The katabatic boundary layer in coastal Antarctica : from in-situ observation to its representation in climate models

Au cœur du continent Antarctique, le refroidissement radiatif en surface associé à la pente de la calotte engendre un écoulement vers les côtes : les vents catabatiques. Ces vents génèrent par cisaillement de la turbulence atmosphérique, qui les freine en retour par mélange vertical turbulent. À la côte, ce flux d'air sec sublime les précipitations, et exporte de la neige soufflée hors du continent. Ces processus sont des termes de perte pour le bilan de masse de surface de l'Antarctique, réservoir d'eau continentale qui module l'augmentation globale du niveau des océans. De plus, les vents chassent la banquise vers le large et créent des polynies côtières, zones source de la circulation thermohaline stockant la chaleur et le carbone en profondeur sur plusieurs centaines d'années. Les processus de la couche limite atmosphérique antarctique (CLAA) côtière sont alors cruciaux pour le climat terrestre. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre et modéliser la dynamique de la CLAA côtière, en se positionnant à l'interface entre instrumentation et modélisation au sein du projet AWACA (Atmospheric WAter Cycle over Antarctica). Afin d'améliorer la représentation du climat de l'Antarctique, on souhaite évaluer la simulation de la CLAA côtière par le modèle de circulation atmosphérique LMDZ à partir d'observations météorologiques. Dans ce but, de nouvelles observations de la CLAA côtière sont produites grâce à la conception et au déploiement sur le terrain d'une instrumentation spécifique. En particulier, un mât de 7 m échantillonne la météorologie proche de la surface dans la zone de pente abrupte entre le continent et l'océan. Ce mât apporte aussi une caractérisation inédite de la turbulence atmosphérique dans la pente côtière grâce à un anémomètre sonique, et au développement de son algorithme de traitement basé sur la méthode d'«eddy covariance». Ces observations de la CLAA côtière sont utilisées pour analyser les caractéristiques et l'origine physique du vent et de la turbulence. Une analyse composite est réalisée selon le type de forçage qui domine le bilan de quantité de mouvement près de la surface. Associée à un ajustement de Weibull des distributions de vitesse du vent, l'analyse met en évidence les différences entre les vents d'origine catabatique et synoptique. En revanche, les observations ne permettent pas de séparer la turbulence en fonction des forçages, car elle est d'abord contrainte par la vitesse du vent et la proximité de la surface. Après l'analyse physique des processus, on s'intéresse à leur modélisation dans LMDZ. Dans l'objectif de séparer l'incertitude paramétrique, l'incertitude liée à la résolution horizontale, et les lacunes structurelles du modèle, des Perturbed Parameter Ensembles (PPE) à trois résolutions différentes (10, 20 et 40 km) sont simulés sur un évènement de vent d'origine catabatique. S'il existe un vecteur de paramètres qui permet de se rapprocher du vent observé, ce n'est en revanche pas le cas pour la turbulence. L'analyse spatiale montre que les PPE diffèrent entre 20 et 40 km, mais pas entre 10 et 20 km. L'analyse paramétrique montre que le maximum de vent est principalement contrôlé par la longueur de rugosité. Les propriétés de la surface neigeuse doivent être révisées pour simuler correctement la variabilité de l'écoulement catabatique dans la pente antarctique côtière. Après avoir étudié l'écoulement catabatique dans le modèle, on s'intéresse à son interaction avec les précipitations côtières en raison de son impact sur le bilan de masse de surface. La calibration de 7 ans de données d'un Micro Rain Radar (MRR) fournit des observations du profil vertical de précipitations côtières, qui sont alors utilisées pour calibrer les précipitations simulées par LMDZ grâce à une procédure d'ajustement statistique. L'étude met en évidence de possibles lacunes de la représentation de la structure verticale de la CLAA côtière, et de la paramétrisation des précipitations du modèle.