Processus impactant le cycle de vie des cirrus à la tropopause tropicale : apports des observations de Stratéole-2

This thesis focuses on the observation of gravity waves at the tropical tropopause layer (TTL) by superpressure balloons, and their impact on cirrus clouds. First, the gravity wave activity is quantified thanks to in-situ observations of superpressure balloons from the first two Stratéole-2 campaigns. The link between tropical deep convection and wave activity is demonstrated at a synoptic scale by the decrease of wave amplitude with distance to convective cell. The geographical variability of gravity wave activity, its intermittency, as well as its interannual variability are also studied. In a second step, the impact of gravity waves on cirrus clouds is studied thanks to the combination of Lagrangian measurements of temperature fluctuations with a microphysics model representing the homogeneous nucleation, growth and sedimentation of ice crystals, as well as a very simplified representation of the wind shear. The impact of the waves on ice crystals population and the consequences on the evolution of cirrus clouds and their capacity to dehydrate the air masses during the ascent in the TTL is quantified. The results are compared with observations from the ATTREX campaign in the TTL over the Pacific Ocean, and demonstrate the importance of realistic representation of waves in microphysics simulations. Finally, a sensitivity study to the amplitude of gravity waves is discussed for the cirrus structure and ice crystal population.Cette thèse s'intéresse à l'observation des ondes de gravité dans la tropopause tropicale (TTL pour tropical tropopause layer) par ballons pressurisés, et à leur impact sur les cirrus. Dans un premier temps, l'activité des ondes de gravité est quantifiée grâce aux observations in-situ des ballons pressurisés des deux premières campagnes de Stratéole-2. Le lien entre la convection profonde tropicale et l'activité des ondes est démontré à l'échelle synoptique par la diminution de l'amplitude des ondes avec la distance aux cellules convectives. La variabilité géographique de l'activité des ondes de gravité, de leur intermittence, ainsi que leur variabilité inter-annuelle sont également évaluées. Dans un second temps, l'impact des ondes de gravité sur les cirrus est étudié grâce à la combinaison des mesures lagrangiennes des fluctuations de températures avec un modèle de microphysique prenant en compte la nucléation homogène, la croissance et la sédimentation des cristaux de glace, ainsi qu'une représentation très simplifiée du cisaillement de vent. L'impact des ondes sur la population de glace et les conséquences sur l'évolution des cirrus ainsi que sur leur capacité à assécher les masses d'air lors de l'ascension dans la TTL est quantifié. Les résultats sont comparés avec les observations de la campagne ATTREX dans la TTL au-dessus de l'océan Pacifique, et démontrent l'importance de la représentation réaliste des ondes dans les simulations de microphysique. Enfin, une étude de sensibilité à l'amplitude des ondes de gravité est discutée pour la structure des cirrus et la population de cristaux

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This thesis focuses on the observation of gravity waves at the tropical tropopause layer (TTL) by superpressure balloons, and their impact on cirrus clouds. First, the gravity wave activity is quantified thanks to in-situ observations of superpressure balloons from the first two Stratéole-2 campaigns. The link between tropical deep convection and wave activity is demonstrated at a synoptic scale by the decrease of wave amplitude with distance to convective cell. The geographical variability of gravity wave activity, its intermittency, as well as its interannual variability are also studied. In a second step, the impact of gravity waves on cirrus clouds is studied thanks to the combination of Lagrangian measurements of temperature fluctuations with a microphysics model representing the homogeneous nucleation, growth and sedimentation of ice crystals, as well as a very simplified representation of the wind shear. The impact of the waves on ice crystals population and the consequences on the evolution of cirrus clouds and their capacity to dehydrate the air masses during the ascent in the TTL is quantified. The results are compared with observations from the ATTREX campaign in the TTL over the Pacific Ocean, and demonstrate the importance of realistic representation of waves in microphysics simulations. Finally, a sensitivity study to the amplitude of gravity waves is discussed for the cirrus structure and ice crystal population.Cette thèse s'intéresse à l'observation des ondes de gravité dans la tropopause tropicale (TTL pour tropical tropopause layer) par ballons pressurisés, et à leur impact sur les cirrus. Dans un premier temps, l'activité des ondes de gravité est quantifiée grâce aux observations in-situ des ballons pressurisés des deux premières campagnes de Stratéole-2. Le lien entre la convection profonde tropicale et l'activité des ondes est démontré à l'échelle synoptique par la diminution de l'amplitude des ondes avec la distance aux cellules convectives. La variabilité géographique de l'activité des ondes de gravité, de leur intermittence, ainsi que leur variabilité inter-annuelle sont également évaluées. Dans un second temps, l'impact des ondes de gravité sur les cirrus est étudié grâce à la combinaison des mesures lagrangiennes des fluctuations de températures avec un modèle de microphysique prenant en compte la nucléation homogène, la croissance et la sédimentation des cristaux de glace, ainsi qu'une représentation très simplifiée du cisaillement de vent. L'impact des ondes sur la population de glace et les conséquences sur l'évolution des cirrus ainsi que sur leur capacité à assécher les masses d'air lors de l'ascension dans la TTL est quantifié. Les résultats sont comparés avec les observations de la campagne ATTREX dans la TTL au-dessus de l'océan Pacifique, et démontrent l'importance de la représentation réaliste des ondes dans les simulations de microphysique. Enfin, une étude de sensibilité à l'amplitude des ondes de gravité est discutée pour la structure des cirrus et la population de cristaux

