Description du sujet de thèse

Objectifs de la thèse. Les objectifs sont 1) d’analyser les observations du lidar Raman qui auront été acquises durant les vols et à partir de la surface, 2) d’effectuer une étude du bilan d’erreur qui tient compte de la configuration expérimentale des vols et donc des différentes couches atmosphériques échantillonnées, et 3) de déduire les hétérogénéités horizontales des champs de vapeur d’eau, de température et d’aérosols entre les systèmes convectifs afin de mieux comprendre les interactions entre les nuages et leur environnement, et tester les mécanismes conduisant à la formation d’amas nuageux.
Le travail impliquera le développement d’une modélisation coupée des différentes voies de détection du lidar Raman. L’analyse des données pourra s’appuyer sur des méthodes développées en intelligence artificielle et occupera la majeure partie de la thèse. Elle nécessitera d’inverser les profils lidar horizontaux afin d’en extraire les champs d’humidité, de température, de nuages et d’aérosols. Ces champs seront ensuite analysés pour étudier en particulier les fluctuations de vapeur d’eau et de température sous les nuages et entre les nuages. Les synergies entre ces observations, celles des autres instruments à bord de l’avion (mesures radars et in-situ) et les observations spatiales aideront à mieux comprendre les interactions entre l’humidité atmosphérique, les poches froides générées par l’évaporation de la pluie, les structures cohérentes au sein de la couche limite, et l’organisation à mésoéchelle des nuages convectifs qui joue un rôle prépondérant sur le climat de la terre et qui reste néanmoins une source importante d’incertitude pour la modélisation météorologique et climatique.

Contexte de travail

Contexte. L’organisation spatiale des nuages à mésoéchelle, c’est-à-dire la tendance des nuages convectifs à s’agréger et à former des amas plus ou moins étendus horizontalement et verticalement, joue un rôle important dans le climat et en météorologie. En effet, le degré d’agrégation des nuages module le champ d’humidité à grande échelle, le bilan radiatif de la Terre et l’intensité des événements extrêmes de précipitation. Les mécanismes physiques contrôlant l’organisation des nuages ont été étudiés à partir de modèles numériques, mais encore très peu à l’aide d’observations. Pour combler ce manque, plusieurs campagnes d’observation se dérouleront au-dessus de l’océan Atlantique pendant l’été 2024, regroupées sont le nom d’ORCESTRA (Organized Convection Experiments in the Tropical Atlantic). Parmi elles, la campagne aéroportée MAESTRO (Mesoscale organisation of tropical convection, https://maestro.aeris-data.fr) se déroulera au large du Cap Vert en août-septembre 2024. Soutenue par l’European Research Council (ERC), cette campagne aura pour but de collecter les observations qui permettront de tester notre compréhension physique des processus d’organisation des nuages, puis d’évaluer la capacité des modèles de prévision du temps et du climat à représenter ces processus. Pour cela, un avion de recherche français (l’ATR-42 de SAFIRE) sera équipé d’une instrumentation très innovante, incluant plusieurs lidars, radars et sondes de turbulence et de microphysique. Notamment, pour la première fois un lidar Raman sera positionné en tir horizontal pour mesurer la distribution horizontale de la vapeur d’eau, de la température, des nuages et des aérosols. L’analyse et l’interprétation des mesures de ce lidar seront au cœur de la thèse proposée ici.
La thèse se déroulera au sein du LSCE (https://www.lsce.ipsl.fr/) qui est un laboratoire spécialisé dans l’étude du climat et de l’environnement. Elle sera rattachée au groupe lidar de ce laboratoire sous la responsabilité du directeur de thèse. Elle sera co-encadrée par une personne du LMD (https://www.lmd.ipsl.fr/) qui est spécialisée dans les processus atmosphériques dynamiques et le climat, plus particulièrement dans le lien entre changement climatique et nuages. Les deux laboratoires font partie de l’IPSL (https://www.ipsl.fr/), ils sont des unités mixtes de recherche du CNRS. Le LSCE est un laboratoire avec une forte composante CEA (https://www.cea.fr/) et le LMD avec une forte composante de l’ENS (https://www.ens.psl.eu/). Les deux laboratoires sont liés aux universités Paris-Saclay (https://www.universite-paris-saclay.fr/) et Sorbonne-Université (https://www.sorbonne-universite.fr/), respectivement.

Contraintes et risques

Compétences demandées. Formation en physique indispensable, avec un bon bagage mathématique. Un intérêt fort pour les sciences de l’atmosphère, du climat, et de la météorologie. Compétences sérieuses en programmation, traitement du signal et en calcul numérique. Capacité de travail en équipe. Bonne capacité à s’exprimer en anglais à l’écrit et à l’oral.

Collaborations. L'étudiant(e) sera amené(e) à travailler en équipe, avec les autres partenaires du projet MAESTRO. Il aura également de nombreuses opportunités d’interaction et de collaboration avec les autres partenaires des campagnes ORCESTRA, notamment en Allemagne (Max Planck Institute for Meteorology et DLR) et avec le monde industriel.

Localisation de la thèse. Les travaux de recherche seront conduits sur le site du LSCE localisé au CEA à Saclay et sur le site du LMD situé à Paris sur le campus Pierre et Marie Curie de Sorbonne Université.