Cette thèse étudie la modélisation de l’interaction onde–écoulement moyen dans l’atmosphère
terrestre à travers l’exemple de l’oscillation quasi-biennale (QBO). Cette oscillation correspond à
une alternance de vents d’est et d’ouest dans la basse stratosphère tropicale, entre 18 et 35 km
d’altitude, avec une période irrégulière d’environ 27 mois, qui ne correspond à aucune périodicité
connue. Les premières explications théoriques apparurent au début des années 1970, peu après sa
découverte. Ces modèles, dont celui de référence de Holton, Lindzen et Plumb (HLP), expliquent
l’alternance des phases par la présence d’ondes produites dans la troposphère par la convection
profonde et se dissipant dans la stratosphère. La QBO, dont la dynamique influence la météorologie
jusqu’aux moyennes latitudes, est cruciale dans notre compréhension de l’évolution de l’atmosphère
moyenne.

Au-delà des modèles idéalisés, les modèles de circulation générale (GCM) permettent d’étudier la
QBO avec l’ensemble des couplages qui l’accompagnent. Ces modèles ont d’abord eu des difficultés
à reproduire une oscillation, et celle-ci souffre encore aujourd’hui de nombreux biais difficiles à
corriger : les GCMs sont complexes à ajuster et les différents processus sont difficilement isolables.
L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre certains mécanismes mal contraints qui
gouvernent la QBO et sa modélisation.

Dans un premier temps, nous avons construit une configuration idéalisée 2D (altitude–longitude) de
la QBO avec des ondes résolues, dont on maîtrise toute la chaîne : génération, propagation et
dissipation. Cette configuration a d’abord été validée par rapport aux premiers modèles théoriques,
avant de s’en écarter progressivement. Cette étude révèle déjà des différences de sensibilité avec le
modèle HLP, liées notamment à une rétroaction de la QBO sur la génération des ondes elles-mêmes,
processus absent par essence du modèle HLP.

Un ingrédient important de cette configuration, comme du modèle HLP, est la paramétrisation de la
diffusion verticale, essentiel à l’oscillation. Après avoir testé différentes valeurs
constantes, nous avons testé des paramétrisations dépendant de la stabilité de l’atmosphère et
produisant un mélange plus intense lorsque celle-ci est peu stable, en particulier le récent
changement introduit dans l’Integrated Forecasting System (IFS) du Centre européen pour les
prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT). Nous observons qu’une diffusion plus
faible augmente fortement l’amplitude de la QBO simulée, tandis qu’elle en allonge la période de
manière plus modérée. Cette étude a par ailleurs mis en évidence que les ondes sont responsables de
la majorité de la diffusion applicable à la QBO, révélant ainsi un nouveau mécanisme d’interaction
entre les ondes et l’écoulement moyen, au-delà de la divergence du flux de moment qui l’accélère.

Enfin, nous avons étudié l’effet d’un forçage asymétrique sur la QBO et ses répercussions sur
l’asymétrie de la période de l’oscillation. Cette démarche est motivée par l’existence d’oscillations
équatoriales analogues dans les atmosphères des planètes géantes, en particulier sur Jupiter et
Saturne. Ces oscillations constituent autant de réalisations distinctes d’un même type de dynamique
onde–écoulement moyen. Notre étude met en évidence différents régimes d’oscillation, dont la
nature dépend de la longueur de dissipation radiative des ondes. Pour des ondes planétaires,
l’asymétrie se traduit principalement dans les vents de la basse stratosphère et dans un éventuel
renversement du vent en altitude, le reste de l’oscillation n’étant que faiblement affecté sur une large
gamme d’asymétries. À l’inverse, pour des ondes de plus petite échelle, l’asymétrie se propage
verticalement et affecte l’ensemble de l’oscillation.

La thèse sera en français.

Lieu
Bâtiment Enseignement Mutualisé (BEM) Ampli 1003

Visio
https://visio.numerique.gouv.fr/hjd-sdlc-rnx

Peter Bechtold (ECMWF, ESM) – Rapporteur
Alison Ming (University of Cambridge, DAMTP) – Rapporteure
Aymeric Spiga (Sorbonne Université, LMD) – Examinateur
Stéphanie Evan (Université de La Réunion, LACY) – Examinateur
Michael Le Bars (Université d’Aix-Marseille, IRPHÉ) – Examinateur
Riwal Plougonven (École polytechnique, LMD) – Directeur de thèse
Aurélien Podglajen (École polytechnique, LMD) – Co‑encadrant de thèse