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Utilisation de mesures long-terme pour une meilleure évaluation des échanges surface-atmosphère dans les modèles de prévision du temps et du climat – Projet MOSAI. (H/F)

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Date Limite Candidature : lundi 28 juin 2021

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Informations générales

Référence : UMR5560-FABLOH-002
Lieu de travail : CAMPISTROUS
Date de publication : lundi 7 juin 2021
Nom du responsable scientifique : Supervisor: Fabienne Lohou, co-supervisors: Marie Lothon, Guylaine Canut, Jean-Charles Dupont
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2021
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Les phénomènes météorologiques puisent et dissipent une grande partie de leur énergie à la surface de la terre. La surface continentale, de par sa topographie, l'humidité du sol, la température ou l'activité de la végétation, a un impact sur l'atmosphère de l'échelle diurne à l'échelle saisonnière (Dirmeyer et Halder, 2016, Betts et al., 2017): convection de l'après-midi, formation et évolution des nuages ​​(Milovac et al., 2016), circulations à méso-échelle (Taylor et al., 2012) ou ondes planétaires (Koster et al., 2014). Les processus atmosphériques proches de la surface terrestre se sont avérés influents sur les événements extrêmes, tels que la sécheresse atmosphérique et les vagues de chaleur (Wang et al., 2015). Au travers de ces phénomènes, la surface terrestre peut impacter les trajectoires climatiques (Seneviratne et al., 2010). Une évaluation précise des échanges Surface-Atmosphère (S-A), et leur représentation correcte, sont donc essentielles pour les prévisions météorologiques et climatiques. Le Global Energy and Water cycle Exchanges (GEWEX) et World Climate Research Program (WCRP) ont souligné au cours des dix dernières années l'importance du couplage S-A pour les modèles météorologiques et climatiques. Le Groupe de travail sur l'expérimentation numérique (WGNE) (février 2019) a établi que le biais sur les flux de chaleur sensible et latente en surface est la deuxième source d'erreurs dans les modèles. Les modèles du système terrestre (ESM) et les modèles de prévision numérique du temps (NWP) ont souvent des biais importants dans leur représentation des flux surface-atmosphère par rapport aux observations. La quantification détaillée et la réduction de ces biais sont toujours en cours dans de nombreux centres de modélisation. Le projet MOSAI vise à contribuer à cet effort.

La première étape pour atteindre cet objectif est de procéder à une évaluation juste et correcte des interactions S-A simulées par les ESM et NWP. Ceci peut être fait sur la base de références fiables auxquelles les échanges S-A simulés peuvent être comparés.

L'objectif principal de cette thèse correspond au premier objectif scientifique du projet MOSAI. Il s'agit d'étudier et de déterminer les incertitudes et représentativités des échanges S-A mesurées sur des paysages hétérogènes. Le doctorant profitera de longues séries de mesures acquises sur les sites instrumentés des infrastructures de recherches ACTRIS et ICOS et évaluera systématiquement les erreurs de mesure, la question de la non-fermeture du bilan énergétique de surface (SEB) et la représentativité des mesures locales dans le paysage hétérogène, à l'échelle de la maille des modèles. Il s'agit d'une étape nécessaire vers une évaluation équitable des modèles afin d'éviter de blâmer les EMS pour de mauvaises raisons ou de douter des observations. Pour atteindre cet objectif, des expériences de terrain dédiées sont nécessaires pour documenter la variabilité des échanges S-A dans une maille de 5 x 5 km2 autour des sites ACTRIS. Une campagne de terrain d'un an par site est prévue à Météopole (Toulouse, 07/2020 à 07/2021), au SIRTA (Palaiseau, en 2022) et à la P2OA (Lannemezan, en 2023). Jusqu'à cinq parcelles avec des couvertures végétales différentes, choisies selon la carte d'occupation des sols à haute résolution créée par le CESBIO, seront instrumentées. Une campagne d'un an permet de prendre en compte les variabilités saisonnières des échanges S-A, due à la végétation et aux changements des conditions météorologiques. Les instruments de mesure fourniront tous les paramètres impliqués dans le système sol-végétation-atmosphère : les flux, le rayonnement, les caractéristiques et les conditions du sol, type et état de la végétation, et principales caractéristiques de la couche limite. Afin d'étendre l'observation à la dimension verticale de la couche limite atmosphérique et d'accroître la compréhension de la variabilité horizontale, la campagne de mesure à la P2OA (le site le plus rural) sera renforcée par des observations spécifiques et non permanentes le long l'année, y compris (i) des profils fréquents de la CBL avec des radiosondes réutilisables, (ii) des mesures de turbulence in-situ avec des drones, (iii) l'information spatialisée de l'échange S-A par des scintillomètres IR et microonde , et (iv) des informations spatialisées sur l'humidité du sol à l'aide du système GNSS. L'étudiant en thèse participera aux deux campagnes de mesure au SIRTA et à la P2OA. L'étudiant en thèse construira deux nouveaux indicateurs pour compléter le flux de surface mesuré sur les sites ACTRIS.

