De nombreux travaux indiquent qu’il est important d’étudier les impacts physico-chimiques de la convection profonde tropicale. Nous avons utilisé le modèle méso-échelle 3D non-hydrostatique CATT-BRAMS pour étudier le transport de traceurs dans la troposphère tropicale au-dessus de l’Amérique du Sud. J’ai effectué une validation de l’outil en complément d’une étude en saison sèche et dans les basses couches menée au CPTEC (Brésil). Les résultats obtenus dans ces travaux indiquent un comportement météorologique globalement correct. Le transport en résultant montre une sur-estimation du transport d’espèces chimiques dans la moyenne troposphère et une sous-estimation dans la haute troposphère. Cela vient d’un déclenchement trop fréquent de la convection restreinte, de la paramétrisation de la convection profonde et de la représentation de leurs interactions. Une adaptation du modèle pour la saison humide est nécessaire. A l’échelle locale des difficultés venant d’une sensibilité importante de la paramétrisation au relief sont rencontrées. Le CATT-BRAMS évolue vers un modèle avec chimie, le C-CATT-BRAMS. Les premiers résultats obtenus indiquent un fort impact de l’initialisation et des conditions aux limites pour les espèces NO et O3. Quelques soient l’initialisation ou les conditions aux limites utilisées, on observe une augmentation du rapport de mélange de ces espèces au cours du temps. Cela peut provenir d’une sur-estimation des émissions `a la surface dans le modèle, en particulier pour les méga-cités. Il est important de poursuivre la validation de cet outil afin de pouvoir étudier l’impact physico-chimique de la convection profonde tropicale avec ce modèle. / Many works show it is important to study the phyical and chemical impacts of tropical deep convection. We used the 3D mesoscale non-hydrostatic model CATT-BRAMS to study the tracers transport in the tropical troposphere above South America. I validated the tool parallel to a study done in CPTEC (Brazil) for the dry season and in the lower troposphere. The results obtained in this work indicate a globaly correct meteorological behaviour. The associated transport show an over estimation of the chemical species transport in mid-troposphere and an under estimation in the upper troposphere.This comes from a to frequent triggering of shallow convection, from the deep convection scheme and from the representation of their interactions. An adaptation of the model for the wet season is necessary. At local scale, difficulties because of a high deep convection scheme sensitivity to the orography are encountered. The CATT-BRAMS model evolve to a model with chemistry, the C-CATT-BRAMS. The first results obtained indicate a strong impact of initialisation and boudary conditions on species NO and O3. Whatever be the initialisation or the boundary conditions, we observe an increase of the mixing ratio along time for these species. This can come from an over estimation of surface emissions in the model, especialy for megacities. It is important to continue the validation of this tool in order to be able to study the physical and chemical impacts of tropical deep convection with this model.

Deep-water formation supplies oxygen-rich water to the deep sea, spreading throughout the ocean via the global thermohaline circulation. Models suggest that gases in newly formed deep-water do not come to equilibrium with the atmosphere. However, direct measurements during wintertime convection are scarce, and the controls over the extent of this disequilibria are poorly quantified. Here we show that oxygen is consistently undersaturated at -6.3% to -7.6% in the Labrador Sea at the end of convection, when convection reaches deeper than 800 m. Deeper convection resulted in greater undersaturation while convection lasting later in the year resulted in values closer to equilibrium, from which we produce a predictive relationship. We use dissolved oxygen data from six profiling Argo floats in the Labrador Sea between 2003 to 2016, allowing direct observations of wintertime convection. Four of the six optode oxygen sensors displayed in situ drift of -2.98 μmol O2 kg-1 year-1 on average, which we corrected to stable deep-water oxygen values from repeat hydrography. Observations of low oxygen intrusions during restratification and a simple mixing calculation demonstrate that lateral processes act to lower the oxygen inventory of the central Labrador Sea. This suggests that the Labrador Sea is a net sink for atmospheric oxygen, but uncertainties in parameterizing gas exchange limit our ability to quantify the net uptake. Our results constrain the initial oxygen concentration of Labrador Sea Water and allow more precise estimates of oxygen utilization and nutrient regeneration in this water mass. / Graduate

