Léo Vinour

Thesis topic : Modulation processes of tropical cyclones life cycle : contributions of satellite observations and coupled modeling.

Advisors : Claude ROY (Director), Swen JULLIEN and Alexis MOUCHE (co-directors).

Funding : IFREMER, Région Bretagne

Tropical cyclones are extreme weather events which prediction and knowledge are crucial issues: first, because they are responsible for considerable human and material damage, but also because they have a significant impact on the surrounding atmosphere and ocean and play a significant role in regulating the tropical climate. Currently, dynamical models used for meteorological research and forecasting make it possible to reproduce or predict these phenomena reliably. However, many processes such as moment and enthalpy exchanges at the air-sea interface, vertical wind shear or the impact of stratification and ocean currents on cyclones are still poorly represented and are responsible for large uncertainties, especially concerning the evolution of tropical cyclone intensity.

The objective of this PhD thesis is to take advantage of the large amount of data measured by satellites under cyclones (wind data with SAR and radiometers, waves with SAR and altimeters, rain, SST, etc.) in order to highlight these poorly represented processes and to make corrections to their parameterization within the models.

The satellite dataset considered covers all the cyclonic seasons from 2015 to today, and the simulations are based on a coupled Ocean-Wave-Atmosphere model (CROCO-WW3-WRF). The coupling technique used provides complete and extremely realistic 3D simulations of cyclones throughout their whole life cycle.

One of the main stakes of the thesis is to set up "generic" metrics to compare satellite observations and model outputs, in order to be able to make reliable diagnoses and to allow the best identification of the corrections that need to be made in the models. Indeed, the outputs of a 3D model give access to an amount of information and to spatial and temporal resolutions that no satellite could reach today, especially under tropical cyclones where heavy rains and extreme winds make satellite data recovery and processing more difficult: it is therefore imperative to identify the satellite data and output parameters of the models that can be compared, and to find relevant comparison methods. Once these metrics will be set up, the amount and plurality of information provided by the different satellites should allow a better understanding of the errors made by the models and, consequently, of the tropical cyclones themselves.

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Les cyclones tropicaux sont des phénomènes météorologiques extrêmes dont la prévision et la connaissance sont des enjeux cruciaux: d’une part, parce qu’ils sont responsables de dégâts humains et matériels considérables, mais aussi parce qu’ils exercent un impact important sur l’atmosphère et l’océan environnants et jouent un rôle non négligeable dans la régulation du climat tropical. A l’heure actuelle, les modèles dynamiques utilisés pour la recherche et la prévision météorologique permettent de reproduire ou de prévoir de manière assez fiable ces phénomènes. Cependant, beaucoup de paramètres sont encore mal représentés et sont responsables de grandes incertitudes, notamment concernant l’évolution de l’intensité des cyclones.

L’objectif de cette thèse est de tirer profit de l’importante quantité de données mesurées par les satellites sur les cyclones (données de vent avec les SAR et les radiomètres, de vagues avec SAR et altimètres, de pluie, de SST, etc.) afin de mettre en lumière ces processus mal représentés et d’apporter des corrections à leur paramétrisation au sein des modèles.

Le jeu de données satellite considéré s’étend sur l’ensemble des saisons cycloniques de 2015 à aujourd’hui, et les simulations se basent sur un modèle couplé Océan-Vagues-Atmosphère (CROCO-WW3-WRF). La technique de couplage utilisée permet d’obtenir des simulations 3D complètes et extrêmement réalistes de cyclones, et ce durant la totalité de leur cycle de vie.

L’un des enjeux principaux de la thèse est notamment de mettre en place des métriques de comparaison « génériques » entre observations satellite et sorties de modèle, afin de pouvoir réaliser des diagnostics fiables et d’identifier au mieux les corrections à apporter aux modèles. En effet, les sorties d’un modèles 3D donnent accès à une quantité d’information et à des résolutions spatiale et temporelle qu’aucun satellite n’atteint aujourd’hui, en particulier sous les cyclones où les fortes pluies et les vents extrêmes compliquent les tâches de traitement des données satellite: il est donc impératif d’identifier les données satellite et les paramètres de sortie des modèle qui peuvent être comparés, et de trouver des méthodes de comparaison pertinentes. Une fois ces métriques mises en place, la quantité et la pluralité des informations apportées par les différents satellites devraient permettre de mieux comprendre les erreurs faites par les modèles et, de ce fait, les cyclones tropicaux en eux-mêmes.