Organisation de la convection profonde en lignes de grains : observations, simulations résolvant les nuages et représentation dans un modèle de climat global

Organization of deep convection into squall lines : observations, cloud-resolving simulations and modeling in a global climate model

• Auteur / Autrice : Malek Segueni
• Direction : Camille Risi
• 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 01/10/2024
• 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 : EMC3

Mots clés

Mots clés libres

Orages

Modélisation

Climat

Météorologie tropical

Storms

Modeling

Tropical meteorology

Climate

Résumé

Sous les tropiques, la plupart des pluies tombent sous forme d'orages, appelés systèmes convectifs. Le système convectif de base est un Cumulonimbus, d'une largeur d'environ 10 km. Mais la convection profonde peut aussi s'organiser en orages plus gros. En particulier, les lignes de grains forment des arcs de 100 à 1000 km de long, précédés de fronts de rafales et suivis d'une énorme enclume. Elles se propagent sur de grandes distances. Elles se développent généralement là où le cisaillement vertical du vent est fort, favorisant des interactions entre les vents de basse altitude et les poches froides qui se forment sous les orages du fait de l'évaporation de la pluie. Dans certaines régions tropicales comme le Sahel, les lignes de grains sont responsables de la plupart des précipitations. Les systèmes convectifs de longue durée, tels que les lignes de grains, sont responsables de la plupart des précipitations extrêmes sous les tropiques. Pourtant, les modèles climatiques globaux utilisés pour les projections climatiques ne représentent pas les lignes de grains. Bien que certains modèles climatiques représentent l'organisation de la convection profonde, l'impact sur l'organisation des conditions à grande échelle, telles que le cisaillement du vent, est soit rudimentaire, soit négligé. La représentation des lignes de grains devrait améliorer la simulation de la distribution, de la variabilité et des extrêmes des précipitations dans les régions tropicales telles que le Sahel ou l'Amazonie. Le but de ce projet est donc de : 1. mieux comprendre les processus physiques contrôlant l'organisation de la convection profonde en lignes de grains, et leur propagation une fois formées. Pour cela, on utilisera des simulations idéalisées résolvant les nuages à résolution kilométrique (Abramian et al 2022). Ensuite, la mesure dans laquelle ces facteurs s'appliquent dans des situations plus réalistes sera étudiée dans des simulations kilométriques globales ou à grand domaine (Stevens et 2019). Des algorithmes de suivi des systèmes convectifs et des poches froides seront utilisés (Fiolleau et Roca 2013, Rochetin et al 2021). 2. représenter les lignes de grains dans le modèle atmosphérique LMDZ, composante du modèle climatique global de l'IPSL. On s'appuiera sur la représentation existante des poches froides dans ce modèle (Grandpeix et Lafore 2010), et les développements récents pour représenter leur dynamique de population. A partir de l'analyse physique conduite dans l'objectif 1, l'impact du cisaillement du vent sur la dynamique des poches froides, l'organisation de la convection profonde et la propagation des lignes de grains sera implémenté dans le LMDZ. Les simulations seront évaluées par rapport aux observations, en particulier les systèmes convectifs suivis par satellite.

In the tropics, most rain falls in the form of thunderstorms, known as convective systems. The basic convective system is a Cumulonimbus, about 10km wide. But deep convection can also organize into larger clusters. In particular, squall lines are arc-shaped convective systems 100 to 1000 km long, often preceded by gust fronts and followed by a huge anvil. They propagate over large distances. They generally develop where vertical wind shear is strong, due to interactions between low-level winds and the cold pools forming beneath convective systems due to rain evaporation. In some tropical regions such as the Sahel, squall lines are responsible for most rainfall. Long-lived convective systems, such as squall lines, are responsible for most rainfall extremes in the tropics. Yet, state-of-the-art global climate models used for climat projections do not represent squall lines. Although some global climate models are emerging with some representation of the organization of deep convection, the impact of large-scale conditions such as wind shear, on organization is either rudimentary or neglected. The representation of squall lines should improve the simulation of precipitation distribution, variability and extremes in tropical regions such as the Sahel or the Amazon. The goal of this project is thus to : 1. better understand the physical processes controlling the organization of deep convection into squall lines, and their propagation once formed. With this aim, we will use idealized kilometer-scale cloud-resolving simulations (Abramian et al 2022). Then, the extent to which these factors apply in more realistic conditions will be investigated in large-domain or global cloud-resolving simulations (Stevens et 2019). Algorithms to track convective systems and cold pools beneath convective systems will be used (Fiolleau and Roca 2013, Rochetin et al 2021). 2. represent squall lines in the atmospheric LMDZ model, component of the IPSL global climate model. We will rely on the existing representation of cold pools in this model (Grandpeix and Lafore 2010), and recent developments to represent the population dynamics of cold pools. Based on the physical analysis from the first goal, the impact of wind shear on the cold pool dynamics, deep convective organization and the propagation of squall lines will be implemented in LMDZ. The simulations will be evaluated against observations, in particular convective systems tracked by satellite.