Dans le but d'étudier certains aspects dynamiques de la convection profonde atmosphérique, nous avons développé un modèle bidimensionnel axé sur le développement d'une cellule orageuse simple. Ce modèle considère des éléments de volume, où nous faisons l'hypothèse que les différents champs thermodynamiques sont homogènes. Ces volumes sont fixes dans l'espace et le temps et sont traversés par les flots d'air humide de sorte que leurs contenus varient au cours du temps. Durant ces évolutions l'eau subit des changements de phases. Ces phénomènes, simultanés dans la nature, sont représentés par un mécanisme à étapes successives dans le modèle. Une première étape se déroule en système ouvert: l'air circule pendant un pas de temps d'intégration entre les éléments de volume; l'air conserve ses propriétés pendant le déplacement. Les deux étapes suivantes se produisent dans chaque élément de volume considéré alors en système fermé et isolé: une première étape d'homogénéisation de l'air en pression et ensuite en température et enfin une étape de restauration de l'équilibre des phases de l'eau compte tenu de la nouvelle répartition des constituants et de leur état thermodynamique. Cette discrétisation du mécanisme d'évolution du contenu des éléments de volume nous permet d'utiliser les lois de la thermodynamique classique dans des systèmes ouverts. Ce mécanisme mène à une équation thermodynamique originale. Les autres équations du modèle sont les équations de l'hydrodynamique classique, les équations de la quantité de mouvement et de continuité. Pour l'intégration des équations, nous avons utilisé une méthode de filtrage numérique basée sur les transformations de Laplace, due à P. Lynch (1984) et adaptée à l'intégration par J. Van Isacker (1985). Au niveau du calcul, les champs de masse, de pression et des quantités de mouvement sont adaptés aux échanges de matières entre éléments de volume voisins à l'aide du processus d'intégration. Les équilibrages de phases interviennent comme ajustement du résultat de l'intégration. Ils modifient le défaut de balance hydrostatique qui sera minimisé au cours du pas d'intégration suivant grâce au filtrage de la méthode numérique. Les simulations réalisées à l'aide du modèle restituent de manière raisonnable les caractéristiques essentielles de la convection profonde atmosphérique. Nous avons utilisé le modèle pour étudier le développement d'un orage de masse d'air de manière plus approfondie. Ainsi, le développement initial, la croissance de la cellule convective, la formation de vortex ont été corrélés avec la structure de la flottabilité dans l'étude des mécanismes mis en oeuvre. Nous avons examiné les déplacements horizontaux et les accélérations verticales en termes de mélanges de masses d'air et des changements de phases qu'ils induisent. Dans l'étude de l'évolution des différentes formes d'énergie, cinétique, potentielle et interne et de leurs conversions, nous avons recherché les contributions dominantes à leurs variations et montré les rôles prépondérants joués par les processus de changement de phase et d'homogénéisation locale de la pression dans la variation de l'énergie interne. Dans l'examen de l'effet dynamique de la convection profonde sur le courant moyen, nous avons montré que, dans certains cas, nous avons non seulement transfert vertical d'énergie cinétique mais également création d'énergie cinétique du courant moyen. Le cumulonimbus peut dans certains cas agir comme moteur pour les mouvements atmosphériques à plus grande échelle.

