Institut Pierre-Simon Laplace

Sciences du climat

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The Dynamics of the Arctic Ocean

21/11/2022 14:00

Gianluca Meneghello, researcher at MIT, will present a seminar at the Ecole Normale Supérieure on the 21st of November at 2p.m

Toward eliminating and understanding a decades-old bias in climate models

14/11/2022 11:00

Sebastian Schemm, researcher at ETH Zurich, will present his work at the Ecole Normale Supérieure on the 14th of November at 11a.m

Le climat change, la météo aussi ?

08/11/2022 12:45

Le COSI (Café Ouvert Sciences et Ingénierie) est un rendez-vous convivial destiné à tous les personnels. N’hésitez pas à y participer !

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Modélisation du bilan d'énergie des lacs dans le modèle de surface continentale ORCHIDEE.

26/01/2022 14:00

Au regard de l’importance des lacs sur le climat et de leur rôle sociétal, il est pertinent de les implémenter dans les modèles de climats pour comprendre leur influence sur les différents cycles comme ceux de l’eau, du carbone, du méthane ou encore leur interaction avec la couche limite de l’atmosphère. Cette thèse vise à implémenter les lacs dans le modèle de surface continental ORCHIDEE. Nous avons choisi le modèle à une dimension Flake qui simule le bilan d’énergie des lacs.

Dans une première partie de cette thèse nous avons réalisé une analyse de sensibilité des différents paramètres su modèle Flake. Nous avons mis en avant que les températures de surface des lacs et les flux de chaleur de surface sont d’abord sensibles à la profondeur. Cependant selon l’intervalle de profondeur choisie (peu ou très profond), on remarque que l’influence de la profondeur est plus important pour les lacs peu profond. Le coefficient d’extinction qui mesure la pénétration du rayonnement solaire dans l’eau est lui aussi influent pour les lac de faible profondeur.

Dans la suite du travail, nous avons couplé ORCHIDEE avec Flake et testé plusieurs stratégies d’agrégation des profondeurs à plusieurs résolutions (0.25 et 0.5 degrés). Nous avons utilisé la base de données GloboLakes pour valider les températures de surface de lac et la base de données « Global Lake and River Ice Phenology Database » pour valider les périodes de gel. Nous avons utilisé 5 forçages atmosphériques différents et nous avons remarqué la forte sensibilité du couplage aux forçages choisis. La stratégie d’agrégation des profondeurs des lacs à l’échelle de la maille de calcul, quant à elle, influence peu les résultats.

Le modèle couplé a finalement montré de bons résultats. Pour chaque série, la médiane des erreurs obtenues sur les températures à varie entre 2.7 K et 3.2 K. Les périodes de gel sont en général surestimées. La médiane des erreurs sur la période de gel varie entre 20 et 41 jour selon le forçage utilisé.

Des pistes d’amélioration du couplage sont envisagées comme la paramétrisation spatiale du coefficient d’extinction et l’évolution temporelle des profondeurs contraintes par les mesures satellitaires du futur instrument SWOT. Enfin, dans une perspective à plus long terme, il est envisagé de coupler le modèle ORCHIDEE-FLake avec le modèle atmosphérique LMDZ.

 

Lien pour suivre la soutenance : https://bbb.lsce.ipsl.fr/b/ant-tkd-efy

Lidar 2µm à source hybride fibrée/solide pour la télédétection du CO2 atmosphérique

10/12/2021 10:00

Dans une perspective de réchauffement climatique global, il est essentiel de mieux comprendre et caractériser, à l’échelle planétaire, les cycles des principaux gaz à effet de serre et notamment du dioxyde de carbone (CO2). Jusqu’ici, l’observation du CO2 depuis l’espace a été réalisée avec des sondeurs passifs. Cependant, l’emploi d’un Lidar (radar laser) embarqué sur satellite pourrait permettre une couverture spatio-temporelle accrue ainsi qu’une réduction significative des biais de mesure. Cette thèse s’intéresse au développement d’un laser à 2.05μm, compatible avec la mesure du CO2 par absorption différentielle (DIAL), en vue d’une future mission spatiale.

