Stratosphère: Dynamique et Variabilité, Utiliser notre compréhension pour trouver des Solutions aux biais persistents des modèles – StraDyVariUS

Une grande partie de la difficulté à modéliser la stratosphère provient de la contribution importante des ondes internes de gravité au forçage de la stratosphère. Ces ondes ont des échelles horizontales entre quelques kilomètres et un millier de kilomètres. Dans les modèles climatiques, elles sont représentées en utilisant des paramétrisations, à savoir des modèles semi-empiriques décrivant les impacts des processus de petite échelle sur la dynamique de grande échelle. L'équipe du projet comprend des experts de ces paramétrisations. Une originalité du projet est de réunir des modélisateurs et des spécialistes des observations des ondes de gravité. En raison de leurs échelle spatiales et de l'altitude, des techniques d'observations spécifiques sont nécessaires pour bien décrire les ondes de gravité: l'équipe comprend des spécialistes des ballons pressurisés et des lidars, deux techniques très performantes pour quantifier les ondes de gravité stratosphériques.

Tout d'abord, les efforts menés par François Lott (Laboratoire de Météorologie Dynamique) ont ouvert de nouvelles voies pour la paramétrisation des ondes de gravité, comme décrit ci-après. Trois autres principaux résultats sont les suivants:
1. une nouvelle méthodologie pour l'identification et la description quantitative des échauffements stratosphériques a été développée. Elle ne comporte pas le seuil controversé qui isole ce qu'on appelle les échauffements majeurs des autres. Elle est basée sur des statistiques simples de la température aux latitudes polaires. Ce faisant, il est possible d'identifier un continuum d'événements et aussi d'appliquer cette méthodologie dans l'hémisphère sud, où la variabilité beaucoup plus faible rend les définitions traditionnelles inefficaces.
2. La circulation de Brewer-Dobson a été diagnostiqué, analysée et comparée dans plusieurs réanalyses, montrant des similitudes et des divergences. Une région essentielle pour l'ensemble de cette circulation est la couche de la tropopause tropicale (TTL) à partir de laquelle une fraction de l'air monte lentement dans la stratosphère. Ces flux ont été explorés en utilisant des trajectoires lagrangiennes, soulignant l'importance de la région asiatique (sur le continent maritime en hiver boréal, l'Asie du Sud-Est et les mers voisines et l'océan en été boréal).
3. Plusieurs nouvelles approches fondées sur des observations (lidars et ballons) et sur des analyses ont permis d'analyser et quantifier les ondes de gravité atmosphériques. Les caractéristiques qui ont été analysées ne se limitent pas à l'amplitude et aux flux, mais incluent aussi leur Intermittence et leur taux de décroissance avec l'altitude. Ce sont des quantités clés pour contraindre les paramétrisations de ces ondes dans les modèles climatiques, et ces analyses ont contribué au développement de la nouvelle paramétrisation.

Un résultat majeur du projet est la paramétrisation stochastique des ondes de gravité développée par François Lott (Laboratoire de Météorologie Dynamique). Ce paramétrage est novateur de deux façons: d'une part, les ondes sont lancées en partie de manière stochastique, ce qui permet de reproduire l'intermittence des ondes atmosphériques, et d'autre part les amplitudes sont liées à l'écoulement troposphérique, grâce à des formules ayant des fondements théoriques solides. Dans les tropiques, les amplitudes probables sont liées à la convection par la précipitation, et aux latitudes moyennes, elles sont reliées à la vorticité troposphérique. En conséquence, les ondes sont comportent une intermittence qui les rend plus réalistes, avec des événements rares et intenses. Ces événements déferlent plus bas dans l'atmosphère et y forcent la circulation stratosphérique. Un impact positif très significatif a été trouvé sur la circulation stratosphérique: l'Oscillation Quasi-Biennale devient ainsi présente dans les deux modèles de climat impliqués dans le projet (IPSL et CNRM). Les statistiques du réchauffement final du vortex polaire austral deviennent cohérentes avec les observations.

