Composition du jury

Vincent CASSÉ CNRS/IPSL président du jury
Patrick CHERVET ONERA examinateur
Alain HAUCHECORNE CNRS/IPSL rapporteur
Gaby RÄDEL University of Reading rapporteur
Didier RENAUT CNES examinateur
Claudia STUBENRAUCH CNRS/IPSL directrice de thèse

Résumé

L’augmentation considérable du trafic aérien depuis quelques décennies a motivé des recherches sur l’impact des traînées de condensation sur le climat. Lorsque celles-ci persistent, elles induisent une couverture nuageuse additionnelle en cirrus dont l’impact sur le climat est difficile à quantifier. La condition physique de la persistance des trainées de condensation est la sursaturation en glace (humidité relative supérieure à la saturation), phénomène assez fréquent dans la haute troposphère et condition nécessaire pour la formation des cirrus.
Dans ce contexte, les sondeurs infrarouges ont l’avantage de fournir, de manière globale et continue, des mesures conjointes de propriétés nuageuses et de profils atmosphériques de température et de vapeur d’eau. Nous utilisons dans cette étude les bases de données climatiques TIROS-N Observation Vertical Sounder (TOVS) puis Atmospheric InfraRed Sounder (AIRS). Ces deux instruments n’ont pas une résolution verticale suffisante pour détecter la présence de fines couches de sursaturation en glace. Des synergies avec d’autres types observations permettent de le mettre en évidence et de le corriger. Nous démontrons notamment à l’aide du lidar CALIOP (Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization) que l’humidité relative de la haute troposphère dans les cirrus, déterminée par AIRS, montre un biais négatif en comparaison de mesures in situ. Ce biais est lié à la résolution verticale de AIRS et il est d’autant plus prononcé que les nuages sont géométriquement fins. Il est difficile de détecter la sursaturation car cette dernière est plus à même d’apparaître sur de fines épaisseurs.
Une méthode de correction est alors proposée pour mieux estimer les fréquences d’occurrence de la sursaturation en glace à l’échelle globale. La synergie entre AIRS et des mesures aéroportées de la campagne MOZAIC (Measurement of OZone and water vapour by AIrbus in-service airCraft) nous permet de construire une probabilité d’occurrence de la sursaturation en fonction de l’humidité relative déterminée par AIRS, quelque soit la valeur de cette humidité relative. Cette probabilité permet de construire des climatologies de la sursaturation en glace. Enfin, son couplage avec la détermination conjointe des propriétés nuageuses permet d’établir des climatologies des situations atmosphériques favorables à la persistance et à l’impact sur le climat des traînées de condensation.

The considerable increase of air traffic over the last decades has justified research on the impact of condensation trails (or “contrails”) on climate. When these contrails persist, they induce an additional cirrus cloud cover. Their impact on climate is difficult to quantify. The physical condition for the persistence of contrails is ice supersaturation (relative humidity higher than saturation), a frequent phenomenon in the upper troposphere and a requirement for the formation of cirrus clouds.
In this context, infrared sounders provide global measurements of cloud properties and atmospheric profiles of temperature and water vapour. We use the climatic databases from TIROS-N Observation Vertical Sounder (TOVS) and then from the Atmospheric InfraRed Sounder (AIRS). These two instruments do not have sufficient vertical resolutions for an accurate detection of thin layers of ice supersaturation. Synergies with other types of observations make it possible to correct this problem.
We show with the lidar CALIOP (Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization) that upper tropospheric relative humidity within cirrus clouds, determined by AIRS, shows a negative bias compared to in situ measurements. This bias is induced by the vertical resolution of AIRS and it is higher when clouds are geometrically thinner. It is difficult to detect supersaturation because the latter is more likely to occur over thin portions of the atmosphere.
A correction method is then proposed for a better estimation of global occurrence frequencies of ice supersaturation. The synergy between AIRS and airborne measurements from MOZAIC (Measurement of OZone and water vapour by AIrbus in-service airCraft) provides the opportunity to build an occurrence probability of supersaturation as a function of the relative humidity determined by AIRS. This probability makes it possible to build climatologies of ice supersaturation. At last, the joint determination of cloud properties allows to establish climatologies of the atmospheric situations leading to the persistence and the impact on climate of contrails.