Thunderstorms have been identified as an important component of the hydrological cycle on the Canadian Prairies, a region that is postulated to have the potential to exert a detectable influence on convective precipitation in the summer. However, very little work has been undertaken exploring and elucidating those aspects of biophysical forcing on the Canadian Prairies that affect lightning activity during the summer months, the constraints under which any linkages operate, and the mechanisms by which surface anomalies modify the structure and moisture content of the convective boundary layer (CBL) so as to modulate lightning activity. Evapotranspiration (ET) from the soil and vegetation canopy is known to be important for modulating the moisture content in the CBL, and this in turn has important implications for the initiation and intensity of deep, moist convection. The Second Generation Prairie Agrometeorological Model (PAMII) of Raddatz (1993) has been used extensively for the purpose of quantifying the evolution of soil moisture and ET in response to atmospheric drivers on the Canadian Prairies. However, the ability of PAMII to simulate the evolution of root-zone soil moisture and ET during the growing season has yet to be verified against a comprehensive set of in-situ observations. In this thesis, we address the above knowledge gaps using unique datasets comprising observed lightning flash data, satellite-derived Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) data, observed atmospheric soundings, in-situ soil moisture observations and estimates of daily ET from eddy-covariance systems. A thorough quantitative validation of simulations of root-zone soil moisture and ET from PAMII was undertaken against in-situ soil moisture measurements and ET from eddy-covariance systems at sites on the Canadian Prairies. Our analysis demonstrates that PAMII shows skill in simulating the evolution of bulk root-zone soil moisture content and ET during the growing season, and for contrasting summer conditions (i.e., wet versus dry). As part of the soil moisture validation, a novel multi-model pedotransfer function ensemble technique was developed to quantify the uncertainty in soil moisture simulations arising from errors in the specified soil texture and associated soil hydraulic properties. An innovative approach was used to explore linkages between the terrestrial surface and deep, moist convection on the Canadian Prairies, using datasets which avoid many of the problems encountered when studying linkages between soil moisture and thunderstorm activity. This was achieved using lightning flash data in unison with remotely sensed NDVI data. Specifically, statistical analysis of the data over 38 Census Agricultural Regions (CARs) on the Canadian Prairies for 10 summers from 1999 to 2008 provided evidence for a surface-convection feedback on the Canadian Prairies, in which drought tends to perpetuate drought with respect to deep, moist convection. The constraints in which such a feedback operates (e.g., areal extent and magnitude of the NDVI anomalies) were also identified. For example, our data suggest that NDVI anomalies and lightning duration are asymmetric, with the relationship between NDVI and lightning duration strengthening as the area and amplitude of the negative NDVI anomaly (less vegetation vigour) increases. Finally, we focused on how surface anomalies over the Canadian Prairies can condition the CBL so as to inhibit or facilitate thunderstorm activity, while also considering the role of synoptic-scale forcing on modulating summer thunderstorm activity. We focused on a CAR located over central Alberta for which observed lightning flash data, NDVI data, and in-situ sounding data were available for 11 summers from 1999 to 2009. Our analysis suggests that storms over this region are more likely to develop and are longer-lived or more widespread when they develop in an environment in which the surface and upper-air synoptic-scale forcings are synchronized. On days when a surface or upper-air feature is present, storms are more likely to be triggered when NDVI is much above average, compared to when NDVI is much below average. We propose a conceptual model, based almost entirely on observations, which integrates our findings to describe how a reduction in vegetation vigour modulates the partitioning of available energy into sensible and latent heat fluxes at the surface, thereby modulating the lifting condensation level heights, which in turn affect lightning duration.