Ce travail de thèse vise à améliorer la compréhension du mécanisme de transport des parcelles d'air nuageuses dans la tropopause tropicale (TTL). Les sommets des nuages convectifs profonds sont déterminés à partir des données de température de brillance CLAUS. Un bon accord statistique entre les trajectoires, intégrées en avant et en arrière dans le temps entre ces sommets et la surface 380K, a été obtenu entre 2005 et 2008. La contribution verticale des sources convectives et les temps de transit associés à chaque sous-régions tropicales ont été quantifiés. Tout au long de l'année, environ 85% des parcelles tropicales à 380K proviennent d'un sommet de nuage convectif. De novembre à avril, les sources de la warm pool prédominent et contribuent jusqu'à 70% du flux de masse ascendant. Durant l'été, la région de la mousson asiatique est le plus grand contributeur. Les régions océaniques et continentales asiatiques contribuent similairement mais les propriétés de transit diffèrent significativement. Le plateau Tibétain, faible contributeur, est la région pour laquelle l'impact de la convection à 380K est la plus importante. Les différences de taux de chauffage entre les réanalyses impacte le transport. Les propriétés de transit sont très largement expliquées par un simple modèle régional unidimensionnel soulignant l'importance de la proximité du niveau de chauffage radiatif nul. / This work aims to improve understanding of the cloudy air transport mechanism in the tropical tropopause layer (TTL). Deep convective clouds tops are determined from brightness temperature provided by CLAUS dataset. A good statistical agreement is obtained over the period 2005-2008, between forward and backward trajectories, integrated between these clouds tops and the 380K surface. This agreement allowed to quantify the vertical contribution of convective sources and their transit time for each tropical sub-regions. Throughout the year, about 85% of the tropical parcels at 380K originate from convective sources. From November to April, the warm pool sources dominate and account for up to 70% of the upward flux. During summer, Asian monsoon region is the largest contributor with similar contributions from oceanic regions and Asian mainland. However, the transit properties differ significantly. The Tibetan plateau, although a minor contributor, is the region with the highest impact of convection at 380K. The differences in heating rates between reanalysis impact the transport.Transit properties can be largely explained by a simple one-dimensional regional model emphasizing the importance of proximity of the level of zero radiative heating rate.

Several studies suggest that deep convection that penetrates the tropical tropopause layer may influence the long-term trends in lower stratospheric water vapor. This thesis investigates the relationship between penetrating deep convection and lower stratospheric water vapor variability using historical infrared (IR) observations. However, since infrared observations do not directly resolve cloud vertical structure and cloud top height, and there has been some debate on their usefulness to characterize penetrating deep convective clouds, CloudSat/Calipso and Aqua MODIS observations are first combined to understand how to best interpret IR observations of penetrating tops. The major findings of the combined CloudSat/Calipso and Aqua MODIS analysis show that penetrating deep convection predominantly occur in the western tropical Pacific Ocean. This finding is consistent with IR studies but is in contrast to previous radar studies where penetrating deep convective clouds predominantly occur over land regions such as equatorial Africa. Estimates on the areal extent of penetrating deep convection show that when using IR observations with a horizontal resolution of 10 km, about two thirds of the events are large enough to be detected. Evaluation of two different IR detection schemes, which includes cold cloud features/pixels and positive brightness temperature differences (+BTD), show that neither schemes completely separate between penetrating deep convection and other types of high clouds. However, the predominant fraction of +BTD distributions and cold cloud features/pixels ≤ 210 K is due to the coldest and highest penetrating tops as inferred from collocated IR and radar/lidar observations. This result is in contrast to previous studies that suggest the majority of cold cloud features/pixels ≤ 210 K are cirrus/anvil cloud fractions that coexist with deep convective clouds. Observations also show that a sufficient fraction of penetrating deep convective cloud tops occur in the extratropics. This provides evidence that penetrating deep convection should be documented as a pathway of stratospheric-tropospheric exchange within the extratropical region. Since the cold cloud feature/pixel ≤ 210 K approach was found to be a sufficient method to detect penetrating deep convection it was used to develop a climatology of the coldest penetrating deep convective clouds from GridSat observations covering years 1998-2008. The highest frequencies of the coldest penetrating deep convective clouds consistently occur in the western-central Pacific and Indian Ocean. Monthly frequency anomalies in penetrating deep convection were evaluated against monthly anomalies in lower stratospheric water vapor at 82 mb and show higher correlations for the western-central Pacific regions in comparison to the tropics. At a lag of 3 months, the combined western-central Pacific had a small but significant anticorrelation, where the largest amount of variance explained by the combined western-central Pacific region was 8.25%. In conjunction with anomalies in the 82 mb water vapor mixing ratios, decreasing trends for the 1998-2008 period were also observed for tropics, the western Pacific and Indian Ocean. Although none of these trends were significant at the 95% confidence level, decreases in the frequency of penetrating deep convection over the 1998-2008 shows evidence that could explain in part some of the 82 mb lower stratospheric water vapor variability.

