Proposition de sujet de stage (+ thèse) pour 2016
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Proposition de sujet de stage (+ thèse) pour 2016 Nom du Laboratoire d’accueil : Laboratoire de Météorologie Dynamique LMD, 4 place Jussieu, Paris Si ce sujet vous intéresse, merci d'envoyer votre CV à / If interested, please send your CV to : Sandrine BONY Caroline MULLER Thomas DUBOS [email protected] [email protected] [email protected] Ce sujet peut mener à une thèse (co-financement DGA obtenu). Merci d'indiquer votre intérêt éventuel pour une thèse après le stage / This internship can lead to a PhD (partial funding obtained from DGA). Please indicate with your application if you are interested in a PhD following the internship. • Titre du projet / Project title : Auto-agrégation de la convection, cyclogénèse, et réchauffement climatique Self-Aggregation of convection, cyclogenesis and global warming • Sujet proposé (FR) : Ce projet a pour but d'améliorer notre connaissance de la convection profonde atmosphérique et de son organisation spatiale. La convection organisée, dont des exemples importants sont les complexes convectifs de mésoéchelle et les cyclones tropicaux (Fig. 1), est associée à de fortes couvertures nuageuses, de fortes précipitations et des vents violents, pouvant causer de graves dégâts matériels et humains. Mais les processus physiques mis en jeu et leur réponse au réchauffement climatique sont encore mal connus. Mieux comprendre les nuages, leur interaction avec la circulation dans notre climat actuel, et comment cette interaction évolue avec le réchauffement climatique ont été identifiés comme faisant partie des grands défis sociétaux par le World Climate Research Programme (WCRP, voir http://www.wcrp-climate.org/grand-challenges/gc-clouds pour plus d'information). Figure 1: Ouragan Floyd approchant les côtes de Floride / Hurricane Floyd approaching Florida L'organisation des nuages est omniprésente dans les tropiques, mais elle est encore mal comprise et n'est généralement pas prise en compte dans les modèles climatiques globaux. Un type d'organisation qui a été le sujet de nombreuses activités de recherches récemment (voir par exemple [1,2,3,4,5,9,10,12]) est l'autoagrégation de la convection. Ce terme désigne le regroupement spontané des nuages dans un coin du domaine, phénomène observé dans les simulations numériques haute-résolution de la convection atmosphérique. Dans la nature, cette auto-agrégation peut prendre la forme de complexes convectifs de mésoéchelle ou de cyclones tropicaux. C'est le sujet de ce projet de recherche. Quelles seront les questions scientifiques traitées ? Auto-agrégation et cyclogénèse L'auto-agrégation de la convection pourrait jouer un rôle important dans la cyclogénèse [6,11], mais les conditions qui favorisent cette agrégation sont encore peu connues. Cela a des conséquences pour la fréquence d'occurrence des cyclones. Dans ce projet, nous étudierons en détail les processus physiques responsables de ce phénomène, et comment l'agrégation intéragit avec une circulation grande échelle. Sensibilité au changement climatique Une publication récente suggère que l'équilibre auto-agrégé pourrait devenir l'équilibre le plus probable de la convection tropicale lorsque la température augmente [4]. Avec le réchauffement climatique, les tropiques pourraient donc passer à cet état auto-agrégé. Etant donnés les forts changements de propriétés aux grandes échelles qui accompagnent l'auto-agrégation, cela a des conséquences importantes pour la sensibilité climatique. La sensibilité de l'agrégation à la température sera examinée dans ce projet. Questions spécifiques posées Spécifiquement, nous examinerons les questions suivantes: • L'impact radiatif des nuages, en particulier aux grandes longueurs d'onde, est crucial pour l'agrégation de la convection [9]. Le refroidissement radiatif ciel clair a également été identifié comme ingrédient essentiel dans un modèle théorique de l'agrégation [4]. Les poches froides pourraient jouer un rôle important [5,10]. Comment ces processus physiques contribuent-ils à déclencher et à maintenir l'agrégation? Peut on déterminer quel(s) processus domine(nt)? • L'agrégation est-elle favorisée aux hautes températures, et pourquoi? Le processus physique responsable est-il différent à différentes températures? En particulier, le refroidissement radiatif ciel clair devient-il plus important à plus haute température? • Comment l'agrégation répond-elle et interagit-elle avec une circulation grande échelle? Méthodes Nous utiliserons des outils numériques et théoriques. Plus précisément, nous utiliserons le modèle numérique haute-résolution SAM [7], qui représente explicitement