Thunderstorms have been identified as an important component of the hydrological cycle on the Canadian Prairies, a region that is postulated to have the potential to exert a detectable influence on convective precipitation in the summer. However, very little work has been undertaken exploring and elucidating those aspects of biophysical forcing on the Canadian Prairies that affect lightning activity during the summer months, the constraints under which any linkages operate, and the mechanisms by which surface anomalies modify the structure and moisture content of the convective boundary layer (CBL) so as to modulate lightning activity. Evapotranspiration (ET) from the soil and vegetation canopy is known to be important for modulating the moisture content in the CBL, and this in turn has important implications for the initiation and intensity of deep, moist convection. The Second Generation Prairie Agrometeorological Model (PAMII) of Raddatz (1993) has been used extensively for the purpose of quantifying the evolution of soil moisture and ET in response to atmospheric drivers on the Canadian Prairies. However, the ability of PAMII to simulate the evolution of root-zone soil moisture and ET during the growing season has yet to be verified against a comprehensive set of in-situ observations. In this thesis, we address the above knowledge gaps using unique datasets comprising observed lightning flash data, satellite-derived Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) data, observed atmospheric soundings, in-situ soil moisture observations and estimates of daily ET from eddy-covariance systems. A thorough quantitative validation of simulations of root-zone soil moisture and ET from PAMII was undertaken against in-situ soil moisture measurements and ET from eddy-covariance systems at sites on the Canadian Prairies. Our analysis demonstrates that PAMII shows skill in simulating the evolution of bulk root-zone soil moisture content and ET during the growing season, and for contrasting summer conditions (i.e., wet versus dry). As part of the soil moisture validation, a novel multi-model pedotransfer function ensemble technique was developed to quantify the uncertainty in soil moisture simulations arising from errors in the specified soil texture and associated soil hydraulic properties. An innovative approach was used to explore linkages between the terrestrial surface and deep, moist convection on the Canadian Prairies, using datasets which avoid many of the problems encountered when studying linkages between soil moisture and thunderstorm activity. This was achieved using lightning flash data in unison with remotely sensed NDVI data. Specifically, statistical analysis of the data over 38 Census Agricultural Regions (CARs) on the Canadian Prairies for 10 summers from 1999 to 2008 provided evidence for a surface-convection feedback on the Canadian Prairies, in which drought tends to perpetuate drought with respect to deep, moist convection. The constraints in which such a feedback operates (e.g., areal extent and magnitude of the NDVI anomalies) were also identified. For example, our data suggest that NDVI anomalies and lightning duration are asymmetric, with the relationship between NDVI and lightning duration strengthening as the area and amplitude of the negative NDVI anomaly (less vegetation vigour) increases. Finally, we focused on how surface anomalies over the Canadian Prairies can condition the CBL so as to inhibit or facilitate thunderstorm activity, while also considering the role of synoptic-scale forcing on modulating summer thunderstorm activity. We focused on a CAR located over central Alberta for which observed lightning flash data, NDVI data, and in-situ sounding data were available for 11 summers from 1999 to 2009. Our analysis suggests that storms over this region are more likely to develop and are longer-lived or more widespread when they develop in an environment in which the surface and upper-air synoptic-scale forcings are synchronized. On days when a surface or upper-air feature is present, storms are more likely to be triggered when NDVI is much above average, compared to when NDVI is much below average. We propose a conceptual model, based almost entirely on observations, which integrates our findings to describe how a reduction in vegetation vigour modulates the partitioning of available energy into sensible and latent heat fluxes at the surface, thereby modulating the lifting condensation level heights, which in turn affect lightning duration.

The strength of the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) is believed to be associated with changes in surface buoyancy in the subpolar North Atlantic, which naturally leads to a notion that the AMOC has been weakening under global warming. Yet, a variety source of observations and its assimilation into ocean circulation models have not supported such an AMOC decline so far. In this study, an aspect that has not been paid attention, regarding the maintenance of the AMOC strength, is explored: storm activity in the subpolar North Atlantic (NA). An analysis using reanalysis data shows that the wintertime turbulent heat flux variability in the LS deep convection region is largely controlled by a small number of extreme heat flux event days, suggesting a pivotal role of winter storms in prompting LS deep-water formation. A set of forced ocean-ice model simulations, in which synoptic winter storm activity associated with these event days is either suppressed or doubled over the subpolar NA, confirms the above analysis as the altered storm activity results in a substantial change in LS convection and the AMOC strength. These experiments also show an upward AMOC trend during the late twentieth century, the degree of which is to some extent related to the intensity of storm activity in the LS. The upward AMOC trend found in the first part of the dissertation opposes to a downward AMOC trend in the twentieth century coupled model simulations employing the identical ocean component. An analysis suggests that contrast to the ocean-ice model, storm activity in the LS convection region and associated heat flux decreases during the late twentieth century. Although there is also a buoyancy increase over the LS, the wintertime heat flux decrease appears to be a more dominant factor for a decrease in convection in the LS, as an increasing freshwater input from Arctic/Subarctic Ocean bypasses the interior LS along the western boundary current. Therefore, the downward AMOC trend in the coupled model can be linked ultimately to the decreasing storm activity over the LS. This study therefore suggests that storm activity over the major convection regions needs to be paid further attention in assessing AMOC variations, including long-term trend in response to a warming scenario, in future studies.