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).<p><p>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.<p><p>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).<p><p>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).<p><p>Nous décrivons d'abord l'ensemble des paramétrisations physiques du modèle.<p>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.<p>Nous faisons ressortir les principaux points faibles ou hypothèses nécessitant des mailles de grandes dimensions, et dégageons les voies pour de nouveaux développements.<p>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.<p>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.<p>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.<p>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.<p><p>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.<p><p>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.<p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le changement climatique est relié à l’évolution de la composition chimique de l’atmosphère et de sa capacité oxydante, impliquant le système COV-NOy-HOx-O3. La troposphère tropicale, de l’Afrique de l’Ouest en particulier, joue un rôle critique sur la composition atmosphérique globale pour trois raisons majeures : (1) l’existence d’importantes sources de précurseurs d’espèces photooxydantes, (2) une photochimie active, (3) une activité convective intense en période de mousson. Pour évaluer son rôle, il est nécessaire de bien caractériser ces différents processus et leur interaction. Cette question est au coeur du programme international AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) dans lequel s’inscrit cette thèse. Ce travail a pour objectif de caractériser et d’évaluer l’impact de la convection nuageuse profonde sur la chimie photooxydante de la troposphère libre en Afrique de l’Ouest, en particulier pour les composés organiques volatils (COV), qui sont d’importants précurseurs d’ozone. Ce travail s’appuie sur les données physico-chimiques recueillies sur les deux avions de recherche français au cours de la campagne d’observation intensive de l’été 2006 de AMMA. Afin de compléter le dispositif instrumental embarqué, une nouvelle instrumentation de mesure indirecte des COV a été d’abord développée. Puis, l’utilisation de traceurs physico-chimiques et la mise en place d’outils diagnostiques appliqués aux COV (profils verticaux de concentrations, rapport de concentration de COV ad hoc, horloge photochimique, réactivité totale vis-à-vis de OH) ont montré que la convection profonde assure un transport vertical rapide et efficace des espèces gazeuses réactives émises près de la surface vers la haute troposphère. Enfin, un modèle photochimique de boîte 0D a permis de renseigner l’évolution de la composition chimique des masses d’air post-convectives. Les simulations montrent que les espèces transportées par la convection participent activement à la chimie et conduisent à une production nette et significative d’ozone dans la haute troposphère. La sensibilité de la production d’ozone aux précurseurs gazeux (COV et NOx) a été également évaluée. / Recent climatic change is tightly linked to the evolution of the chemical composition of the atmosphere and its oxidizing capacity through VOC-NOy-HOx-O3 system. The tropical troposphere, in particular of West Africa, plays a major role in the global atmospheric composition for three major reasons: (1) the existence of important ozone precursor sources, (2) an active photochemistry, (3) an intense convective activity during the monsoon period. To evaluate its role, it is necessary to characterize these processes and their interactions. This is one of the main objectives of the AMMA (African Monsoon Multidisciplinary Analyzes) international program. The present work goes through the frame of AMMA. Its main objective is to characterize and evaluate deep convection impact on the upper troposphere chemistry of West Africa, in particular for volatile organic compounds (VOC). This work is based on the data collected on the two French research aircrafts during the special observation period of AMMA in summer 2006. In order to enhance the instrumental device deployed onboard, a new offline instrumentation for non-methane hydrocarbons (NMHC) measurement was developed. Then, various physical and chemical tracers and several diagnostic tools applied to VOC data (vertical profiles, concentration ratios, photochemical clock, OH reactivity) showed that deep convection provides a fast and effective vertical transfer of reactive species emitted near the surface to the upper troposphere. At last, a photochemical box model 0D was used to simulate the chemical evolution of the composition of postconvective air masses. Simulations showed that reactive species transported by deep convection participate actively to the upper troposphere chemistry and lead to a significant and net ozone production. Ozone production sensitivity to VOC and NOx was also evaluated in the model.