Pour répondre à la double contrainte robustesse/performance imposée par l’application spatiale, nous proposons une approche dite hybride, associant un laser entièrement fibré et un amplificateur cristallin. La partie « tout fibré », intrinsèquement compacte, robuste et exempte d’alignement
optique, a les propriétés requises mais l’énergie extractible par impulsion est limitée par des effets non-linéaire dans les fibres optiques. L’amplification en espace libre consiste en un simple passage dans un cristal Ho:YLF, nettement plus simple de mise en œuvre et moins sensible à l’alignement que les lasers en cavité espace libre. Ainsi, la source laser hybride conserve une importante robustesse, tout en atteignant des énergies importantes, inaccessibles aux amplificateurs fibrés mono-fréquences à 2.05μm.

À une fréquence de répétition de 1kHz, la source laser hybride fournit des impulsions de 9mJ, pour une durée de 187ns et une efficacité électro-optique de 2%, comparable avec les lasers d’autres missions lidar spatiales. Considérant ces résultats ainsi que les récentes avancées sur les détecteurs dans le proche infrarouge, une mission spatiale aux objectifs ambitieux pourrait voir le jour dans les années à venir.

Abstract

In a perspective of global warming, it is essential to better understand and characterize, at the global scale, the cycles of the main greenhouse gases and in particular of carbon dioxide (CO2). Until now, passive sounders have been used for this purpose, but the use of space-borne Lidar (laser radar) could be a major step forward for the observation of CO2, allowing a better spatial and temporal coverage and a significant reduction in the measurements biases. This thesis focuses on the development of a 2.05μm laser, compatible with CO2 measurement by differential absorption (DIAL), for a future space mission.

To meet the dual constraint of robustness/performance imposed by the space application, we propose a hybrid approach, combining an all-fiber laser and a bulk amplifier. The all-fiber part, intrinsically
compact, robust and free of optical alignment, has the required properties but the extractable energy per pulse is limited by non-linear effects in the optical fibers. The free-space amplification consists of a simple pass through a Ho:YLF crystal, which is significantly simpler to implement and less sensitive to alignment than free-space laser cavity. Thus, the hybrid laser source keeps an important robustness, while reaching important energies, unattainable to single frequency fiber amplifiers at 2.05μm.

At a repetition rate of 1kHz, the hybrid laser source provides 9mJ pulses, for a duration of 187ns and an electro-optical efficiency of 2%, comparable with other lasers for space lidar missions. Considering these results and the recent advances in near-infrared detectors, a space mission with ambitious objectives could be launched in the coming years.

Informations pratiques

La soutenance de thèse se tiendra à l’École Polytechnique – Amphithéâtre Becquerel le vendredi 10 décembre 2021 à 10h00. Vous trouverez ci-après le lien de connexion à la visioconférence.

The thesis defense which will be held at Ecole Polytechnique – Amphithéâtre Becquerel on Friday, December 10, 2021 at 10:00 am. You will find below the link to the web conference.

Lien/link : https://rdv.onera.fr/soutenance_jl

Évolution et persistance des vortex stratosphériques polaires Arctique et Antarctique sur la période 1979 – 2021

09/12/2021 10:00

Cette thèse de doctorat porte sur l’étude de l’évolution des vortex stratosphériques polaires au cours des quarante dernières années. L’intensité et la position de la bordure du vortex des hémisphères sud (HS) et nord (HN) sont évaluées en fonction de la latitude équivalente sur la période 1979 – 2021 sur trois niveaux isentropiques dans la basse et moyenne stratosphère (675 K, 550 K et 475 K) à partir des réanalyses ECMWF ERA-Interim. L’étude comprend également une analyse des dates d’apparition et de rupture des vortex polaires, qui sont déterminées à partir de seuils de vent (par exemple 15,2 m.s, 20 m/s et 25 m/s) le long du bord du vortex. La bordure du vortex est plus intense à la fin de l’hiver, en septembre – octobre – novembre dans l’HS et en février – mars dans l’HN.

