Composition du jury

M. Xavier Carton (UBO/IUEM/LOPS) Rapporteur
M. Philippe Fraunié (TLN/LSEET) Rapporteur
M. Francis Codron (UPMC/LOCEAN) Examinateur
M. Aymeric Spiga (UPMC/LMD) Examinateur
M. François Bouchut (LMV/LAMA) Examinateur
M. Vladimi Zeitlin (UPMC/ENS/LMD) Directeur de thèse

Résumé

Le but de la thèse est de comprendre l’influence dynamique des effets diabatiques, comme la convection humide, sur les instabilités des vortex atmosphériques terrestres et planétaires. Un modèle verticalement intégré, avec les paramétrisations type relaxation des transitions de phase et de dégagement de la chaleur latente, le modèle de St-Venant avec la convection humide, a été utilisé. La version précédente du modèle a été améliorée pour inclure l’eau précipitable, sa vaporisation et son entrainement. L’approche consiste en 1) analyse détaillée de stabilité des profils idéalisés, ou extraits des données, des vortex, 2) étude de saturation non-linéaire des instabilités à l’aide de schéma numérique de haute résolution aux volumes finis.
Les résultats principaux de la thèse sont:
1. Démonstration et quantification d’une forte influence des effets humides sur les instabilités des vortex synoptiques, y compris asymétrie cyclone-anticyclone des vortex de faible intensité aux latitudes moyennes, et de l’intensification des vortex type cyclones tropicaux, avec formation des nuages caractéristiques.
2. Explication de l’origine dynamique de l’hexagone au pôle Nord de Saturne, et de l’absence de structure similaire au pôle Sud, en termes d’instabilité du système vortex polaire – jet circumpolaire, et sa saturation non-linéaire.
3. Explication de la structure observée du vortex polaire hivernal sur Mars en termes d’instabilité et sa saturation en présence de réchauffement/refroidissement radiatif et de déposition de CO2 (transition de phase gaz – solide). Une nouvelle paramétrisation simple a été proposée pour ce processus, incluant l’influence des noyaux de déposition.

The thesis is devoted to understanding dynamical influence of diabatic effects, like moist convection, on instabilities of vortices in Earth and planetary atmospheres. A vertically integrated atmospheric model with relaxational parameterisation of phase transitions and related heat release, and with convective fluxes included in mass and momentum equations, the moist-convective rotating shallow water model, was used for this purpose. The previous version of the model was improved to include precipitable water and its vaporisation and entrainment. The approach consists in 1)detailed stability analysis of idealised, or extracted from the data, vortex profiles, 2)study of nonlinear saturation of the instabilities with the help of finite-volume high-resolution numerical code.
The main results of the thesis are:
1. Demonstration and quantification of strong influence of moist effects upon instabilities of synoptic vortices, including cyclone-anticyclone asymmetry of mid-latitude vortices of weak intensity, and intensification of tropical-cyclone like vortices with formation of typical cloud patterns.
2. Explanation of the dynamical origin of the Saturn’s North Polar hexagon, and of the lack of similar structure at the South Pole, in terms of instability of the coupled polar vortex and circumpolar jet, and their nonlinear saturation.
3. Explanation of the observed structure of Mars’ winter polar vortex in terms of instability of the latter, and its saturation in the presence of radiative heating/cooling and CO2 deposition (gas-solid phase transition). A new simple parameterisation of the latter process, including the influence of deposition nuclei, was developed in the thesis.