Développement d'un paramétrage des nuages pour un modèle climatique avec le modèle local du climat PDF Download
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Author: Normand Gagnon
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Author: Normand Gagnon
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Author: Dimitra Konsta
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en français : Les modèles climatiques ont beaucoup progressé pour représenter les nuages. Pourtant la réponse et la rétroaction nuageuse demeure très différente d'un modèle à l'autre, et reste la principale source d'incertitude pour la sensibilité climatique prédite par les modèles de climat, et limite la fiabilité sur les projections du changement climatique dû au forçage anthropique. Il est donc crucial d'améliorer la représentation des processus nuageux dans les modèles climatiques. L'évaluation des nuages nécessite des observations précises. Jusqu'à récemment, des observations de plusieurs aspects fondamentaux des nuages comme la distribution tridimensionnelle des nuages existaient uniquement très grossièrement et obtenus de manière très indirecte par les satellites de télédétection passive (i.e. CERES, ERBE, ScaRab, ISCCP) qui mesurent les flux radiatifs au sommet de l'atmosphère. Les observations A-Train constituent des outils exceptionnels pour caractériser les propriétés nuageuses. L'objet de cette thèse est de tirer profit des observations de l'A-train afin d'évaluer la description des nuages simulée par les modèles climatiques. Nous utilisons le radiomètre CERES pour estimer l'effet radiatif des nuages, les radiomètres PARASOL et MODIS qui mesurent la réflectance, analysée ici comme un proxy de l'épaisseur optique des nuages et le lidar CALIPSO qui fournit des informations précises sur la distribution verticale des nuages. Les données co-localisées et analysées statistiquement constituent une occasion exceptionnelle de contraindre simultanément les propriétés radiatives des nuages et leur distribution tridimensionnelle. Le modèle du climat évalué est le LMDZ ainsi qu'une nouvelle version du modèle en cours de développement, où des nouvelles paramétrisations du bloc couche-limite/convection/nuages est testée. La méthode de comparaison des sorties des modèles climatiques aux grandeurs observées utilise d'une part le simulateur COSP (CFMIP Observation Simulator Package) qui comprend SCOPS, le simulateur lidar et le simulateur PARASOL et d'autre part les jeux des données (CFMIP-OBS) construits pour être compatibles avec les simulateurs. Nous étudions les propriétés nuageuses dans les tropiques par régime de circulation, et en classant les nuages par régions. Une nouvelle méthode a été développée : les observations sont analysées à haute résolution (spatiale et temporelle) au lieu des moyennes mensuelles et saisonnières utilisées habituellement afin de se placer à une échelle aussi proche que possible de celle des processus nuageux. Cette analyse a permis de contraindre les paramétrisations développées pour représenter les nuages et révéler des biais dans les deux versions du LMDZ. Des compensations d'erreurs ont été identifiées (i) sur la distribution verticale des nuages : la couverture nuageuse des nuages hauts et surestimée alors que les nuages bas et moyens sont significativement sous-estimés, (ii) entre la couverture nuageuse et l'épaisseur optique : la couverture nuageuse totale est sous-estimée mais les nuages qui se forment ont une épaisseur optique très élevée ce qui aboutit à une simulation correcte des flux au sommet de l'atmosphère par le modèle.
Author: Abderrazak Arif
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Author: Jérémie Burgalat
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Les travaux présentés dans ce manuscrit porte sur le développement d'un modèle microphysique (aérosols et nuages) utilisant un schéma à deux moments. La méthode est développée dans le cas spécifique de Titan et a pour but l'intégration de modèles microphysiques sophistiqués dans les modèles climatiques (GCM). Le premier chapitre présente l'atmosphère du satellite de Saturne et plus particulièrement les aérosols la composant. Les deux chapitres suivant sont consacrés respectivement aux lois microphysiques (coagulation, sédimentation, nucléation et condensation) ainsi que l'adaptation de ces lois à la représentation en moments. Le quatrième chapitre est dédié à la modélisation de ce schéma à deux moments dans le cadre de la microphysique des nuages. Des comparaisons sur les principaux champs d'intérêt (opacité et température) sont effectués entre la représentation « classique » et la représentation en moments. Le dernier chapitre de cette thèse présente différentes études menées avec le Modèle de Climat Global (GCM) de Titan développé à l'IPSL.