Les évènements de convection profonde sont importants car ils forment les masses d'eau intermédiaires et profondes qui nourrissent la circulation globale. La mer du Labrador, qui forme la Labrador Sea Water (LSW), est le site le plus documenté de l'océan Atlantique Nord. La mer d'lrminger a également été citée mais n'est pas entièrement reconnue à cause du manque d'observations directes. Cette thèse fournit la première description de la convection profonde en mer d'lrminger à l'échelle du bassin grâce aux données Argo. Trois évènements de convection se sont produits en mer d'lrminger depuis 2010. Au cours de l'hiver 2O11-2O12, la convection atteint 1000 m et est expliquée par la séquence d'apparition des tip jets groenlandais.La convection de l'hiver 2O13-2O14, qui atteint 1300 m, est caractérisée par un préconditionnement particulièrement important et un forçage par les tip jets faible. La convection de l'hiver 2O14-2O15, qui atteint 1700 m, montre des tip jets très nombreux et persistants. L'advection de LSW provenant de la mer du Labrador explique les profondeurs exceptionnelles observées au cours de ces deux derniers hivers. Les résultats montrent que la convection n'est pas rare en mer d'lrminger et qu'elle joue un rôle non négligeable sur l'équilibre climatique. / The deep convection events are important because they form the intermediate and deep water masses feeding the global circulation. The Labrador Sea is the main site of deep convection in the North Atlantic Ocean and produces the intermediate Labrador Sea Water (LSW). The lrminger Sea was also cited but was forgotten during decades because of the lack of direct observations. This thesis provides the first description of the lrminger Sea deep convection at basin scale, thanks to the Argo data. Three convective events occurred in the lrminger Sea since 2010. During the 2011-2012 winter, the convection reached 1000 m and is explained by the sequence of the Greenland tip jets. The event of the 2O13-2O14 winter, reaching 130O m, is characterized by a strong preconditioning and a weak forcings by the Greenland tip jets.The convection event of the 2O14-2015 winter, reaching 1700 m, shows many of persistant tip jets. The advection of LSW from the Labrador Sea explains the deepest mixed layers observed during the last two winters. The results show that deep convection in the lrminger Sea is not a rare isolated event and plays a significant role on the climate balance.

La Méditerranée Nord-Occidentale, ou bassin Liguro-Provençal, est l'un des rares sièges de la convection océanique profonde. Ce phénomène localisé et intermittent est l'un des principaux modes d'interaction de l'océan profond avec le système climatique. Il est d'une importance primordiale pour la redistribution verticale de chaleur, de dioxyde de carbone et d'éléments biogéochimiques par l'océan, et donc pour le climat et la biologie marine. Le travail de thèse s'inscrit dans le cadre du programme HyMeX, il vise à caractériser le phénomène de convection dans le bassin Liguro-Provençal à partir du cas d'étude de l'année 2012-2013 et à comprendre le rôle de la dynamique de méso-échelle et de la variabilité intrinsèque océanique qui en résulte sur la convection. Le travail de thèse a tout d'abord porté sur la caractérisation du phénomène de convection océanique profonde à partir des observations du cas d'étude 2012-2013. On a estimé le taux de convection hivernale et de restratification printanière et une Expérience de Simulation d'un Système d'Observations (OSSE) a été développée pour estimer l'erreur d'observation associée. On conclut à la validité des observations du réseau MOOSE pour estimer les taux de convection et de restratification sur la période 2012-2013. On caractérise la période comme exceptionnellement convective avec un taux de convection hivernal de 2.3±0.5Sv (1Sv=106m³/s) et on estime pour la première fois un taux de restratification printanière de 0.8±0.4Sv. Deux approches numériques novatrices ont été développées au cours de la thèse pour caractériser le rôle de la méso-échelle et de la variabilité intrinsèque océanique sur le phénomène de convection. On a implémenté l'outil de raffinement de maille AGRIF en Méditerranée Nord-Occidentale dans le modèle régional NEMOMED12 pour documenter l'impact de la méso-échelle sur la convection océanique profonde et sur la circulation thermohaline Méditerranéenne. On a de plus réalisé des simulations d'ensemble à état initial perturbé pour documenter l'impact de la variabilité intrinsèque océanique sur la convection. Après avoir extensivement évalué le réalisme de la convection dans le modèle numérique NEMOMED12 grâce aux données de 2012-2013, on étudie avec ce modèle l'impact de la variabilité intrinsèque océanique sur ce phénomène. Sur le cas d'étude comme sur la période historique 1979-2013, la variabilité intrinsèque océanique module largement la géographie du patch