Les résultats de ce projet ont été publiés sous la forme d'une vingtaine d'articles dans des revues à comité de lecture (Atmospheric Chemistry and Physics, Journal of Geophysical Research, Geophysical Research Letters, Journal des sciences de l'atmosphère, etc ...). Les participants du projet ont également présenté leurs résultats dans de nombreuses conférences et colloques, souvent dans des présentations invitées.

La plupart des modèles de climat incluent aujourd'hui une stratosphère, et ont un sommet entre 70 et 100km. Il y a plusieurs raisons à cela: il est nécessaire de bien décrire la couche d'ozone; il faut évaluer l'impact radiatif de l'eau stratosphérique; enfin la stratosphère a un impact significatif sur le climat au sol. Malgré ces efforts passé, il reste cependant trois principaux défis scientifiques.

A. La variabilité de la stratosphère dans les régions équatoriales est dominée par l'Oscillation Quasi Biennale (QBO en anglais), un oscillation pilotée dynamiquement par une très large gamme d'ondes excitées par la convection dans la troposphère équatoriale. La plupart des modèles ne simulent pas la QBO.

B. Le lent transport de l'air stratosphérique depuis la tropopause tropicale vers les régions extra-tropicales est cruciale pour la distribution de constituants tels que l'ozone ou la vapeur d'eau. Aujourd'hui, les tendances de cette circulation dans les observations contredisent en partie les tendances simulées par les modèles. Cela pose une question majeure sur notre compréhension du changement climatique dans la stratosphère.

C. La stratosphère extra-tropicale est dominée chaque hiver par le vortex polaire. Son évolution est ponctuée par des réchauffements stratosphériques soudains (SSWs en anglais) résultant d'interactions non linéaires entre ondes et écoulement moyen. Les modèles font encore des erreurs dans la simulation de ces évènements, notamment ils reproduisent mal le réchauffement final précurseur de la fin du vortex au printemps.

C'est trois défis sont liés à des difficultés à comprendre et simuler la dynamique, et de manière cruciale les interactions ondes-écoulement moyen. Les solutions ne viendront pas de la modélisation seulement, mais résulteront aussi d'une amélioration de notre compréhension de ces phénomènes et d'analyses d'observations innovantes. Parmi les ondes impliquées, les ondes de gravité posent le plus de problèmes, car elles ont des échelles très courtes et sont donc difficiles à observer et à modéliser.

La force de notre projet est liée à plusieurs facteurs:
- Nous avons contribué à l'obtention de bases de données in situ uniques au monde pour l'analyse des ondes. Notre équipe inclut certains « PI » de ces observations (ballons stratosphériques à longue durée de vol, réseau de lidars pour la détection des changements de la composition atmosphérique).
- Nous équipe a une très forte expertise en modélisation puisqu'elle inclut les chercheurs ayant étendu les modèles de l'IPSL et du CNRM à la stratosphère. Elle a aussi développée une paramétrisation stochastique des ondes de gravité, ce qui a permis au modèle de l'IPSL de simuler une QBO.
- La circulation de Brewer-Dobson est très lente et donc difficile à diagnostiquer. Notre équipe a une expertise solide dans le diagnostique de cette circulation, en particulier via l'utilisation de techniques Lagrangiennes. Nous sommes donc en position stratégique pour comparer cette circulation entre les modèles et les observations.
- Notre projet rassemble des acteurs clefs des institutions françaises impliquées dans la modélisation de la stratosphère. En partageant nos efforts de recherche et de développement, nous augmenterons nos chances de réussite. Ces collaborations bénéficieront aussi de la complémentarité des objectifs des deux institutions (prévision météorologique au CNRM, climat à l'IPSL).

Ce projet vise donc à former une équipe couvrant un éventail très large de compétences afin de progresser dans les observations, la compréhension et la modélisation de la stratosphère. Il découlera de ce projet une amélioration significative des modèles de climat français, et un renforcement du positionnement de notre communauté sur les études du climat et de la couche d'ozone.