Author: Hervé Le Treut
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Pages : 545
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L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL EST L'ETUDE DU SYSTEME CLIMATIQUE ET DE SA VARIABILITE. IL S'ORGANISE SELON DEUX THEMES PRINCIPAUX. LE PREMIER EST LIE AU DEVELOPPEMENT DU MODELE DE CIRCULATION GENERALE ATMOSPHERIQUE DU L.M.D. L'ESSENTIEL DE CE TRAVAIL EST CONSACRE A LA MODELISATION DE LA COUVERTURE NUAGEUSE ET A LA DETERMINATION DE SON IMPACT SUR LE CLIMAT SIMULE PAR LE MODELE. LE BUT EST DE DEVELOPPER UN OUTIL QUI PERMETTE D'ETUDIER LES VARIATIONS DU CLIMAT A L'ECHELLE SAISONNIERE OU INTERANNUELLE ET D'EVALUER SA SENSIBILITE VIS A VIS DE PERTURBATIONS EXTERIEURES TELLES QU'AUGMENTATION DU CONTENU EN CO2 DE L'ATMOSPHERE, DEBOISEMENT, DESERTIFICATION,... PAR LA SUITE CES EXPERIENCES DEVRONT ETRE ENVISAGEES DANS LE CADRE DU SYSTEME GLOBAL OCEAN-ATMOSPHERE. CECI NECESSITERA EN PRINCIPE L'UTILISATION DE MODELES DE CIRCULATION GENERALE OCEANIQUE. NOUS DEFINISSONS ICI UN MODELE SIMPLE DES COUCHES SUPERFICIELLES DE L'OCEAN QUI PERMETTRA DES ETUDES PRELIMINAIRES DE L'INTERACTION OCEAN-ATMOSPHERE. LA DEUXIEME PARTIE DE LE THESE EST CONSACREE A L'ETUDE DU SYSTEME CLIMATIQUE A UNE ECHELLE DE TEMPS BEAUCOUP PLUS QUI EST CELLE DES AGES GLACIAIRES
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Une incertitude majeure dans la prévision numérique du climat provient des difficultés de représenter convenablement les nuages en phase mixte qui jouent un rôle important dans le processus de formation des précipitations (Wallace et Hobbs, 1977). De nombreuses études ont montré qu'il est nécessaire pour une représentation adéquate des effets indirects des aérosols et des processus microphysiques au sein des nuages, d'utiliser un schéma complet de la microphysique qui inclut d'une manière détaillée la phase glace (Senior et Mitchell, 1993; Lohmann et Feitcher, 1997). Blanchet et Girard (1995) ont montré que la modification des propriétés des nuages par les aérosols pourrait produire un forçage radiatif négatif de 9W/m2 dans l'infrarouge en considérant dans leur étude l'impact que pourrait avoir les aérosols de nature anthropique sur la microphysique des nuages mixtes et glacés en Arctique. L'interaction des aérosols avec les nuages de phase mixte et glacée est peu étudiée et donc moins connue. La compréhension de ces nuages dépend du mode d'action des noyaux glaçogènes qui est très complexe (Cooper, 1980), des caractéristiques physiques et chimiques des substances qui peuvent recouvrir ces noyaux. De plus, les techniques de mesures existantes ne permettent pas de bien caractériser ce type de nuage (Bigg, 1990; Vali, 1991; Rogers, 1993; Pruppacher et Klett, 1997). Dans ce travail de recherche, nous avons testé et évalué un nouveau paramétrage de la nucléation hétérogène de la glace élaboré par Khvorostyanov et Curry (2000) avec le modèle local du climat (LCM11) et comparé au paramétrage existant de Meyers et al. (1992) et à ce qui a été observé pendant la campagne de mesure SHEBA (Surface Heat Budget of Arctic). Le modèle local du climat (LCM11) est doté d'un schéma de nuages glacés qui simule les interactions entre les aérosols et les nuages, la formation de cristaux de glace et les précipitations. Le nouveau paramétrage de la nucléation hétérogène de la glace est f.
Author: Catherine Rio
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L’objectif principal de cette thèse est d’améliorer la représentation du cycle diurne des nuages convectifs dans les modèles de circulation générale atmosphérique grande-échelle. La sous-estimation des nuages bas, le déclenchement prématuré des précipitations convectives ainsi que leur arrêt prématuré en fin de journée sont des biais communs à la plupart des modèles de climat. L’amélioration de ces différents aspects passe notamment par une représentation plus réaliste des mouvements convectifs de la couche limite atmosphérique. Pour cela, les processus en jeu dans la turbulence de couche limite, la convection sèche et nuageuse, peu profonde et profonde, sont d’abord étudiés à l’aide d’observations et de simulations haute résolution. Cela permet d’établir les hypothèses à la base de la paramétrisation que l’on souhaite développer. Pour essayer de prendre en compte toutes les échelles de turbulence observées dans la couche limite convective, on combine à un schéma diffusif classique une paramétrisation en flux de masse représentant les structures cohérentes de la couche limite : le modèle du thermique nuageux. Le schéma est principalement testé dans une version unicolonne du modèle LMDZ, développé au Laboratoire de Météorologie Dynamique, sur des cas particuliers de convection continentale, sèche et nuageuse, peu profonde et profonde, et évalué à partir d’observations et de simulations haute résolution. La représentation explicite d’un panache ascendant entraînant et détraînant, ainsi que d’une subsidence compensatoire dans l’environnement, permet d’améliorer le cycle diurne de la couche limite et des cumulus qui se forment par beau temps. Cette meilleure représentation des nuages de couche limite a par ailleurs des répercussions sur le cycle diurne de la convection plus profonde associée aux orages et prise en compte par une paramétrisation indépendante. Le contrôle du déclenchement et de l’intensité de la convection profonde par les processus dits sous-jacents, de couche limite d’une part et liés à la formation de poches froides sous le système convectif précipitant d’autre part, permet de retarder le déclenchement des précipitations de plusieurs heures et de les maintenir plus tard dans la soirée. Enfin, les développements effectués sont adaptés à la représentation de la convection induite par les feux de biomasse dans les Tropiques. Initialisé par les caractéristiques des feux dans ces régions, le modèle du thermique nuageux devient celui du pyro-thermique nuageux, avec des panaches qui restent confinés dans la couche limite mais peuvent aussi percer jusqu’à la moyenne troposphère. Les différentes paramétrisations évoquées sont destinées à faire partie de la nouvelle version 3D de LMDZ, en vue des simulations climatiques à effectuer dans le cadre du prochain rapport du Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC).
