Thèse Impact des Processus Secondaires de Formation des Cristaux de Glace sur le Développement des Nuages H/F - Doctorat_Gouv

Établissement : Université de Toulouse
École doctorale : SDU2E - Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace
Laboratoire de recherche : LAERO - Laboratoire d'Aérologie
Direction de la thèse : Christelle BARTHE ORCID 0000000307907193
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59

Les systèmes nuageux peuvent générer des phénomènes violents comme de fortes précipitations, de la grêle, de la foudre, ou des rafales de vent qui peuvent avoir de graves répercussions économiques, sociales et naturelles. Mais ils sont également des sources fondamentales d'eau douce. Malheureusement, les précipitations convectives et la microphysique des nuages restent deux des quatre principales causes d'erreurs systématiques dans les modèles numériques à toutes les échelles de temps, ce qui empêche une représentation fiable des systèmes nuageux, tant dans les modèles de prévision numérique du temps que dans les projections climatiques. Les modèles numériques souffrent en particulier d'une représentation inadéquate des processus de formation et de croissance des particules de glace.
Dans la troposphère, les cristaux de glace peuvent se former par congélation homogène à basse température et à forte humidité relative par rapport à la glace. À des températures plus élevées, des particules d'aérosol agissant comme des noyaux glaçogènes sont nécessaires pour former des cristaux de glace par nucléation hétérogène. Or, les observations aéroportées de concentrations en cristaux de glace dans les nuages sont souvent plusieurs ordres de grandeur supérieures aux concentrations en noyaux glaçogènes. Plusieurs mécanismes possibles ont été proposés pour expliquer cette production: ils sont regroupés sous le terme de production secondaire des cristaux de glace (ou SIP). Les études numériques sur l'effet des SIP sur les caractéristiques microphysiques, dynamiques et macroscopiques des nuages se multiplient. Si la majorité s'accordent sur le fait que les SIP sont indispensables pour représenter les forts contenus en glace observés, en revanche, elles peinent à converger sur les questions de partition liquide/glace dans le nuage, et sur l'évolution de la structure macroscopique du nuage (début, durée et extension des précipitations, extension horizontale et verticale du nuage, durée de vie...).
Dans ce contexte, la question qui se pose est: quel est le rôle respectif des aérosols et des SIP dans les propriétés nuageuses et leur évolution? Une bonne prescription des noyaux glaçogènes est-elle indispensable? Ou les SIP sont-ils, au premier ordre, la clé du développement de la phase froide des nuages mixtes et froids? Cette thèse s'appuie sur le modèle atmosphérique Meso-NH, doté de schémas physiques particulièrement avancés. La thèse se déroulera en 3 phases: (1) revue bibliographique sur les processus SIP, (2) consolidation du schéma microphysique LIMA de Meso-NH via l'inclusion de nouvelles paramétrisations des SIP, et (3) simulations de différents cas de nuages mixtes ou froids , validation du modèle, et exploration de la sensibilité du modèle à la formation des cristaux (partition liquide/glace, précipitations, durée de vie et extension du nuage). L'effet des SIP sera analysé sur des nuages d'hiver et des systèmes convectifs d'été pour lesquels nous disposons d'observations (radars du réseau Météo-France, campagnes de mesures aéroportées EXAEDRE et MORECALVAL, site instrumenté P2OA, satellites...).