les nuages. Ce modèle a été utilisé dans de nombreuses études (dont par les auteurs) pour étudier différents aspects de l'atmosphère tropicale. Nous utiliserons également le futur modèle climatique haute-résolution de l'IPSL, DYNAMICO, pour étudier l'agrégation en configuration réaliste. Des études théoriques à l'aide de modèles simples de l'atmosphère tropicale accompagneront les simulations numériques, basés sur des modèles idéalisés existants [2,8,9]. • Research Project (ENG): This project aims at improving our understanding of atmospheric deep convection and its spatial organization. Organized convection, for instance, squall lines or tropical cyclones (Fig.1 ), with their associated clouds, strong precipitation, and winds, can cause severe material damage and can be deadly. Improving our understanding of clouds, how they couple to circulations in the present climate, and how clouds and circulation will respond to global warming have been identified as some of the grand challenges by the World Climate Research Programme (WCRP, see http://www.wcrp-climate.org/grand-challenges/gc-clouds for more information). The organization of clouds is ubiquitous in the tropics, but is not well understood and is typically not accounted for in global climate models. One particular type of convective organization that has received attention recently (see for instance [1,2,3,4,5,9,10,12]) is the self-aggregation of convection, taking the form of cloud clusters, or tropical cyclones in the presence of rotation. This is the topic of this research project. Scientific questions addressed: Self-aggregation and cyclogenesis Self-aggregation is believed to play an important role in cyclogenesis [6,11], but the conditions that favor self-aggregation are still unclear. In this project, we will investigate in detail the physical process responsible for the aggregation, and how aggregation couples to a large-scale circulation. Sensitivity to climate change It has been recently suggested that the self-aggregated state could be the preferred stable equilibrium of tropical convection under warm sea-surface temperatures [4]. With global warming, the tropics could therefore switch to this self-aggregated state. Given the large changes in large-scale properties accompanying selfaggregation, this has important implications for climate sensitivity. The sensitivity of self-aggregation to temperature, and vice versa, will be investigated in this project. Questions addressed Specifically, we will address the following questions: ⁃ Cloud radiative processes, in particular in the longwave, have been shown to play a crucial role in the self-aggregation of convection [9]. Clear sky radiation has also been identified as a key ingredient in theoretical models of self-aggregation [4]. Cold pools have been shown to impact the aggregation as well [5,10]. How do those various physical processes help trigger and maintain the aggregation? Can we determine which one, if any, dominates in the tropical atmosphere? ⁃ Is self-aggregation favored at warmer temperatures, and why? Does the dominant feedback vary with temperature? In particular, does clear-sky radiation play a larger role at warmer temperatures? ⁃ How does aggregation respond and couple to a large-scale circulation? Methods We will use theoretical and numerical tools. Specifically the numerical model that will be used is the high-resolution cloud-resolving model SAM [7]. This model has already been extensively used by the authors and many others to investigate the properties of tropical convection. Simulations with the future high-resolution climate model of IPSL, DYNAMICO, will also be performed to investigate aggregation in realistic settings. Theoretical studies and simple analytical models of the tropical atmosphere will accompany the numerical simulations when possible, based on existing idealized models [2,8,9]. • Références / References : Les 5 références principales de l'équipe sur le sujet sont soulignées / The five main references of the scientific team are underlined [1] Bony et al, Nature Geoscience, 2015. [2] Bretherton, Blossey, and Khairoutdinov, J. Atmos. Sci., 2005. [3] Craig and Mack, J. Geophys. Res., 2013. [4] Emanuel, Wing, and E. M. Vincent, J. Adv. Model. Earth Syst., 2014. [5] Jeevanjee and Romps, Geophys. Res. Lett., 2013. [6] Khairoutdinov and Emanuel, J. Adv. Model. Earth Syst., 2013. [7] Khairoutdinov and Randall, J. Atmos. Sci., 2003. [8] Muller, Back, O’Gorman, and Emanuel, Geophys. Res. Lett., 2009. [9] Muller and Held, J. Atmos. Sci., 2012. [10] Muller and Bony, Geophys. Res. Lett., 2015. [11] Shi and Bretherton, J. Adv. Model. Earth Syst., 2014. [12] Tobin, Bony, and Roca, J. Climate, 2012.