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Cette thèse s'intéresse à l'observation des ondes de gravité dans la tropopause tropicale (TTL pour tropical tropopause layer) par ballons pressurisés, et à leur impact sur les cirrus. Dans un premier temps, l'activité des ondes de gravité est quantifiée grâce aux observations in-situ des ballons pressurisés des deux premières campagnes de Stratéole-2. Le lien entre la convection profonde tropicale et l'activité des ondes est démontré à l'échelle synoptique par la diminution de l'amplitude des ondes avec la distance aux cellules convectives. La variabilité géographique de l'activité des ondes de gravité, de leur intermittence, ainsi que leur variabilité inter-annuelle sont également évaluées. Dans un second temps, l'impact des ondes de gravité sur les cirrus est étudié grâce à la combinaison des mesures lagrangiennes des fluctuations de températures avec un modèle de microphysique prenant en compte la nucléation homogène, la croissance et la sédimentation des cristaux de glace, ainsi qu'une représentation très simplifiée du cisaillement de vent. L'impact des ondes sur la population de glace et les conséquences sur l'évolution des cirrus ainsi que sur leur capacité à assécher les masses d'air lors de l'ascension dans la TTL est quantifié. Les résultats sont comparés avec les observations de la campagne ATTREX dans la TTL au-dessus de l'océan Pacifique, et démontrent l'importance de la représentation réaliste des ondes dans les simulations de microphysique. Enfin, une étude de sensibilité à l'amplitude des ondes de gravité est discutée pour la structure des cirrus et la population de cristaux.This thesis focuses on the observation of gravity waves at the tropical tropopause layer (TTL) by superpressure balloons, and their impact on cirrus clouds. First, the gravity wave activity is quantified thanks to in-situ observations of superpressure balloons from the first two Stratéole-2 campaigns. The link between tropical deep convection and wave activity is demonstrated at a synoptic scale by the decrease of wave amplitude with distance to convective cell. The geographical variability of gravity wave activity, its intermittency, as well as its interannual variability are also studied. In a second step, the impact of gravity waves on cirrus clouds is studied thanks to the combination of Lagrangian measurements of temperature fluctuations with a microphysics model representing the homogeneous nucleation, growth and sedimentation of ice crystals, as well as a very simplified representation of the wind shear. The impact of the waves on ice crystals population and the consequences on the evolution of cirrus clouds and their capacity to dehydrate the air masses during the ascent in the TTL is quantified. The results are compared with observations from the ATTREX campaign in the TTL over the Pacific Ocean, and demonstrate the importance of realistic representation of waves in microphysics simulations. Finally, a sensitivity study to the amplitude of gravity waves is discussed for the cirrus structure and ice crystal population

Processus impactant le cycle de vie des cirrus à la tropopause tropicale : apports des observations de Stratéole-2