Les systèmes nuageux peuvent générer des phénomènes violents comme de fortes précipitations, de la grêle, de la foudre, ou des rafales de vent qui peuvent avoir de graves répercussions économiques, sociales et naturelles. Mais ils sont également des sources fondamentales d'eau douce.
A l'heure actuelle, les modèles numériques souffrent d'une représentation inadéquate des processus de formation et de croissance des particules de glace (Fan et al. 2016 ; Hourdin et al. 2017). Or notre compréhension des mécanismes de formation des cristaux de glace est encore limitée, et leur représentation dans les modèles numériques reste un domaine de recherche actif. Dans la troposphère, les cristaux de glace peuvent se former par nucléation homogène à basse température et à forte humidité relative par rapport à la glace. À des températures plus élevées, des particules d'aérosol agissant comme des noyaux de nucléation de la glace sont nécessaires pour former des cristaux de glace par nucléation hétérogène. Or, les observations aéroportées de concentrations en cristaux de glace dans les nuages sont souvent plusieurs ordres de grandeur supérieures aux concentrations en noyaux glaçogènes (Field et al., 2017). Plusieurs mécanismes possibles ont été proposés pour expliquer cette production (Korolev et Leisner, 2020): ils sont regroupés sous le terme de production secondaire des cristaux de glace (ou SIP). Les études numériques sur l'effet des SIP sur les caractéristiques microphysiques, dynamiques et macroscopiques des nuages se multiplient. La majorité s'accordent sur le fait que les SIP sont indispensables pour représenter les forts contenus en glace observés (e.g., Qu et al., 2022; Huang et al., 2022), qu'ils impactent les précipitations convectives, le contenu en eau liquide surfondue, l'intensité de la convection et l'activité électrique nuageuse (Hoarau et al., 2008; Qu et al., 2022; Han et al., 2024; Grzegorczyk et al., 2025a, 2025b; Calderon et al., 2025; Vongpaseut et Barthe, 2025). Quant à Qu et al. (2022), ils estiment que les SIP pourraient être à l'origine de la formation de nouveaux courants ascendants dans des systèmes convectifs de mésoéchelle. En revanche, ces études numériques peinent à converger sur les questions de partition liquide/glace dans le nuage, et sur l'évolution de la structure macroscopique du nuage (début, durée et extension des précipitations, extension horizontale et verticale du nuage, durée de vie...) car elles visent des types de nuages et des environnements thermodynamiques différents, et emploient des modèles utilisant différentes paramétrisations des processus SIP ou différentes combinaisons des processus SIP, et une prise en compte des aérosols souvent partielle.
Meso-NH est le modèle de recherche à haute résolution et à zone limitée de la communauté française (https://mesonh.cnrs.fr/; Lac et al., 2018). Il permet de réaliser des simulations de cas idéalisés ou de situations météorologiques réelles sur des terrains complexes, initialisées et forcées aux limites latérales à partir des résultats du modèle. Le modèle dispose d'un ensemble complet de paramétrisations physiques : convection, turbulence, microphysique, aérosols, chimie, rayonnement, électricité atmosphérique... Meso-NH dispose d'un schéma microphysique à 2 moments (LIMA; Vié et al., 2016; Taufour et al., 2024). Des paramétrisations pour trois processus SIP sont déjà présentes dans LIMA: des fragments de glace peuvent être produits lors du givrage du graupel (Vié et al., 2016), lors de l'éclatement des gouttes lors de leur congélation (Vongpaseut et Barthe, 2025) et lors de collisions entre agrégats fragiles et graupels (Hoarau et al., 2018). Par ailleurs, dans le cadre de l'ANR ICCARE (https://iccare.aeris-data.fr/), le couplage explicite entre un schéma d'aérosols (ORILAM; Tulet et al., 2005) et le schéma microphysique LIMA a été réalisé, permettant d'explorer les interactions aérosols-nuages.
Dans ce contexte, la question qui se pose est: quel est le rôle respectif des aérosols et des SIP dans les propriétés nuageuses et leur évolution? Une bonne prescription des noyaux glaçogènes est-elle indispensable? Ou les SIP sont-ils, au premier ordre, la clé du développement de la phase froide des nuages mixtes et froids?

Ce projet de thèse poursuit deux objectifs. Le premier objectif est de consolider et valider le schéma microphysique LIMA du modèle Meso-NH en lien avec les avancées récentes en termes de modélisation en physique des nuages et avec les observations obtenues lors des campagnes de mesures EXAEDRE (Corse) et MORECALVAL (Occitanie). Le deuxième objectif est d'améliorer notre compréhension des processus physiques et de leurs interactions en jeu au sein des orages. En particulier, on s'attachera à analyser le rôle des interactions aérosol-microphysique sur la structure et l'évolution de différents systèmes nuageux.

La thèse se déroulera en 3 phases:
1. revue bibliographique sur les processus SIP, incluant leurs paramétrisations dans les modèles, et leurs effets sur la représentation des systèmes nuageux.
2. consolidation du schéma microphysique LIMA (Vié et al., 2016; Taufour et al., 2024) du modèle atmosphérique Meso-NH (Lac et al., 2018), avec l'inclusion de nouvelles paramétrisations des SIP
3. simulations de différents cas de nuages mixtes ou froids, validation du modèle, et exploration de la sensibilité du modèle à la formation des cristaux (partition liquide/glace, précipitations, durée de vie et extension du nuage). On analysera l'effet des SIP sur des nuages d'hiver et des systèmes convectifs d'été pour lesquels nous disposons d'observations (radars du réseau Météo-France, campagnes de mesures aéroportées EXAEDRE et MORECALVAL, site instrumenté P2OA, satellites...).

Connaissances en physique de l'atmosphère et en météorologie, bases en algorithmie et codage. Capacité à manipuler différents jeux de données, à utiliser des outils existants et à développer ses propres outils de traitement, d'analyse et de visualisation.