Humidite de la troposphere libre africaine: Elaboration d'une archive METEOSAT, Analyse climatique et Evaluation de modeles

Pr. Katia Laval (presidente) Pr. Raymond Pierrehumbert (rapporteur) Dr. Jean-Noel Thepaut (rapporteur) Dr. Francois-Marie Breon (examinateur) Pr. Laurence Picon (directrice) Dr. Remy Roca (co-directeur) Dr. Michele Vesperini (invitee)The hydrological cycle is a key component of the Earth climate and its knowledge lies on both observations and on simulation of its aspects, such as transport, phase transitions or radiative interactions. METEOSAT geostationary satellites have, onboard, radiometer that observes, in the infrared, the water vapor of a broad layer of the troposphere over tropical and subtropical zones of the Africa / Atlantic Ocean area. Available since the 80s, these so-called "Water Vapor" observations authorize to study the water vapor distribution in the tropical free troposphere and its variability, from daily to decennial scales. In this thesis, a free tropospheric humidity archive (FTH) with high spatial (0,625°x0,625°) and temporal (3h) resolutions is built using IR observations of the successive METEOSAT satellites (MET-2 to MET-5), whose calibration is adjusted on the one of the HIRS-12/NOAA-12 sounder, taken as a reference. Under clear sky conditions, the "WV" measurements are shown to be a surrogate of the mean relative humidity of a variable layer of the atmosphere, the latter being defined precisely thanks to the relative humidity jacobian, describing the sensitivity of the measure to local relative perturbations in the relative humidity profile. Low level clouds having a small radiative impact in this spectral band, they are kept in the database in addition to the clear sky scenes, and selected using cloudiness information from the ISCCP project. This low level cloud sampling gives a better representation of subtropical areas and of the nearby convective areas. Analyses of the tropospheric water vapor distribution reveal the weight of the relative interannual variability of FTH in the dry subtropical zones, notably in the Eastern Mediterranean region. At an intraseasonal, a lagrangian back-trajectory model shows that the relative humidity at 500hPa in this subsiding area is characterized by a mixing of tropical and extra-tropical air masses, coming from more or less cold areas of the troposphere. The FTH archive is also used to evaluate climate models simulations, in the frame of an international intercomparison project, and highlights the difficulty of the models to reproduce the interannual variability of FTH over the dry subtropical areas.Le cycle hydrologique est une composante clef du climat de la Terre et sa compréhension repose à la fois sur les observations et sur les simulations de ses différents aspects, tels le transport, les changements de phase ou encore ses interactions avec le rayonnement. Les satellites géostationnaires METEOSAT ont, à leur bord, des radiomètres qui observent, dans l'infrarouge, la vapeur d'eau d'une large couche de la troposphère des régions tropicales et subtropicales de la région Afrique / Océan Atlantique. Disponibles depuis les années 80, ces observations dites "Vapeur d'Eau" donnent ainsi la possibilité d'étudier la distribution de la vapeur d'eau de la troposphère libre tropicale et sa variabilité depuis des échelles de temps journalières jusqu'à des échelles décennales. Dans cette thèse, une archive d'humidité de la troposphère libre (Free Tropospheric Humidity -FTH-), de haute résolution spatiale (0,625°x0,625°) et temporelle (3h), est élaborée à partir des observations IR de la succession des satellites METEOSAT (MET-2 à MET-5), dont l'étalonnage est ajusté sur celui du canal 12 du sondeur HIRS (NOAA-12) pris comme référence. En ciel clair, nous montrons que les mesures "VE" des régions tropicales et subtropicales s'interprètent en terme d'humidité relative moyenne d'une couche variable de l'atmosphère, définie de façon précise par le jacobien d'humidité relative, décrivant la sensibilité de la mesure à des perturbations locales relatives du profil d'humidité relative. Les nuages de basse altitude affectant la mesure "VE" de façon négligeable, ceux-ci sont échantillonnés, en plus du ciel clair, à partir des informations sur la nébulosité issues de l'analyse multi-spectrale ISCCP. Cette sélection des nuages bas amène une meilleure représentation des régions subtropicales et du proche environnement convectif. Des analyses de la distribution de la vapeur d'eau troposphérique sont menées et révèlent l'importance de la variabilité relative de la FTH des zones sèches subtropicales, notamment pour la région de l'Est de la Méditerranée. A l'échelle intrasaisonnière, l'utilisation d'un modèle de transport lagrangien permet de montrer que l'humidité relative à 500hPa de cette région de subsidence est caractérisée par un mélange de masses d'air tropicales et extra-tropicales, provenant de zones plus ou moins froides de la troposphère. La base de données est également utilisée dans le but d'évaluer les simulations de modèles de climat, dans le cadre d'un exercice international d'intercomparaison, montrant la difficulté des modèles à reproduire la variabilité interannuelle de la FTH des régions sèches subtropicales