Le premier indicateur concerne la représentativité horizontale du flux de surface mesuré localement dans le paysage hétérogène à l'échelle de la maille d'un ESM ou d'un NWP. La quantification de la représentativité horizontale des mesures d'échanges S-A dans un paysage hétérogène nécessite deux étapes. La première étape concerne l'étude de l'empreinte de la mesure (footprint). L'empreinte des flux dépend de la hauteur de la mesure, de la longueur de rugosité de surface, de la vitesse et de la direction du vent et de la stabilité atmosphérique. L'homogénéité de la surface dans l'empreinte est importante à prendre en compte lors de l'utilisation des observations pour évaluer les modèles numériques. L'étude de la variabilité de l'empreinte en fonction de la saison et des conditions météorologiques ainsi que l'utilisation de la carte d'occupation des sols (par satellite) permettra de savoir si le flux mesuré représente une surface homogène ou un panel de plusieurs surfaces. Les observations fourniront des hétérogénéités d'échange S-A à l'échelle de la maille du modèle compte tenu des mesures effectuées sur les couvertures représentatives à proximité du site. La deuxième étape combinera l'empreinte avec les hétérogénéités d'échange S-A mesurées à l'échelle de la grille du modèle et fournira l'indicateur de la représentativité du flux mesuré. En cas de surface homogène dans l'empreinte, l'indicateur doit quantifier la représentativité de l'échange S-A sur cette surface particulière dans la gamme des échanges S-A dans la grille du modèle. En cas de surface hétérogène dans l'empreinte, l'indicateur doit quantifier dans quelle mesure le flux agrégé dans l'empreinte représente le flux agrégé à l'échelle de la grille du modèle. Cet indicateur guidera la comparaison entre les flux mesurés et simulés (WP2).
Le deuxième indicateur quantifiera les incertitudes des flux de surface (erreurs aléatoires et systématiques, et, SEB non-fermeture -Finkelstein et Sims, 2001; Kroon et al., 2010; Hollinger et Richardson, 2005; Richardson et al., 2006; Reed et al.2018). Une attention particulière sera envisagée pour le terme d'évapotranspiration et le flux de chaleur dans le sol, en raison de la plus grande difficulté à effectuer des mesures précises de ces flux (Foken et al., 2006, Mauder et al., 2018). En particulier, sur l'un des sites ICOS, les mesures du flux thermique du sol seront complétées par des capteurs de conductivité thermique et de capacité thermique massique.
Enfin, l'indicateur d'hétérogénéité et l'incertitude de mesure due à la non-fermeture du SEB seront analysés de manière croisée pour tester l'effet possible d'un flux d'advection horizontal important et / ou d'un échantillonnage insuffisant de tourbillons turbulents à grande échelle en raison de l'hétérogénéité du paysage.

Cette thèse est financée par le projet MOSAI (ANR 2020). Sept laboratoires français sont partenaires de ce projet: LAERO, CESBIO, CNRM, GET, LMD, LATMOS, IGE et ISPRA. Les résultats attendus de ce travail de thèse constituent des livrables nécessaires à d'autres objectifs scientifiques du projet MOSAI. Par ailleurs, les indicateurs qui seront développés au cours de cette thèse seront mis en œuvre de manière opérationnelle dans la base de données AERIS pour accompagner les mesures quotidiennement distribuées par la base de données AERIS.

Contexte de travail

Le LAERO (Laboratoire d'Aérologie) fait partie de l'observatoire OMP (Observatoire Midi-Pyrénées). L'OMP fédère tous les laboratoires de science de l'univers, des planètes et de l'environnement de l'Université Paul Sabatier (UPS-Toulouse III) avec des missions de recherche, d'observation, d'enseignement, de diffusion de la culture scientifique et de coopération internationale. Les activités scientifiques du LAERO sont principalement dédiées à l'observation et à la modélisation numérique des processus atmosphériques, en particulier la dynamique, la physique et la chimie à petite et moyenne échelle. Le LAERO coordonne et anime le site instrumenté P2OA, notamment sa tour de 60 m équipée de 5 niveaux d'instrumentation météorologique et de bilan d'énergie pleinement impliqué dans le projet MOSAI. Il participe à l'infrastructure ACTRIS-FR à travers le flux de surface, l'imageur du ciel, le profilage du vent entre autres, et coordonne les groupes de travail associés dans l'infrastructure. Les expertises des chercheurs du LAERO impliqués dans le projet MOSAI couvrent l'observation et la compréhension de l'interaction surface / atmosphère et de la dynamique des couches limites. De plus, Fabienne Lohou (encadrant principal de la thèse) est le responsable du projet MOSAI, alors que Guylaine Canut, Marie Lothon et Jean-Charles Dupont (co-encadrants de la thèse) sont des leaders de plusieurs groupes de travail du projet MOSAI.

Ce travail doctoral se fera en lien étroit avec les responsables des mesures sur les sites expérimentaux ainsi qu'avec les spécialistes des paramétrisations représentant les interactions surface-atmosphère. 1. Collaborations avec les trois sites de mesure à long terme ACTRIS: Jean-Charles Dupont / IPSL au SIRTA, Guylaine Canut, William Maurel / CNRM météo-France chez Météopole-Flux et Fabienne Lohou, Solène Derrien, Antoine Vial chez P2OA. 2. Collaborations avec l'ensemble de la communauté du projet MOSAI.

Informations complémentaires

Étudiant titulaire d'une maîtrise en physique atmosphérique ayant suivi des cours sur la couche limite et la couche de surface. La connaissance d'un langage de programmation est essentielle. Étudiant s'intéressant à la fois à la mesure et à la modélisation numérique.

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