convectif, en particulier dans le domaine hauturier. Aux échelles climatiques, la variabilité intrinsèque module largement la variabilité interannuelle du taux de convection. En moyenne climatologique, elle module aussi la géographie de la convection, mais elle impacte marginalement son intensité et les propriétés climatiques des eaux profondes. Enfin, on étudie avec l'outil AGRIF l'impact de la dynamique de méso-échelle sur la convection profonde et sur la circulation thermohaline. Sur le cas d'étude de 2012-2013, la méso-échelle augmente le réalisme de la convection. On montre qu'elle augmente la variabilité intrinsèque de la convection. Sur cette période comme sur la période historique, elle diminue l'intensité moyenne de la convection et réduit les transformations des eaux profondes. On relie principalement son impact sur la convection à une modification de la circulation stationnaire marquée par un repositionnement et une intensification des courants de bord, et la présence d'un méandre stationnaire du Front Baléare. Par ailleurs, sur la période historique, les échanges avec le bassin Algérien sont intensifiés par la méso-échelle, ce qui modifie les propriétés climatiques des masses d'eau. On montre enfin que la signature de la méso-échelle en surface est susceptible d'impacter les échanges air-mer et donc le climat côtier voire régional Méditerranéen. / The northwestern Mediterranean sea, also named the Liguro-Provençal basin, is one of the few places where ocean deep convection occurs. This localized and intermittent phenomenon is one of the main modes of interaction between the deep ocean and the climate system. It is of paramount importance for the vertical redistribution of heat, carbon dioxyde and biogeochemical elements, and therefore for climate and marine biology. The PhD has been carried out in the framework of HyMeX programme, it aims at characterizing the ocean deep convection phenomenon in the Liguro-Provençal basin from the year 2012-2013 case study and at understanding the role of mesoscale dynamics and of the resulting intrinsic ocean variability on deep convection. The PhD work has first focused on characterizing the ocean deep convection phenomenon from observations collected during the 2012-2013 case study. We estimated the winter deep convection and spring restratification rates and an Observing System Simulation Experiment (OSSE) was developed to estimate the associated observation error. We conclude on the validity of MOOSE network observations to estimate the deep convection and restratification rates in the period 2012-2013. We characterize the period as exceptionally convective with a winter deep water formation rate of 2.3±0.5Sv (1Sv=106m³/s) and we estimate for the first time a spring deep water restratification rate of 0.8±0.4Sv. Two novel numerical approaches were developped during the PhD to characterize the roles of mesoscale dynamics and of intrinsic variability in the deep convection phenomenon. We implemented AGRIF grid refinement tool in the northwestern Mediterranean Sea within NEMOMED12 regional model to document the impact of mesoscale on deep convection and on the Mediterranean thermohaline circulation. In addition, we carried out perturbed initial state ensemble simulations to characterize the impact of ocean intrinsic variability on convection. After extensively evaluating the realism of deep convection in NEMOMED12 numerical model thanks to the 2012-2013 observations, we study with this model the impact of intrinsic variability on deep convection. During the case study as well as in the 1979-2013 historical period, intrinsic ocean variability largely modulates the mixed patch geography, particularly in the open-sea domain. At climatic timescales, intrinsic variability modulates largely the deep convection rate interannual variability. On average over the historical period, it also modulates the mixed patch geography, but it impacts marginally its magnitude and the properties of the deep water formed. Finally, we study with AGRIF tool the impact of mesoscale dynamics on deep convection and on the thermohaline circulation. In the 2012-2013 case study, mesoscale improves the realism of the simulated convection. We show that it increases the deep convection intrinsic variability. In this period as well as during the 1979-2013 historical period, it decreases the mean deep convection rate and it reduces deep water transformations. We mainly relate its impact on convection to the modifincation of the stationary circulation characterized by a relocation and an intensification of boundary currents and the presence of a stationary Balearic Front meander. Also, in the historical period, exchanges with the Algerian basin are increased, which modifies water mass climatological properties. Finally, the surface signature of mesoscale is likely to alter air-sea interactions and the coastal to regional Mediterranean climate.