Influence de la convection et des cirrus sur la Haute-Troposphère/Basse-Stratosphère au dessus de l'Océan Indien – CONCIRTO

Ce projet s'appuie sur l'analyse de données in-situ sous ballon (un moyen de mesure efficace et à moindre coût pour étudier la tropopause et stratosphère), radar/lidar et satellite pour établir la composition chimique de la TTL. Il utilise également une approche combinant modélisation à mésoéchelle et lagrangienne pour comprendre comment les cirrus et la convection profonde contrôlent l'humidité de la TTL de l'hémisphère Sud. La première campagne de mesures, qui s'est déroulée de décembre 2018 à mars 2019, a mis l'accent sur la convection profonde, les cirrus et leur impact sur le contenu en vapeur d'eau de la TTL au-dessus de l'océan Indien. La seconde campagne, reportée en raison de la pandémie de COVID-19, a eu lieu du 20 au 25 janvier 2022 et a permis d'observer les perturbations de la composition chimique de la stratosphère une semaine après l'éruption du volcan Hunga Tonga. Cette éruption a provoqué une perturbation majeure, avec une augmentation du contenu en vapeur d’eau dans la stratosphère de 10%.

Le cas d’un cirrus in situ naissant par nucléation homogène a été observé par radiosondage (au-delà des capacités de télédétection) (Reinares et al., 2020). Ensuite, l'humidification de la TTL par convection profonde du cyclone tropical Enawo a été analysée à l'aide du modèle mésoéchelle Meso-NH (Héron et al., 2020). Le maximum d'humidification s'est produit pendant la phase d'intensification du cyclone. Enfin, nous avons établi que l'éruption volcanique de Hunga-Tonga a entraîné une anomalie de vapeur d'eau sans précédent dans la stratosphère tropicale et une perte rapide d'ozone à une vitesse jamais observée auparavant (Evan et al., 2022). Le projet a également permis l’Intégration du projet B2SAP de la NOAA en tant que site de mesures pour la surveillance de la composition chimique de l’atmosphère.

Les mesures et résultats des campagnes de mesures dédiées à la TTL et au volcan Hunga Tonga ont montré l'importance des mesures sous ballons pour l’observation de la TTL et de la stratosphère et de leur complémentarité vis-à-vis des mesures RADAR, LIDAR et satellites. Les résultats du projet ont permis l’intégration de l’observatoire du Maïdo au projet B2SAP (financement NOAA) et la pérenisation des mesures pour 2 ans de plus (2023-2024). Le projet a également permis de renforcer l’expertise du coordinateur scientifique du projet, S. Evan, sur les mesures vapeur d’eau par hygromètre et ozone par sondes ECC. Elle fait maintenant partie intégrante de la communauté GRUAN et du réseau SHADOZ. Elle va participer au développement de nouveaux hygromètres. Elle a organisé la venue de la conférence GRUAN-ICM14 à la Réunion en novembre-décembre 2022. Les résultats de ce projet l’ont conforté à poursuivre l’étude de la vapeur d’eau stratosphérique, avec un axe de recherche nouveau sur la chimie hétérogène de l’ozone stratosphérique aux tropiques.

Impact de la convection sur la TTL: Evan et al., 2020; Héron et al., 2020. Un troisième papier sera corrigé et soumis en 2023.

Formation de cirrus dans la TTL: Reinares Martinez et al. (2021). Un second papier accés sur la modélisation sera soumis en 2023.

Impact du Hunga Tonga sur la vapeur d’eau stratosphérique: Evan et al., 2022 (soumis pour review); Vomel et al., 2022

Les variations de vapeur d’eau en stratosphère ont un impact important sur le climat. Mais les prédictions de changements de teneur en vapeur d’eau stratosphérique par les modèles climatiques sont incertaines à cause de notre compréhension limitée des processus physiques qui se produisent au niveau de la région de la Tropopause Tropicale (ou TTL: Tropical Tropopause Layer). La TTL joue un rôle clé dans la circulation générale puisqu’elle constitue la porte d’entrée vers la stratosphère des gaz traces. La composition et la dynamique de la TTL sont controlées par des processus stratosphériques de grande échelle, la convection profonde, la formation de cirrus et le bilan radiatif. Les variations en vapeur d'eau stratosphérique des modèles climatiques actuels sont biaisées à cause d'incertitudes dans la représentation de la température de la tropopause tropicale, de la convection profonde et de la microphysique des cirrus.
L'étude de la TTL a fait l'objet de campagnes de mesures dans l'Océan Pacifique et l'Amérique du Sud, mais aucune campagne d'observations n'a porté sur l'océan indien (OI). Or il est possible que le réchauffement des eaux de surface de l'OI ces dix dernières années puisse augmenter la convection profonde et la formation de cyclones tropicaux dans le bassin de l'OI, ce qui ferait de l'OI une source significative de vapeur d'eau en TTL dans les années à venir.

De ce fait, ce projet vise à approfondir nos connaissances sur la convection profonde et les cirrus et leur influence sur la TTL de l’OI. Les mesures aéroportées ou in-situ sous ballon météorologique permettent d'observer de fines structures dans la TTL qui ne peuvent être observées par les satellites. Ces mesures in-situ, relativement moins onéreuses que les mesures aéroportées, sont essentielles pour la validation des mesures satellites mais aussi pour notre compréhension des processus de plus fine échelle et de leur influence sur la TTL. Ce projet financera donc des mesures simultanées sous ballon de vapeur d’eau, ozone et d’aérosols. Elles seront complétées par les observations d'un radar nuage polarimétrique sur l'ile de la Réunion (21S, 55E). Ce jeu de données complétera les mesures existantes de l'Observatoire du Maïdo pour obtenir une vision d'ensemble des processus agissant sur la température et l'humidité de la TTL.

Les objectifs scientifiques sont les suivants:
1) Acquérir des mesures par instruments in-situ, radar et lidar qui permettra d'améliorer la représentation des cirrus et la convection profonde ainsi que leurs effets sur la vapeur d'eau dans les modèles
2) Caractériser les propriétés des cirrus, leurs mécanismes de formation, et leurs effets sur l'humidité dans la TTL
3) Déterminer si la convection profonde humidifie la TTL de l'OI

Ce projet sera basé sur l'analyse des données in-situ sous ballon, radar/lidar et satellite pour établir la composition chimique de la TTL. Une approche innovante combinant modélisation à mésoéchelle (Méso-NH) et lagrangienne (FLEXPART) sera aussi utilisée pour comprendre comment les cirrus et la convection profonde contrôlent l'humidité de la TTL de l'Hémisphère Sud. Ce projet soutiendra ma recherche sur la TTL en tant que CNRS CR2 au LACy et favorisera le développement de nouvelles collaborations nationales et internationales. Les mesures de ce projet bénéficieront à la communauté française travaillant sur les cirrus et la vapeur d'eau stratosphérique qui sont des sujets prioritaires de l'infrastructure ACTRIS FR et du NDACC. Il aidera également à intégrer l’Observatoire du Maïdo et donc l’INSU dans le réseau mondial GRUAN soutenu par l'OMM. Ceci permettra la pérennisation des mesures in situ sous ballons de vapeur d’eau et d’aérosols à l’Observatoire du Maïdo. Le projet fait partie des priorités scientifiques du LACy et fédérera la recherche au LACy sur la vapeur d’eau atmosphérique.