This thesis focuses on the observation of gravity waves at the tropical tropopause layer (TTL) by superpressure balloons, and their impact on cirrus clouds. First, the gravity wave activity is quantified thanks to in-situ observations of superpressure balloons from the first two Stratéole-2 campaigns. The link between tropical deep convection and wave activity is demonstrated at a synoptic scale by the decrease of wave amplitude with distance to convective cell. The geographical variability of gravity wave activity, its intermittency, as well as its interannual variability are also studied. In a second step, the impact of gravity waves on cirrus clouds is studied thanks to the combination of Lagrangian measurements of temperature fluctuations with a microphysics model representing the homogeneous nucleation, growth and sedimentation of ice crystals, as well as a very simplified representation of the wind shear. The impact of the waves on ice crystals population and the consequences on the evolution of cirrus clouds and their capacity to dehydrate the air masses during the ascent in the TTL is quantified. The results are compared with observations from the ATTREX campaign in the TTL over the Pacific Ocean, and demonstrate the importance of realistic representation of waves in microphysics simulations. Finally, a sensitivity study to the amplitude of gravity waves is discussed for the cirrus structure and ice crystal population.Cette thèse s'intéresse à l'observation des ondes de gravité dans la tropopause tropicale (TTL pour tropical tropopause layer) par ballons pressurisés, et à leur impact sur les cirrus. Dans un premier temps, l'activité des ondes de gravité est quantifiée grâce aux observations in-situ des ballons pressurisés des deux premières campagnes de Stratéole-2. Le lien entre la convection profonde tropicale et l'activité des ondes est démontré à l'échelle synoptique par la diminution de l'amplitude des ondes avec la distance aux cellules convectives. La variabilité géographique de l'activité des ondes de gravité, de leur intermittence, ainsi que leur variabilité inter-annuelle sont également évaluées. Dans un second temps, l'impact des ondes de gravité sur les cirrus est étudié grâce à la combinaison des mesures lagrangiennes des fluctuations de températures avec un modèle de microphysique prenant en compte la nucléation homogène, la croissance et la sédimentation des cristaux de glace, ainsi qu'une représentation très simplifiée du cisaillement de vent. L'impact des ondes sur la population de glace et les conséquences sur l'évolution des cirrus ainsi que sur leur capacité à assécher les masses d'air lors de l'ascension dans la TTL est quantifié. Les résultats sont comparés avec les observations de la campagne ATTREX dans la TTL au-dessus de l'océan Pacifique, et démontrent l'importance de la représentation réaliste des ondes dans les simulations de microphysique. Enfin, une étude de sensibilité à l'amplitude des ondes de gravité est discutée pour la structure des cirrus et la population de cristaux

Processus impactant le cycle de vie des cirrus à la tropopause tropicale : apports des observations de Stratéole-2

This thesis focuses on the observation of gravity waves at the tropical tropopause layer (TTL) by superpressure balloons, and their impact on cirrus clouds. First, the gravity wave activity is quantified thanks to in-situ observations of superpressure balloons from the first two Stratéole-2 campaigns. The link between tropical deep convection and wave activity is demonstrated at a synoptic scale by the decrease of wave amplitude with distance to convective cell. The geographical variability of gravity wave activity, its intermittency, as well as its interannual variability are also studied. In a second step, the impact of gravity waves on cirrus clouds is studied thanks to the combination of Lagrangian measurements of temperature fluctuations with a microphysics model representing the homogeneous nucleation, growth and sedimentation of ice crystals, as well as a very simplified representation of the wind shear. The impact of the waves on ice crystals population and the consequences on the evolution of cirrus clouds and their capacity to dehydrate the air masses during the ascent in the TTL is quantified. The results are compared with observations from the ATTREX campaign in the TTL over the Pacific Ocean, and demonstrate the importance of realistic representation of waves in microphysics simulations. Finally, a sensitivity study to the amplitude of gravity waves is discussed for the cirrus structure and ice crystal population.Cette thèse s'intéresse à l'observation des ondes de gravité dans la tropopause tropicale (TTL pour tropical tropopause layer) par ballons pressurisés, et à leur impact sur les cirrus. Dans un premier temps, l'activité des ondes de gravité est quantifiée grâce aux observations in-situ des ballons pressurisés des deux premières campagnes de Stratéole-2. Le lien entre la convection profonde tropicale et l'activité des ondes est démontré à l'échelle synoptique par la diminution de l'amplitude des ondes avec la distance aux cellules convectives. La variabilité géographique de l'activité des ondes de gravité, de leur intermittence, ainsi que leur variabilité inter-annuelle sont également évaluées. Dans un second temps, l'impact des ondes de gravité sur les cirrus est étudié grâce à la combinaison des mesures lagrangiennes des fluctuations de températures avec un modèle de microphysique prenant en compte la nucléation homogène, la croissance et la sédimentation des cristaux de glace, ainsi qu'une représentation très simplifiée du cisaillement de vent. L'impact des ondes sur la population de glace et les conséquences sur l'évolution des cirrus ainsi que sur leur capacité à assécher les masses d'air lors de l'ascension dans la TTL est quantifié. Les résultats sont comparés avec les observations de la campagne ATTREX dans la TTL au-dessus de l'océan Pacifique, et démontrent l'importance de la représentation réaliste des ondes dans les simulations de microphysique. Enfin, une étude de sensibilité à l'amplitude des ondes de gravité est discutée pour la structure des cirrus et la population de cristaux

Observation of Gravity Waves at the Tropical Tropopause Using Superpressure Balloons