Author: Jonathan Jalbert
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Pages : 120
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Les inondations constituent le risque naturel prédominant dans le monde et les dégâts qu'elles causent sont les plus importants parmi les catastrophes naturelles. Un des principaux facteurs expliquant les inondations sont les précipitations extrêmes. En raison des changements climatiques, l'occurrence et l'intensité de ces dernières risquent fort probablement de s'accroître. Par conséquent, le risque d'inondation pourrait vraisemblablement s'intensifier. Les impacts de l'évolution des précipitations extrêmes sont désormais un enjeu important pour la sécurité du public et pour la pérennité des infrastructures. Les stratégies de gestion du risque d'inondation dans le climat futur sont essentiellement basées sur les simulations provenant des modèles numériques de climat. Un modèle numérique de climat procure notamment une série chronologique des précipitations pour chacun des points de grille composant son domaine spatial de simulation. Les séries chronologiques simulées peuvent être journalières ou infrajournalières et elles s'étendent sur toute la période de simulation, typiquement entre 1961 et 2100. La continuité spatiale des processus physiques simulés induit une cohérence spatiale parmi les séries chronologiques. Autrement dit, les séries chronologiques provenant de points de grille avoisinants partagent souvent des caractéristiques semblables. De façon générale, la théorie des valeurs extrêmes est appliquée à ces séries chronologiques simulées pour estimer les quantiles correspondants à un certain niveau de risque. La plupart du temps, la variance d'estimation est considérable en raison du nombre limité de précipitations extrêmes disponibles et celle-ci peut jouer un rôle déterminant dans l'élaboration des stratégies de gestion du risque. Par conséquent, un modèle statistique permettant d'estimer de façon précise les quantiles de précipitations extrêmes simulées par un modèle numérique de climat a été développé dans cette thèse. Le modèle développé est spécialement adapté aux données générées par un modèle de climat. En particulier, il exploite l'information contenue dans les séries journalières continues pour améliorer l'estimation des quantiles non stationnaires et ce, sans effectuer d'hypothèse contraignante sur la nature de la non-stationnarité. Le modèle exploite également l'information contenue dans la cohérence spatiale des précipitations extrêmes. Celle-ci est modélisée par un modèle hiérarchique bayésien où les lois a priori des paramètres sont des processus spatiaux, en l'occurrence des champs de Markov gaussiens. L'application du modèle développé à une simulation générée par le Modèle régional canadien du climat a permis de réduire considérablement la variance d'estimation des quantiles en Amérique du Nord.
Author: Céline Planche
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Languages : fr
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La prévision quantitative des précipitations à l'aide des modèles météorologiques reste encore un grand défi posé à la communauté des sciences atmosphériques. En effet, deux problèmes majeurs sont généralement identifiés pour la prévision opérationnelle des précipitations et du climat : les interactions des systèmes précipitants avec le relief et avec la pollution. Cette thèse contribue à l'amélioration des prévisions de pluies. La stratégie adoptée est d'étudier des évènements précipitants en zones montagneuses en décrivant au mieux les interactions aérosol-nuage-précipitation à l'aide du modèle à microphysique mixte détaillée : DEtailed SCAvenging Model (DESCAM, Flossmann et Wobrock (2010)). Ce modèle utilise cinq distributions pour représenter les particules d'aérosol résiduelles et interstitielles ainsi que les gouttes et cristaux de glace. Le modèle a directement été comparé aux observations réalisées au cours de la campagne expérimentale COPS (Convective and Orographically induced Precipitation Study), qui a eu lieu pendant l'été 2007 à la frontière franco-allemande. En particulier, les simulations des pluies ont été comparées avec des observations de différents radars afin d'évaluer les performances du modèle mais aussi d'aider à l'interprétation des réflectivités de la bande brillante. La sensibilité par rapport à la pollution particulaire a été étudiée pour les propriétés des nuages et des précipitations. Pour les cas étudiés, plus le nombre des particules d'aérosol présentes dans l'atmosphère est important et plus leur solubilité est élevée, plus les précipitations au sol sont faibles. Ces comportements globaux peuvent toutefois être localement différents. Il existe donc des interactions plus complexes entre les particules d'aérosol, les nuages et les précipitations qui doivent être encore plus approfondies.
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Publisher: Pour la Science
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Category : Atmosphere
Languages : fr
Pages : 122
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