Composition du jury

Mme Hélène Chepfer, LMD Polytechnique
M Slimane Bekki, Latmos, Jussieu
Mme Gabrielle Stiller,KIT-IMK-ASF
M Gwenael Berthet, LPC2E
M Bernard Legras, LMD-ENS
M Alain Chédin, LMD-Polytechnique

Résumé

Le but de cette thèse est de diagnostiquer comment la circulation de Brewer-Dobson est reproduite dans les systèmes de réanalyses modernes et d’obtenir une meilleure compréhension des changements récents dans la circulation stratosphérique dus à l’augmentation des gaz à effet de serre et à des changements dans la concentration d’ozone.
La circulation de Brewer-Dobson et sa variabilité sont étudiées dans l’ERA-Interim sur la période 1989-2010 en utilisant un modèle hors-ligne de transport lagrangien guidé par des réanalyses de vents et des taux de chauffage.
A basse et au moyenne latitudes, l’âge moyen de l’air dans la basse stratosphère est en bon accord avec les âges obtenus à partir d’observations par avions, par ballons de haute altitude et par satellite des traceurs de longue durée de vie. A haute latitude et dans la haute stratosphère, nous trouvons, cependant que les âges ERA-Interim non tronquées présentent un biais ancien, typiquement de un à deux ans qui se corrige en éliminant les particules qui circulent au-delà de 0.5 hPa.
Le spectre de l’âge présente une queue longue sauf dans la basse stratosphère tropicale, qui est modulé par le cycle annuel de l’ascendance tropicale. La distribution de l’âge et de sa variabilité est compatible avec l’existence de deux branches distinctes, profonde et peu profonde, de la circulation de Brewer-Dobson. Les deux branches sont modulées par l’ascendance tropicale et la branche peu profonde est également modulée par la barrière subtropicale.
La comparaison de la variations saisonnières du spectre d’âge avec celle provenant du modèle GEOSCCM (Li et al., 2012) révèle des formes et amplitude comparables des variations à toute latitude et altitude sauf dans la stratosphère polar où la phase des oscillations est en opposition. Le taux de décroissance du spectre de l’âge dans GEOSCCM est de 0,36 an-1 , soit presque deux fois le taux de décroissance de l’ERA-Interim, qui est de 0,20 an-1.
Nous avons analysé la capacité des reconstructions de trajectoires Lagrangiennes diffusives à reproduire l’âge de l’air provenant des mesures in situ. La distribution de l’âge moyen présente un assez bon accord avec Andrews et al. (2001a). Localement, l’âge varie beaucoup en fonction des perturbations synoptiques. Il a pu être vérifié par une comparaison directe avec les données de la campagne SOLVE que c’est variations sont bien en accords avec la réalité in situ.
La variabilité de l’âge moyen est analysée à travers une décomposition en termes de cycle annuel, QBO, ENSO et tendance. La modulation annuelle est le signal dominant dans la basse stratosphère et est maximale aux latitudes supérieures à 50 degrés dans les deux hémisphères avec des âges les plus élevés à la fin de l’hiver. La phase de la modulation annuelle est également inversée entre en dessous et au-dessus de 25 km. La comparaison du cycle saisonnier de l’âge de l’air stratosphérique dans l’ERA-Interim et dans les simulations GEOSCCM montre que la distribution d’âge de l’air normalisé est remarquablement semblable à la moyenne et à la variabilité saisonnière des barrières de mélange. Il existe des différences significatives dans l’amplitude, l’ERA-Interim génère un âge plus vieux jusqu’à 2 an en haute latitude. L’amplitude maximale de la modulation QBO est d’environ 0,5 an et est principalement concentrée dans les zones tropicales entre 25 et 35 km. La modulation décale la phase QBO à 30 hPa à environ 8 mois. Le signal ENSO est petit et limité à la basse stratosphère nord.
La tendance d’âge dans la circulation de Brewer-Dobson au cours de la période 1989-2010, selon les réanalyses de l’ERA-Interim, est significative et négative, de l’ordre de -0,3 à -0,5 an.dec-1, dans la basse stratosphère dans l’hémisphère sud et au sud de 40N dans l’hémisphère Nord en dessous de 25 km. La tendance d’âge est positive (de l’ordre de 0,3 an.dec-1 ) dans la stratosphère moyenne. Ceci suggère que les branches profonde et peu profonde de la circulation de Brewer-Dobson peuvent évoluer dans des directions opposées. Nous constatons également que l’influence de longue durée de l’éruption du Pinatubo peut être vu sur l’âge de l’air à partir de Juin 1991 jusqu’à la fin de 1993 et peut biaiser les statistiques incluant cette période.
La circulation résiduelle est utilisée pour étudier la tendance négative observée dans la basse stratosphère à partir de l’ensemble de données ERA-Interim. Le flux de masse présente une tendance négative jusqu’à 32 km au cours de la période 1979-2011 ce qui est compatible avec une diminution de la branche profonde de la circulation de Brewer-Dobson. Cependant, la tendance négative de l’âge dans la basse stratosphère ne peut pas être expliquée par une augmentation de l’ascendance tropicale du flux de masse dans les réanalyse de ERA-Interim car ce dernier diminue à tous les niveaux en dessous de 30 km.
Le diagnostic des processus de transport et de mélange à l’aide de la diffusivité effective révèle qu’il y a un fort mélange dans la basse stratosphère durant l’été et le printemps avec une forte variabilité saisonnière/interannuelle. On observe une augmentation du mélange horizontal au cours des 32 dernières années qui dominent l’effet contraire de la circulation résiduelle et explique l’air plus jeune dans la basse stratosphère extratropicale.
Enfin, la circulation de Brewer-Dobson est analysée en se basant sur la moyenne mensuelle de CO2 provenant des calculs de rétro-trajectoires et de l’approche d’inversion des données de ACE-FTS. La distribution zonale montre une propagation vers le haut et méridionale du cycle saisonnier de la concentration moyenne du CO2 depuis la haute troposphère vers la stratosphère en raison de la circulation de Brewer-Dobson. La comparaison entre la moyenne mensuelle de profils verticaux du CO2 simulés et observés montre un bon accord sauf dans quelques mois où les différences faibles mais significatives surviennent. Les inversions de ACE-FTS tendent à sous-estimer la valeur moyenne de CO2 probablement dues à la sensibilité de la hauteur tangente. L’évolution temporelle montre la capacité de TRACZILLA à reproduire assez bien la pente, l’amplitude et les échelles sous-mailles observées par les mesures in situ de CONTRAIL effectuées à l’intérieur de la basse stratosphère extratropicale à 50-60N.