Contributions à l`étude de la physique du climat tropical

Université Paris 6 – Pierre et Marie Curie
Ecole doctorale des sciences de l’environnement d’Ile de France
Habilitation à Diriger les Recherches
Présentée par
Rémy Roca
Contributions à l’étude de la physique du
climat tropical
Soutenue le 25 Mars 2011
Devant le jury composé de :
M. Hervé Le Treut, Président du Jury
Mme Pascale Delecluse, Rapportrice
Mme Pascale Braconnot, Rapportrice
M. Frédéric Parol, Rapporteur
M. Jean-Pierre Cammas, Examinateur
M. Jean-Philippe Lafore, Examinateur
Mme Laurence Picon, invitée
M. Jean-Philippe Duvel, invité
M. Jean-Yves Grandpeix, invité

2
« Du point de vue du savoir, on est toujours en état de privation. On essaie de combler
ce manque […]. Nous marchons d’aporie en aporie. »
René Thom, Prédire n’est pas expliquer, (1991)

3
Remerciements
Je tiens à remercier les directeurs successifs de l’IPSL, Jean Jouzel et Hervé Le Treut et les
directeurs et directeurs-adjoints successifs du LMD, Robert Sadourny, Claude Basdevant,
Michel Desbois, Hervé Le Treut, François Vial, Vincent Cassé et Frédéric Hourdin pour avoir
su m’accorder de bonnes conditions de travail dans un environnement de plus en plus hostile.
De même, il me semble naturel de remercier Didier Renaut et Pascale Ultré-Guérard du
CNES pour leur soutien, dans la durée, important pour la conduite d’un projet spatial
d’ampleur. Je remercie encore Michel Desbois pour la confiance qu’il m’a témoignée en me
demandant de le relayer à la responsabilité de Megha-Tropiques voilà déjà cinq ans.
J’exprime ma profonde gratitude aux membres du Jury et en particulier envers les rapporteurs
pour avoir accepté la tâche difficile d’appréhender une décennie de travail d’un chercheur.
Mes sincères remerciements à Pascale Delecluse, Pascale Braconnot, et Frédéric Parol d’avoir
mis leur expertise au service d’une telle entreprise. Je remercie Hervé Le Treut d’avoir
présidé à ces discussions.
Je tiens à remercier vivement Jean-Pierre Cammas d’avoir pris le temps de s’intéresser à mon
travail et Jean-Philippe Lafore, Jean-Philippe Duvel, Laurence Picon et Jean-Yves Grandpeix
qui m’ont appris au cours des 10 dernières années, chacun à leur façon, à m’approprier des
questions scientifiques, à mener les investigations, à écrire des articles, à interagir avec les
étudiants. Votre présence à cette habilitation m’est très chère.
Je suis très heureux de pouvoir ici mentionner l’ensemble des collègues du LMD, de
Palaiseau, de l’ENS et de Jussieu pour l’agréable et foisonnant environnement scientifique
que chacun contribue à former et dont j’ai pu bénéficier sur chaque site.
Je ne peux conclure sans remercier les membres passés et actuels de l’équipe CEET qui ont
toujours su nourrir nos échanges de leur génie. J’ajoute sans vergogne à cette liste, les
sympathisants de l’équipe, Karim et Sophie de l’IPSL et les collègues du LPAOSF. J’étends
sans remord la liste aux collègues de Lille à Toulouse en passant par Guyancourt, impliqués
de près ou de loin dans la mission Megha-Tropiques et à mes collègues australiens,
allemands, américains, californiens et indiens avec qui j’ai eu plaisir à interagir.
J’ai une pensée particulière pour les thésards que j’ai co-encadré : Hélène, Julien, Mohamed,
Thomas et Philippe. Votre volonté d’apprendre et de contribuer à la Science a été pour moi
une réelle stimulation.
Enfin je remercie mes proches sans qui rien de cela n’aurait été possible.

4
Résumé
La théorie de l’équilibre radiatif-convectif global nous offre un cadre solide pour comprendre
le climat de notre planète et son évolution. L’adéquation de cette théorie à l’étude du climat
de la ceinture intertropicale fait débat. On lui préfère, pour cette région, une théorie de
l’équilibre radiatif-convectif dynamique qui considère une colonne convective, nuageuse et
humide et une colonne subsidente, claire et sèche, représentant au premier ordre, les branches
ascendantes et descendantes de la cellule de Hadley.
On confrontera alors nos travaux à ces deux cadres théoriques selon trois axes. Le premier
concerne la vapeur d’eau dans la haute et moyenne troposphère subtropicale, le deuxième le
forçage radiatif des nuages dans la zone de convergence intertropicale océanique et enfin les
précipitations tropicales. Nous discuterons alors les limites de ces théories à rendre compte et
à expliquer les grandes lignes du cycle de l’eau et de l’énergie dans les tropiques. Nous
insisterons sur la nécessité de remettre les processus physiques importants dans leur contexte
météorologique pour améliorer notre compréhension du climat tropical et soulignerons le
besoin d’avancées théoriques pour contraindre nos estimations de son évolution future.
Les perspectives de ce travail seront alors rapidement évoquées avec l’accent sur l’arrivée
imminente de nouvelles observations spatiales aptes à nourrir notre démarche scientifique et à
faire émerger ces avancées.

5
1 Introduction
1 Equilibre énergétique et climat
On reprend ci-dessous quelques éléments de base du climat planétaire afin d’introduire les
théories du climat tropical. Pour un traitement plus exhaustif mais accessible, on peut
consulter avec intérêt les ouvrages suivants : Global Physical Climatology (1993) par D. L.
Hartmann ; Principles of Planetary Climates (2010) par R.T. Pierrehumbert et mes cours en
ligne sur le sujet. Pour un acompte plus historique, voir J.L. Dufresne (2009). Pour un
acompte plus grand public, on pourra se référer à l’ouvrage « Satellites et Changement
climatiques » (2007).
1.1 Bilan d’énergie au sommet de l’atmosphère et température de surface
On peut considérer que la Terre est en équilibre thermodynamique avec l’espace environnant
avec lequel elle n’échange de l’énergie que sous la forme de rayonnement. Ce faisant, on
néglige le travail de la Terre sur l’espace et ainsi on n’exprime rien d’autre que le premier
principe de la thermodynamique. On peut considérer que la seule source d’énergie dans
l’espace est le Soleil. Par conséquent la Terre, à l’équilibre1, émet autant d’énergie radiative
qu’elle en reçoit du Soleil. Cette expression est fondamentale à notre compréhension des
climats planétaires. Cette quantité d’énergie est directement reliée à la température de la
planète selon la loi de Planck. On appelle température d’émission d’une planète, cette
température équivalente du corps noir. Elle ne dépend que de la constante solaire SO et de
l’albédo de la planète et pour la Terre est de l’ordre de 255K. Considérons une planète
simplifiée qui se compose d’une surface, d’albédo  et d’une atmosphère transparente au
rayonnement solaire et qui se comporte comme un corps noir dans l’infrarouge (Figure 1). Le
1 Voir Hansen et al., 2005 pour une discussion sur la notion d’équilibre pendant la phase de transition du climat dans laquelle
le réchauffement climatique s’exprime.
Figure 1 Schématisation de l'équilibre radiatif au sommet de l'atmosphère. (a) Atmosphère corps noir. (b) Atmosphère corps
gris d'émissivité . Dans les deux cas, la surface est caractérisée par un albédo , une température TS. La température de
l’atmosphère est TA. S0 est la constante solaire (1367 Wm-2).