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Stratosphère

Thème de l'équipe DPAO

Bernard LEGRAS, Albert HERTZOG, Riwal PLOUGONVEN, Hélène CHEPFER, François LOTT
Dynamique de la basse stratosphère (ondes et interaction avec l'écoulement moyen, circulation et variabilité de la stratosphère, transport d'espèces minoritaires)

Ballons stratosphériques

La circulation de la stratosphère est en grande partie déterminée par des interactions entre les ondes se propageant depuis la troposphère et l'écoulement stratosphérique. Si les ondes de grande échelle sont raisonnablement bien décrites dans modèles du climat, il faut en revanche s'appuyer sur des paramétrisations pour décrire les effets des ondes internes de gravité.  Nous travaillons par plusieurs approches à affiner la connaissance de ces ondes dans l'atmosphère, afin d'améliorer leur représentation dans les modèles. Nous nous appuyons pour cela sur les mesures effectuées lors des campagnes de ballons stratosphériques de longue durée (Vorcore 2005, Concordiasi 2010), et sur des simulations méso-échelle effectuées en parallèle. La résolution des analyses du Centre Européen devenant telle que le champs d'ondes de gravité y est assez réaliste, nous utilisons aussi ces analyses. Nos études ont porté ces dernières années sur l'intermittence des ondes de gravité, les sources non-orographiques aux moyennes et hautes latitudes et les sources convectives dans les Tropiques. Aux moyennes et hautes latitudes, nous avons montré par exemple que les flux de quantité de mouvement portés par les ondes suivaient une distribution log-normale, et que la simple connaissance du vent à un niveau donné fournissait déjà beaucoup d'information sur les ondes susceptibles d'être présentes (voir figures montrant des PDF de flux de quantité de mouvement à z=20 km, conditionnelles sur la vitesse du vent, dans des simulations WRF, des analyses et les observations ballons).

Campagne Concordiasi en Antarctique, Strateole phase 2, ondes de gravité observées par les ballons

Ondes de gravité observées par les ballons

Formation de cirrus

Les ondes de gravité jouent d'autres rôles que cette contribution à la circulation stratosphérique.  Elles se manifestent, le long de leur propagation, par des fluctuations de température, de pression, de stabilité qui influencent certains processus. A la tropopause tropicale, la fraction de l'air qui va monter vers la stratosphère est asséchée par les très basses températures. Cet assèchement se fait au niveau de cirrus, nuages de glace très fins. La formation et la croissance des cristaux de glace dépend de manière très non linéaire de la température, et ces processus sont donc sensibles aux ondes de gravité présentes. Les mesures sans précédent de fluctuations de vitesses verticales le long de trajectoires de ballons fournissent des informations précieuses pour évaluer les impacts des ondes de gravité sur la formation des cirrus. La modélisation méso-échelle et les observations satellites sont d'autres approches utilisées pour aborder les processus de formation des cirrus tropicaux, leur évolution et leur impact.

Contenu en glace à 14km d’altitude (modélisation WRF, étude menée par Aurélien Podglajen)

Contenu en glace à 14km d’altitude (modélisation WRF)

Tropopause et mousson d'Asie

Projet FP7, campagne en août 2016
Stratoclim

Sujet principal: La dynamique, le transport, les échanges radiatifs et les processus physiques et chimiques dans l'UTLS avec une focalisation sur la TTL (tropical tropopause layer) pendant la mousson d'Asie.

La TTL est une région clé pour le climat: c'est le point de passage obligé de tous les composés de la stratosphère, la couverture en nuages hauts fins est importante pour son effet direct sur le transfert radiatif et pour ses rétroactions sur l'organisation de la convection.

La TTL de la mousson d'Asie est la moins connue à ce jour, notamment par manque de données, et un des lieux où les modèles (y compris les réanalyses) divergent le plus. Depuis une dizaine d'année, une couche d'aérosols est apparue au sein de l'anticyclone de mousson, très probablement liée à la croissance de la pollution en Asie. La situation relative aux données est en train de changer rapidement: meilleure couverture par les satellites (nouveaux GEO avec de nouveaux canaux, IASI, Mega-Tropique, ...), campagne de mesure en ballon depuis l'Inde et la Chine dans le cadre de collaborations internationales et campagne aéroportée StratoClim en août 2016 à laquelle nous participons.