Dans l’HS, une augmentation à long terme de l’intensité de la bordure du vortex et des dates de rupture est observée sur la période 1979 – 1999, liée à l’augmentation du trou d’ozone en Antarctique. Une telle tendance n’est pas observée dans l’HN. Après des ruptures précoces entre 1981 et 1987, des tourbillons plus persistants se sont produits dans le nord-est au cours des années 1990 aux trois niveaux isentropes et pour les trois valeurs seuils. Le cycle solaire et, dans une moindre mesure, l’oscillation quasi-biennale (QBO), El Niño Southern Oscillation (ENSO) et l’Oscillation Arctique (AO) modulent l’évolution interannuelle de l’intensité de la bordure du vortex ainsi que leurs dates de rupture. Pour les deux hémisphères, une bordure plus intense et une persistance du vortex sont observées lors des années de minimum solaire (minSC), avec la QBO, et l’ENSO ou l’AO modulant davantage l’influence du cycle solaire. Pour l’HS, durant les phases de QBO ouest (wQBO), la différence entre l’intensité de la bordure du vortex pour les années minSC et maxSC est plus faible que durant les phases de QBO est (eQBO). La bordure du vortex polaire est plus intense et persiste plus longtemps pour les années maxSC/wQBO que pour les années maxSC/eQBO. L’ENSO a un impact plus faible mais la bordure du vortex est un peu plus intense durant les phases froides de l’ENSO pour les années minSC et maxSC.

Pour l’HN, l’intense bordure du vortex durant la phase wQBO est plus prononcée que dans l’HS et la bordure du vortex est plus intense durant les années minSC/wQBO. L’AO a un impact plus faible mais la bordure du vortex est légèrement plus intense durant les années d’AO positives (AOp) que durant les années d’AO négatives à 675 K et 475 K, et persistent plus longtemps durant les années AOp à 550 K et 475 K. Le vortex rompt plus tardivement durant les années maxSC/AOp et minSC/AOn.

Abstract

This PhD study focuses on the study of the evolution of the stratospheric polar vortices over the last forty years. The intensity and position of the Southern (SH) and Northern (NH) Hemispheres stratospheric polar vortex edge are evaluated as a function of equivalent latitude over the 1979 – 2021 period on three isentropic levels in the lower and middle stratosphere (675 K, 550 K and 475 K) from ECMWF ERA-Interim reanalysis. The study also includes an analysis of the onset and breakup dates of the polar vortices, which are determined from wind thresholds (e.g. 15.2 m/s, 20 m/s and 25 m/s along the vortex edge. The vortex edge is stronger in late winter, over September – October – November in the SH and in February – March in the NH. In the SH, long-term increase of the vortex edge intensity and break-up dates is observed over the 1979 – 1999 period, linked to the increase of the Antarctic ozone hole. Such a trend is not observed in the NH. After early break-ups between 1981 and 1987, more persistent vortex occurred in the NH during the 1990s at the three isentropic levels and for the 3 threshold values.

The solar cycle and to a lower extent the quasi-biennal oscillation (QBO), El Niño Southern Oscillation (ENSO) and the Arctic Oscillation (AO) modulate the inter-annual evolution of the strength of the vortex edge and the vortex breakup dates. For both hemispheres stronger vortex edge and longer vortex duration is observed in solar minimum (minSC) years, with the QBO, and ENSO or AO further modulating the solar cycle influence. For the SH, during West QBO (wQBO) phases, the difference between vortex edge intensity for minSC and maxSC years is smaller than during East QBO (eQBO) phases.

The polar vortex edge is stronger and lasts longer for maxSC/wQBO years than for maxSC/eQBO years. ENSO has a weaker impact but the vortex edge is somewhat stronger during cold ENSO phases for both minSC and maxSC years. For the NH, the stronger vortex edge during the wQBO phase is more pronounced than in SH and the vortex edge is stronger during minSC/wQBO years. AO has a weaker impact but the vortex edge is somewhat stronger during positive AO (AOp) years than during negative (AOn) years at 675 K and 475 K and lasts longer during AOp years at 550 K and 475 K. The vortex lasts longer during maxSC/AOp and minSC/AOn.

Informations pratiques

En raison des conditions sanitaires la présentation se fera de façon hybride :

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