International audienceTropical gravity wave activity is investigated using measurements of momentum fluxes gathered during Strateole-2 superpressure balloon flights. The data set consists of eight balloon flights performed in the deep tropics from November 2019 to February 2020. The flights lasted for 2–3 months each, and in-situ meteorological data were collected every 30 s. The relation between gravity waves and deep convection is investigated using geostationary satellite data from the NOAA/NCEP GPM_MERGIR satellite data product, at 1 h resolution. The amplitude of gravity wave momentum fluxes shows a clear dependence on the distance to the nearest convective system, with a strong decay as distance to convection increases. The largest momentum-flux values (>urn:x-wiley:2169897X:media:jgrd57204:jgrd57204-math-0001mPa) are only found less than 200 km away from deep convection. The sensitivity of the wave flux to distance from convection is stronger for high frequency gravity waves (periods shorter than 60 min). Lower frequency waves tend to a non-zero, background value away from convection, supporting some background value in gravity-wave drag parameterizations. On the other hand, the wide range of momentum flux values observed close to the convection emphasizes the intermittent nature of the gravity-wave source. The large scale variation of gravity-wave intermittency within the equatorial belt is also studied. The results highlight spatial variations of gravity wave activity, with the highest momentum flux recorded over land

Study of clear air turbulence (detection, observation, generation) in the Tropical Upper Troposphere-Lower Stratosphere (UTLS)

International audienceThe role played by turbulent mixing in the vertical transport of constituents in the UTLS is still poorly understood: there is a lack of knowledge of turbulence due to the limited number of observations in this region as well as to the limitations of current observation techniques.The first part of the present work deals with the detection of small-scale turbulence in the tropical upper troposphere - lower stratosphere from in-situ meteorological measurements collected under super-pressure balloons (SPBs). Eight SPBs were launched during the first Strateole-2 campaign, from November 2019 to March 2020 and flying for several weeks (∼ 3 months). Turbulence detection methods relies on the quasi-periodic vertical oscillations (∼ ±15 m) of the SPBs around their equilibrium positions, such oscillations inducing large fluctuations of measured quantities (pressure, temperature, positions) and inferred quantities (density, potential temperature). A first method of detection is based on correlations between the increments of potential temperature δθ and the vertical displacements of the balloons (i.e. of the sensors) δz. Such correlations are expected to be null as ∂θ/∂z → 0 in case of turbulent mixing. A second method relies on the Richardson number criterion, Ri < 0.25. Ri is deduced from the vertical gradients of measured quantities (T , u, v), estimated from covariances between the increments of the considered quantities and the vertical displacements δz. Turbulence indexes (true of false) to describe the different states of the flow encountered by the SPBs during their flights (laminar or turbulent), are evaluated. These different indexes, based on independent measurements and on various methods, correlations or linear regressions, are found to be consistent: they differ for less than 3% of the cases. The flow is observed to be turbulent for about 5% of the time, with strong inhomogeneities along the longitude.The second part of the present work aims to improve our understanding of turbulence, and its impacts, in the tropical UTLS by studying small- to meso-scale processes, i.e. atmospheric waves, deep convection and associated observed turbulence. These are all key processes of the dynamics of the equatorial UTLS. One can evaluate the probability of turbulence occurrences as a function of the distance to deep convection. Such a distance seems to be a good proxy of wave activity generated by deep convection. The occurrence frequency of turbulence is significantly larger when the distance to deep convection is small, i.e. smaller than ~ 200 km.This research should contribute to a better parametrization of these processes in climate models, and to a better estimation of their impact to vertical transport in the tropical UTLS

Reconstructing Balloon‐Observed Gravity Wave Momentum Fluxes Using Machine Learning and Input From ERA5

International audienceGlobal atmospheric models rely on parameterizations to capture the effects of gravity waves (GWs) on middle atmosphere circulation. As they propagate upwards from the troposphere, the momentum fluxes associated with these waves represent a crucial yet insufficiently constrained component. The present study employs three tree‐based ensemble machine learning (ML) techniques to probe the relationship between large‐scale flow and small‐scale GWs within the tropical lower stratosphere. The measurements collected by eight superpressure balloons from the Strateole 2 campaign, comprising a cumulative observation period of 680 days, provide valuable estimates of the gravity wave momentum fluxes (GWMFs). Multiple explanatory variables, including total precipitation, wind, and temperature, were interpolated from the ERA5 reanalysis at each balloon's location. The ML methods are trained on data from seven balloons and subsequently utilized to estimate reference GWMFs of the remaining balloon. We observed that parts of the GW signal are successfully reconstructed, with correlations typically around 0.54 and exceeding 0.70 for certain balloons. The models show significantly different performances from one balloon to another, whereas they show rather comparable performances for any given balloon. In other words, limitations from training data are a stronger constraint than the choice of the ML method. The most informative inputs generally include precipitation and winds near the balloons' level. However, different models highlight different informative variables, making physical interpretation uncertain. This study also discusses potential limitations, including the intermittent nature of GWMFs and data scarcity, providing insights into the challenges and opportunities for advancing our understanding of these atmospheric phenomena