Variabilité du bilan d'énergie de surface en Arctique et en Antarctique // Variability of the surface energy budget in the Arctic and the Antarctic

Les régions polaires sont un élément clé du système climatique. Elles subissent des changements
climatiques rapides dus à une combinaison de facteurs interdépendants. Leur bilan énergétique
de surface doit être mieux évalué et modélisé pour tenir compte des changements de température
de surface, de la couverture neigeuse et du forçage radiatif à grande échelle. Dans l'Arctique
et l'Antarctique, le bilan énergétique de surface est très variable, dans l'espace et dans le temps.
L'analyse de nouveaux ensembles de données recueillies au cours de périodes d'observation intensives
et d'enregistrements à long terme, à la fois à la surface et dans la couche limite, améliorera notre
compréhension du bilan énergétique de surface et de l'hétérogénéité de l'albédo de surface. Ces données
seront également très utiles pour l'étalonnage des satellites et la validation des modèles
de schémas de surface. L'accent sera mis sur l'impact des propriétés de la surface
(albédo, rugosité, canopée) et des propriétés atmosphériques (couverture nuageuse, profil
de température, turbulence) sur le bilan énergétique de la surface.

La campagne IMPECCABLE (IMPact on the Energy budget of mixed-phase Clouds and Canopy
in the Arctic Boundary LayEr), organisée à Sodankylä (Finlande) d'octobre 2022 à mai 2023, avait
pour objectif d'étudier l'influence des nuages en phase mixte et de la canopée sur le bilan énergétique
de surface, notamment lors de la formation de couches limites arctiques continentales très stables.
Des profileurs (radar et lidar) et des radiomètres ont été déployés. Ils complètent les mâts
météorologiques instrumentés à plusieurs niveaux, ainsi que les mesures de la couverture neigeuse
et de la température au sol. Ces observations permettent d'établir le bilan énergétique de la surface
et de discuter de sa variabilité en relation avec la stabilité de la couche limite. Le même ensemble
d'instruments (radar-lidar et/ou radiomètres à bord d'un ballon captif) est actuellement déployé dans
l'Antarctique lors des campagnes de terrain AWACA (Atmospheric Water Cycle over Antarctica)
et ORigin of Antarctic CLoud particles and their Effects on the Surface radiation budget (ORACLES).
Ces ensembles de données seront utilisés pour étudier plus en détail l'impact de la couverture nuageuse
et des propriétés des nuages sur le bilan énergétique de surface.

Au printemps (mars-mai), l'abondance de la lumière solaire coïncide avec la couverture neigeuse et,
par conséquent, le bilan radiatif de surface sur le supersite de Sodankylä est fortement contrôlé
par l'albédo de surface, qui se caractérise par une grande variabilité spatiale et des contrastes marqués
entre les zones ouvertes et les forêts clairsemées ou denses. La variabilité spatiale de l'albédo de surface
sera évaluée grâce à l'analyse des observations in situ effectuées à l'intérieur, à l'extérieur et au-dessus
de la canopée et des observations par drone réalisées au cours des printemps 2023 et 2024. L'impact
des propriétés de la neige (albédo, rugosité de surface, épaisseur de neige, microstructure de la neige)
et leur variabilité spatiale et temporelle sur le bilan énergétique de la surface seront abordés à travers
l'analyse des observations de Sodankylä ainsi que des observations comparables collectées en 2018-19
à proximité de la station antarctique finlandaise d'Aboå. Ces ensembles de données uniques seront
également appliqués pour améliorer les schémas de neige (par exemple, le modèle HIGHTSI qui est
développé dans FMI) inclus dans les modèles de prévision météorologique et de climat. Cela permettra
d'améliorer la simulation du modèle du bilan énergétique de surface de manière cohérente pour les
deux régions polaires.
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Polar regions are a key component of the climate system. They experience rapid climate changes due to a combination of intertwined factors. Their surface energy budget has to be better assessed and modelled to account for changes of surface temperature, snow cover and large scale radiative forcing. In the Arctic and the Antarctic, surface energy budget is highly variable, spatially and temporally. The analysis of new data sets gathered during intensive observing periods and long term records, both at the surface and in the boundary layer, will improve our understanding of the surface energy budget and of surface albedo heterogeneity. This will also be very valuable for satellite calibration and validation of surface scheme model. Emphasis will be put on the impact of surface properties (albedo, roughness, canopy) and atmospheric properties (cloud cover, temperature profile, turbulence) on the surface energy budget.

The IMPECCABLE (IMPact on the Energy budget of mixed-phase Clouds and Canopy in the Arctic Boundary LayEr) campaign, organized at Sodankylä (Finland) from October 2022 to May 2023, aimed to study the influence of mixed-phase clouds and canopy on the surface energy budget, particularly during the formation of highly stable continental Arctic boundary layers. Profilers (radar and lidar) and radiometers have been deployed. They complement meteorological masts instrumented at several levels, as well as snow cover and ground temperature measurements. These observations make it possible to close the surface energy budget, and discuss its variability in relation with boundary layer stability. The same set of instrumentation (radar-lidar and/or radiometers onboard a tethered balloon) is currently deployed in the Antarctic during the Atmospheric Water Cycle over Antarctica (AWACA) and ORigin of Antarctic CLoud particles and their Effects on the Surface radiation budget (ORACLES) field campaigns. These data sets will be used to further investigate the impact of cloud coverage and properties on the surface energy budget.

During spring (March-May) the abundant sunlight co-occurs with snow cover and, thus, the surface radiation budget at the Sodankylä supersite is strongly controlled by the surface albedo, which is characterized by large spatial variability and sharp contrasts between open areas and sparse or dense forest. The spatial variability of surface albedo will be assessed through the analysis of in situ observations made inside, outside and above the canopy and drone-based observations carried out in in springs 2023 and 2024. The impact of snow properties (albedo, surface roughness, snow depth, snow microstructure) and their spatial and temporal variability on the surface energy budget will be addressed through the analysis Sodankylä observations together with comparable observations collected in 2018-19 nearby the Finnish Antarctic station Aboå. These unique datasets will also be applied to improve the snow schemes (e.g. the HIGHTSI model that is developed in FMI) included in weather prediction and climate models. This will enable improving the model simulation of the surface energy budget consistently for both polar regions.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrats ED : Programme blanc SU-SIM

Sorbonne Université SIM (Sciences, Ingénierie, Médecine)

129 Sciences de l'Environnement d'Ile-de-France

Master en physique de l'atmosphère, de l'océan et du climat, master de télédétection, ingénieur physicien et/ou opticien.
Master in climate sciences or in remote sensing, with a background in physics