Composition du jury

Mme M. Chanin, Rapporteur
Mme E. Manzini, Rapporteur
Mr H. LeTreut, Examinateur
Mr J.P. Cammas, Examinateur
Mr F. Lefevre, Examinateur
Mme C. Claud, Directrice de thèse

Résumé

On sait aujourd’hui que les processus stratosphériques jouent un rôle important dans le système climatique et leur étude est donc de grande importance pour la communauté scientifique. Les changements à long terme observés dans la stratosphère comprennent l’augmentation des gaz à effet de serre, de la vapeur d’eau, la diminution de l’ozone et un refroidissement systématique de cette région de l’atmosphère pendant les deux dernières décennies (1980-2000).
Cette recherche est dédiée à la quantification des changements à long terme de la structure thermique et dynamique de la stratosphère et à l’attribution des causes des changements observés, et en particulier l’effet de la diminution de l’ozone stratosphérique. Le travail a été mené pour les vingt dernières années, où des mesures globales de la stratosphère existent; les analyses effectuées ont été ensuite couplées avec des simulations GCM pour quantifier le rôle de la diminution de l’ozone sur les changements à long terme observés.
Trois bases de données (températures mensuelles) résultant d’analyses de données satellitaires et/ou de radiosondages ont été considérées : la base TOVS/3I fournit une description de la basse stratosphère à haute résolution spatiale pour une période de 8 ans; la base FUB a une résolution spatiale moins bonne mais est disponible pour une période plus longue; enfin, la base SSU/MSU couvre les vingt dernières années et surtout la totalité de la stratosphère, mais avec une résolution verticale plus faible. Un modèle de régression linéaire multi-paramétrique, qui permet de séparer l’effet de la variabilité naturelle de la tendance à long terme, a été utilisé.
Dans un premier temps, une analyse détaillée de l’impact des différents facteurs de variabilité de la température stratosphérique été réalisée. Les forçages considérés sont: l’Oscillation Quasi-Biennale (QBO), l’ENSO, la variabilité de 11 ans associée au cycle solaire, et le mode de variabilité extratropicale connu sous le nom d’Oscillation Arctique (AO). Nous montrons tout d’abord que l’amplitude de la réponse de la température à ces forçages peut être du même ordre de grandeur que les tendances calculées.
Ensuite, les tendances de la température sont décrites en fonction de l’altitude, de la latitude et de la saison ; elles montrent un refroidissement général de la stratosphère, avec une amplitude maximale en moyenne globale dans la haute stratosphère de l’hémisphère nord (de l’ordre de 3 K/décennie); le refroidissement se réduit dans la moyenne stratosphère pour atteindre 1 K/décennie en moyenne globale dans la basse stratosphère (mais avec une structure fortement dépendante de la latitude). L’analyse des températures nous permet aussi de mettre en évidence, de façon indirecte, un affaiblissement de la circulation moyenne de la stratosphère.
Pour étudier le rôle de la diminution d’ozone stratosphérique sur les champs dynamiques et thermiques, nous avons enfin considéré deux ensembles de simulations GCM de type ‘transitoire’; en entrée des simulations, le premier ensemble considère les conditions prévalant avant la diminution de l’ozone, alors que le deuxième inclut les tendances d’ozone observées en moyenne zonale et mensuelle (dite ‘simulation ozone’). Les tendances de température simulées ont été comparées entre elles. Les résultats indiquent que la diminution de l’ozone stratosphérique est responsable du refroidissement observé à hauteur de 60% dans la haute stratosphère et de 30% dans la basse stratosphère.
Si le refroidissement de la haute et moyenne stratosphère est bien reproduit par les simulations ozone, dans la basse stratosphère il est sous-estimé, très probablement à cause de l’effet des tendances de vapeur d’eau, qui n’ont pas été prises en compte dans les simulations. Le refroidissement pendant le printemps Arctique dans la basse stratosphère est observé, mais non complètement reproduit. Enfin, les simulations ozone indiquent une modification dans l’activité des ondes qui se propagent dans la basse stratosphère, observée à travers l’étude de la composante verticale du flux d’Eliassen-Palm.