospheric clouds on general atmospheric circulation and climate

• Auteur / Autrice : Xiaoting Chen
• Direction : Claudia Stubenrauch
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMD - Laboratoire de Météorologie Dynamique
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ABC(t)

Mots clés

Mots clés libres

Systèmes nuageux convectifs

Observations spatiales

Modélisation du climat

Climate modelling

Convective cloud systems

Satellite observations

Résumé

Les nuages de la haute troposphère représentent environ 60 % de la couverture nuageuse totale dans les régions tropicales. Ils modulent le bilan énergétique et le transport de chaleur de la Terre, affectant ainsi la circulation atmosphérique à grande échelle et le climat. Mais le rôle de la rétroaction de ces nuages est encore très incertain, comme l'a rapporté le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat. La convection profonde tropicale crée des systèmes nuageux avec des enclumes stratiformes de la taille de plusieurs milliers de km2. Des changements dans la convection atmosphérique en réponse au réchauffement climatique influent la structure et la quantité des nuages. Cela modifie alors le bilan énergétique de la Terre, provoquant un changement supplémentaire de la température de surface. Afin d'éclaircir notre compréhension sur les rétroactions des nuages de la haute troposphère, cette thèse a pour but principal de répondre à la question : Comment le chauffage diabatique de la convection tropicale et en particulier le chauffage radiatif des enclumes et des cirrus fins autour de la tour convective affectent-ils la circulation atmosphérique à grande échelle et comment au retour la circulation contraint-t-elle la convection et les précipitations? Les observations spatiales, accompagnées de nouvelles méthodologies, donnent une vue globale de ces nuages, sur une longue période. Grâce à leur excellente résolution spectrale, les sondeurs infrarouge (AIRS, IASI) sont sensibles au cirrus même à une faible émissivité. Une approche inédite d'analyser des systèmes de nuage permet de lier le noyau convectif aux propriétés de l'enclume et a été utilisée avec succès pour évaluer les schémas de glace dans le modèle climatique LMDZ (Stubenrauch et al. 2019). En associant multiples observations spatiales, des ré-analyses météorologiques et des techniques d'intelligence artificielle, nous sommes en train de créer une description complète tridimensionnelle de ces systèmes nuageux et de leur environnement atmosphérique (Stubenrauch et al. 2021). Cela inclut les taux de chauffage radiatif et latent ainsi que les zones de pluie dans les nuages de haute troposphère. Ces structures horizontales sont exploitées pour étudier les systèmes convectifs via un indice d'organisation convective. La thèse aboutit à la quantification de la réponse dynamique du système climatique au réchauffement atmosphérique par ces systèmes nuageux. Par conséquent, les taux de chauffages diabatiques (latent et radiatif) dérivés des observations seront utilisés pour forcer le système climatique et étudier les changements dynamiques tout en atteignant un nouvel équilibre. Pour des conditions climatiques typiques, stratifiées par la température de surface tropicale ou l'indice d'organisation convective, des simulations d'ensemble doivent être effectuées, avec des expériences qui, par exemple (1) excluent le chauffage latent ou (2) remplacent les taux de chauffage radiatifs des enclumes ou des cirrus minces autour par ceux des nuages bas ou du ciel clair. Enfin, la réponse dynamique aux gradients de chauffage et de refroidissement atmosphériques des différentes expériences, pendant le temps jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint, sera comparée pour quantifier la rétroaction dynamique. Ce sujet de recherche est au cœur du grand défi du Programme mondial de recherche sur le climat (WCRP) «Nuages, circulation et sensibilité du climat», et en particulier de l'initiative internationale sur les études d'évaluation des processus concernant les nuages dans la haute troposphère et la convection (https://gewex -utcc-proes.aeris-data.fr/).

Upper tropospheric (UT) clouds represent about 60% of the total cloud cover in the deep tropics. They modulate the Earth's energy budget and heat transport, thus affecting the large-scale atmospheric circulation and climate. Yet the role of UT cloud feedback is still highly uncertain, as reported by the Intergovernmental Panel on Climate Change. Tropical organized deep convection creates cloud systems with stratiform cirrus anvils of the size of several 1000's km2. When convection changes due to climate warming, cloud structure and amount will respond. This then alters the energy balance of Earth, causing an additional change of surface temperature. To unravel the feedbacks of the UT cloud systems, this thesis aims at answering the question: How does the diabatic heating of tropical convection and in particular the radiative heating of the anvils and surrounding thin cirrus affect the large-scale atmospheric circulation and how in turn does the circulation constrain convection and precipitation? Satellite observations along with novel methodologies are now able to provide a global three-dimensional description of these clouds over a long time period. Thanks to their excellent spectral resolution, Infrared Sounders (AIRS, IASI) are sensitive to cirrus, even with small emissivity. A cloud system approach allows to link convective core to anvil properties and has been successfully employed to evaluate bulk ice schemes in the LMDZ climate model (Stubenrauch et al., 2019). By combining multiple spaceborne observations and meteorological re-analyses along with artificial intelligence techniques, we are presently creating a complete three-dimensional description of these cloud systems and their atmospheric environment (Stubenrauch et al. 2021). This includes radiative and latent heating rates as well as rain areas within the UT clouds. This horizontally complete information is being exploited to study the convective systems via a convective organization index. The thesis leads to the quantification of the dynamical response of the climate system to atmospheric heating from these UT cloud systems. Therefore the observational diabatic (latent and radiative) heating rates will be used to force the climate system and study the dynamical changes while reaching a new equilibrium. For typical climate conditions, stratified by tropical surface temperature or convective organization index, ensemble simulations have to be performed, with experiments which for instance (1) exclude the latent heating or (2) replace the heating rates of cirrus anvils or surrounding thin cirrus by those of low-level clouds or clear sky. Finally the dynamical response to the gradients of atmospheric heating and cooling of the different experiments, during the time until equilibrium is reached, will be compared to quantify the dynamical feedback. This research subject is at the heart of the World Climate Research Programme (WCRP) Grand Challenge ‘Clouds, circulation and climate sensitivity', and in particular of the international initiative on Process evaluation studies on upper tropospheric clouds and convection (https://gewex-utcc-proes.aeris-data.fr/).