Les modèles de prévision opérationnelle du temps résolvent numériquement les équations de la mécanique des fluides en calculant l'évolution de champs (pression, température, humidité, vitesses) définis comme moyennes horizontales à l'échelle des mailles d'une grille (et à différents niveaux verticaux). Les processus d'échelle inférieure à la maille jouent néanmoins un rôle essentiel dans les transferts et les bilans de chaleur, humidité et quantité de mouvement. Les paramétrisations physiques visent à évaluer les termes de source correspondant à ces phénomènes, et apparaissant dans les équations des champs moyens aux points de grille. Lorsque l'on diminue la taille des mailles afin de représenter plus finement l'évolution des phénomènes atmosphériques, certaines hypothèses utilisées dans ces paramétrisations perdent leur validité. Le problème se pose surtout quand la taille des mailles passe en dessous d'une dizaine de kilomètres, se rapprochant de la taille des grands systèmes de nuages convectifs (systèmes orageux, lignes de grain). Ce travail s'inscrit dans le cadre des développements du modèle à mailles fines ARPÈGE ALADIN, utilisé par une douzaine de pays pour l'élaboration de prévisions à courte échéance (jusque 48 heures). Nous décrivons d'abord l'ensemble des paramétrisations physiques du modèle. Suit une analyse détaillée de la paramétrisation actuelle de la convection profonde. Nous présentons également notre contribution personnelle à celle ci, concernant l'entraînement de la quantité de mouvement horizontale dans le nuage convectif. Nous faisons ressortir les principaux points faibles ou hypothèses nécessitant des mailles de grandes dimensions, et dégageons les voies pour de nouveaux développements. Nous approfondissons ensuite deux des aspects sortis de cette discussion: l'usage de variables pronostiques de l'activité convective, et la prise en compte de différences entre l'environnement immédiat du nuage et les valeurs des champs à grande échelle. Ceci nous conduit à la réalisation et la mise en œuvre d'un schéma pronostique de la convection profonde. A ce schéma devraient encore s'ajouter une paramétrisation pronostique des phases condensées suspendues (actuellement en cours de développement par d'autres personnes) et quelques autres améliorations que nous proposons. Des tests de validation et de comportement du schéma pronostique ont été effectués en modèle à aire limitée à différentes résolutions et en modèle global. Dans ce dernier cas l'effet du nouveau schéma sur les bilans globaux est également examiné. Ces expériences apportent un éclairage supplémentaire sur le comportement du schéma convectif et les problèmes de partage entre la schéma de convection profonde et le schéma de précipitation de grande échelle. La présente étude fait donc le point sur le statut actuel des différentes paramétrisations du modèle, et propose des solutions pratiques pour améliorer la qualité de la représentation des phénomènes convectifs. L'utilisation de mailles plus petites que 5 km nécessite enfin de lever l'hypothèse hydrostatique dans les équations de grande échelle, et nous esquissons les raffinements supplémentaires de la paramétrisation possibles dans ce cas.

