Proposition de sujet de stage (+ thèse) pour 2016

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] [e-mail] [e-mail]
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'auto-
agrégation 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 self-
aggregation, 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.