Nous sommes engagés sur plusieurs fronts: étude des nuages hauts à partir des satellites, étude des aérosols sulfatés à partir de IASI, transport et modélisation des cirrus et des aérosols dans la TTL (avec modèles lagrangiens d'une part et WACAM/CARMA d'autre part), upwelling tropical et circulation de Brewer-Dobson.

Chercheurs impliqués au LMD: Bernard LEGRAS, Claudia STUBENRAUCH, Riwal PLOUGONVEN, Geneviève SÈZE, Albert HERTZOG.

Projets:

  • StratoClim, projet européen FP7 financé, ~250k€ pour LMD
  • TTL-Xing, projet ANR soumis (en phase 2), ~300k€ pour LMD
  • CLAC projet BNP en cours d'élaboration

Collaborations:

  • En France: LPC2E sur modélisation WACAM/CARMA ; LOA sur aérosols sulfatés et IASI ; LA sur modélisation du transport dans la TTL et chimie
  • A l'étranger: FZJ (Julich) transport dans la TTL, campagne StratoClim ; Université de Cochin, projet CEFIPRA déposé sur la modélisation de la TTL et l'exploitation de StratoClim ; Université de Chicago, isotopologues de l'eau dans la TTL ; Université de Princeton, modélisation des cirrus ; NCAR, transport dans la TTL

Publications récentes (2015-2016)

  • Quantifying the effects of mixing and residual circulation on trends of stratospheric mean age of air, 2015, F. Ploeger, M. Abalos, T. Birner, P Konopka, B. Legras, R. Müller & M. Riese, /Geophys. Res. Lett./, *42*, pp. 2047-2054, doi:10.1002/2014GL062927.
  • Evaluating the advective Brewer-Dobson circulation in three reanalyses for the period 1979-2012, 2015, M. Abalos, B. Legras, F. Ploeger & W.J. Randel, /J. Geophys. Res./, *120*, pp. 7534-7554,doi:10.1002/2015JD023182.
  • Effect of gravity wave temperature variations on homogeneous ice nucleation, 2015, T. Dinh, A. Podglajen, A. Hertzog, B. Legras & R. Plougonven, Atmos. Chem. Phys. Disc., 15, pp. 8771-8799, doi:10.5194/acpd-15-8771-2015.
  • Synergistic use of Lagrangian dispersion modelling, satellite- and ground-based measurements for the investigation of volcanic plumes evolution and their impact on the downwind aerosol optical and micro-physical properties: the Mount Etna eruption of 25-27 October 2013, 2015, P. Sellitto, A. di Sarra, S. Corradini, M. Boichu, H. Herbin, P. Dubuisson, G. Sèze, D. Meloni, F. Monteleone, L. Merucci, J. Rusalem, G. Salerno, P. Briole & B. Legras, submitted to J. Geophys. Res.
  • Sensitivity of thermal infrared sounders to the chemical and micro-physical properties of UTLS secondary sulphate aerosols, 2015, P. Sellitto & B. Legras, Atmos. Meas. ,9, pp. 115-132, doi:10.5194/amt-9-115-2016. P. Sellitto & B. Legras, Atmos. Meas. ,9, pp. 115-132, doi:10.5194/amt-9-115-2016.
  • Transport across the tropical tropopause layer and convection, 2016, A.S. Tissier &B. Legras, Atmos. Chem. Phys., 16, pp. 3383-3398, doi:10.5194/acp-16-3383-2016.
  • A modelling case study of a real Tropical Tropopause Layer cirrus : dynamical control of cloud formation and cloud impacts, 2015, A. Podgajen, R. Plougonven, A. Hertzog & B. Legras, Atmos. Chem. Phys., 16, pp. 3881-3902, doi:10.5194/acp-16-3881-2016.

Oscillation quasi-biennale de la stratosphère