Factors governing the efficiency of convective moistening in the tropical upper troposphere between 15

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L'étude de la circulation générale de la Méditerranée Nord-occidentale et du couplage entre la dynamique océanique et les cycles biogéochimiques sont abordés dans ce travail de thèse. De très nombreuses données \textit{in situ} ont été collectées durant la dernière décennie dans cette région grâce notamment à des plateformes d'observation autonomes (gliders, mouillages et flotteurs Argo ). Les différentes phases de la convection profonde (préconditonnement, mélange vertical, restratification) dominant la variabilité saisonnière de l'océan peuvent ainsi être étudiées en détail. La circulation générale et les variations hydrographiques des masses d'eau du bassin sont décrites aux échelles saisonnière et interannuelle. Cela offre un contexte pour l'étude de la dynamique verticale de sousmésoéchelle dans les zones frontales et au sein de la zone de mélange. Les tourbillons cohérents responsables de l'étalement des eaux profondes et intermédiaires à l'échelle du bassin sont enfin caractérisés. L'impact de ces différents processus sur les cycles biogéochimiques est également analysé. / In this thesis, we study the general circulation of the northwestern Mediterranean Sea and the impact of the ocean dynamics on the biogeochemical cycles. In the last decade, lots of in situ observations have collected in this region thanks to the emergence of autonomous platforms (Argo profiling floats and gliders). The different phases of the deep convection (preconditionning, vertical mixing, restratifiaction) driving the oceanic seasonal variability are thoroughly studied. The general circulation and the water mass variability of the basin are examined at interannual and seasonal scales. The vertical dynamics of frontal zones and within the mixed patch are analyzed. The basin-scale spreading of deep and intermediate waters by coherent vortices is eventualy characterized. The impacts of these processes on the biogeochemical cycles are also investigated.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第19505号 / 理博第4165号 / 新制||理||1598(附属図書館) / 32541 / 京都大学大学院理学研究科地球惑星科学専攻 / (主査)教授 津田 敏隆, 教授 石川 裕彦, 教授 余田 成男 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Une étude de sensibilité aux échelles kilométriques et hectométriques de simulations idéalisées de convection profonde montre qu’une résolution horizontale minimale de 1 km est nécessaire pour commencer à bien représenter les structures convectives et qu'il faut améliorer la turbulence dans les nuages convectifs. Une simulation LES (50 m de résolution) d'un nuage convectif profond permet d’obtenir les flux turbulents de référence, dégradés ensuite à différentes résolutions (2, 1 et 0.5 km), et d'évaluer ainsi la paramétrisation actuelle de la turbulence au sein des nuages convectifs. Les défauts mis en évidence sont une énergie cinétique turbulente insuffisante, liée à une sous-estimation de la production thermique notamment dans des zones à contre-gradient, et des vitesses verticales trop fortes. Une paramétrisation alternative de certains flux turbulents, basée sur des gradients horizontaux, montre une meilleure partition entre mouvements résolus et sous-maille à 1 km de résolution. / The purpose of adaptive observation (AO) strategies is to design optimal observation networks in a prognostic way to provide guidance on how to deploy future observations. The overarching objective is to improve forecast skill. Most techniques focus on adding observations. Some AO techniques account for the dynamical aspects of the atmosphere using the adjoint model and for the data assimilation system (DAS), which is usually either a 3D or 4D-Var (ie. solved by the minimization of a cost function). But these techniques rely on a single (linearisation) trajectory. One issue is to estimate how the uncertainty related to the trajectory aects the eciency of one technique in particular : the KFS. An ensemble-based approach is used to assess the sensitivity to the trajectory within this deterministic approach (ie. with the adjoint model). Experiments in a toy model show that the trajectory uncertainties can lead to signicantly diering deployments of observations when using a deterministic AO method (with adjoint model and VDAS). This is especially true when we lack knowledge on the VDAS component. During this work a new tool for observation targeting called Variance Reduction Field (VRF) has been developed. This technique computes the expected variance reduction of a forecast Score function that quanties forecast quality. The increase of forecast quality that is a reduction of variance of that function is linked to the location of an assimilated test probe. Each model grid point is tested as a potential location. The VRF has been implemented in a Lorenz 96 model using two approaches. The rst one is based on a deterministic simulation. The second approach consists of using an ensemble data assimilation and prediction system. The ensemble approach can be easily implemented when we already have an assimilation ensemble and a forecast ensemble. It does not need the use of the adjoint model. The implementation in real NWP system of the VRF has not been conducted during this work. However a preliminary study has been done to implement the VRF within OOPS (2013 version). After a description of the different components of OOPS, the elements required for the implementation of the VRF are described.