Doctorant f/h

Expert public de la météo et du climat, Météo-France est à vos côtés pour contribuer à votre sécurité au quotidien et vous aider à prendre les meilleures décisions, dans un climat qui change. Face à des épisodes météo dangereux encore plus intenses et plus fréquents sous l’effet du changement climatique, nos missions au service de votre sécurité sont cruciales. Nous mobilisons notre expertise, notre excellence scientifique et technologique pour vous permettre d’anticiper les phénomènes météorologiques et climatiques à enjeux, et de vous y adapter.
Retrouvez-nous en ligne : https://meteofrance.com/carte-didentite-de-meteo-france
Rejoindre Météo France, c'est intégrer une organisation multi-sites, situés en hexagone, en Outre-mer, etc. L'organisation de Météo-France s'appuie sur des directions centrales et des directions interrégionales. Ci-dessous, la présentation de la direction que vous pourriez rejoindre :
La Direction de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche rassemble les entités de recherche de Météo-France (principalement CNRM, SAFIRE, LACy), l'Ecole Nationale de la Météorologie, et les services partagés de soutien administratif et informatique (PGA).
Le CNRM est une Unité Mixte de Recherche (UMR 3589) avec la double tutelle Météo-France et CNRS. Le CNRM conduit des recherches dans le domaine de la météorologie et du climat, de l'observation, la compréhension et la modélisation des processus jusqu'à la mise au point de systèmes de prévision météorologique et de projection climatique pouvant être transférés aux services opérationnels de Météo-France.
La personne recrutée rejoindra l’équipe TROPIC2S (TROpical Processes, Intraseasonal variability, Convection and Cloud Studies) du Groupe de Modélisation à Moyenne Echelle (GMME) du CNRM, qui étudie les processus atmosphériques à différentes échelles dans les Tropiques via (i) la compréhension des processus physiques turbulents, convectifs, radiatifs et nuageux et de leur représentation dans les modèles, et (ii) la compréhension du climat moyen et de sa variabilité multi-échelle dont les évènements extrêmes. Les connaissances acquises et l’évaluation des modèles contribuent à améliorer les méthodes de prévision et à former les prévisionnistes des zones tropicales. L’équipe a en charge l’animation de la communauté DEPHY autour du développement des paramétrisations et contribue à l’animation de la communauté française autour de l’observation des nuages et de la convection et celle autour de l’utilisation des méthodes de Monte-Carlo.
English version :
The Direction de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche (DESR) brings together the research entities of Météo-France (mainly CNRM, SAFIRE and LACy), the National School of Meteorology (ENM) and their shared administrative and IT support services (PGA).
The CNRM is a Joint Research Unit (UMR 3589, www.umr-cnrm.fr) under the joint supervision of Météo-France and CNRS. The CNRM conducts research in the field of meteorology and climate, from the observation, understanding and modelling of processes to the development of weather forecasting and climate projection systems that can be transferred to Météo-France's operational services.
The recruited candidate will join the TROPIC2S (TROpical Processes, Intraseasonal variability, Convection and Cloud Studies) team of the CNRM's physics research group (GMME), which studies atmospheric processes at different scales in the Tropics through (i) understanding turbulent, convective, radiative and cloudy physical processes and their representation in models, and (ii) understanding mean climate and its multi-scale variability, including extreme events. The knowledge acquired and the evaluation of models contribute to improving forecasting methods and training tropical forecasters. The team is in charge of leading the DEPHY community in the development of parameterizations, and contributes to leading the French community in the observation of clouds and convection, and in the use of Monte-Carlo methods.
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Sujet
Les processus convectifs jouent un rôle clé dans la redistribution de chaleur, d’humidité et de quantité de mouvement dans l’atmosphère tropicale, ainsi que sur la distribution et la variabilité spatio-temporelles des précipitations. Le chauffage qu’ils induisent rétro-agit directement sur la circulation atmosphérique, tandis que les nuages qui leur sont associés impactent fortement le bilan radiatif de la planète, dans les courtes comme dans les longues longueurs d’onde. Leur représentation est donc un enjeu majeur pour les modèles simulant le climat et le changement climatique.
Lorsque plusieurs cellules convectives s’organisent pour former un bouclier nuageux dont la taille peut atteindre plusieurs centaines de kilomètres carrés, on parle de systèmes convectifs organisés à méso-échelle. Le bouclier nuageux persiste bien au-delà de la durée de vie des cellules convectives. Les systèmes convectifs organisés à méso-échelle ont été beaucoup étudiés à partir d’observations, ce qui a permis depuis longtemps de caractériser leur structure spatiale (Zipser, 1977); et leur évolution temporelle (Houze, 1982). Ces systèmes sont à l’origine de plus de la moitié des précipitations sous les Tropiques et sont également associés aux précipitations les plus extrêmes (Schumacher and Rasmussen 2020).
Lorsque les systèmes convectifs s’organisent à méso-échelle, des circulations se mettent en place, qui sont plus larges que les circulations à l’œuvre dans les orages isolés, et qui contribuent au développement d’une large partie stratiforme de nuages et de précipitations. Des ascendances se mettent en place au sein de cette partie stratiforme, pilotées par la condensation et la congélation au sein du nuage, mais également par la déstabilisation de la couche nuageuse induite par les interactions entre le nuage et le rayonnement. Sous la partie stratiforme des nuages, les précipitations subliment et s’évaporent, venant alimenter un large courant descendant. Une fois détaché des cœurs convectifs, le bouclier nuageux perdure plusieurs heures voire dizaines d’heures, représentant ainsi environ la moitié du cycle de vie du système. Le nuage stratiforme précipitant devient progressivement une enclume non précipitante.
Dans les modèles numériques utilisés pour simuler le système climatique, en particulier ses changements en lien avec l’augmentation des gaz à effet de serre, les systèmes convectifs organisés à méso-échelle restent d’une échelle inférieure ou similaire à celle de la taille de la maille (~50 à 300 km). Les processus en jeu doivent être représentés à l’aide d’ensembles d’équations, appelés paramétrisations physiques, permettant de rendre compte de l’impact de ces processus sous-maille sur les champs résolus par le modèle.
Traditionnellement, les paramétrisations de la convection à l’œuvre dans les modèles de climat représentent l’impact des ascendances et descentes à l’échelle convective, les processus microphysiques et les précipitations associés. La modification de l’environnement par ces mouvements convectifs peut générer la formation de nuages par le schéma dit de condensation grande-échelle, qui va prendre en compte les processus microphysiques associés sans transport vertical sous-maille. Ainsi, les circulations à méso-échelle qui peuvent se mettre en place au sein des systèmes ne sont pas représentées.
L’objectif de cette thèse est de développer une paramétrisation des circulations à méso-échelle au sein des systèmes convectifs organisés et de leur impact sur la formation et le maintien des nuages détrainés par les cœurs convectifs et pouvant être couplée à un schéma de convection profonde classique en flux de masse.
Pour cela, un cadre de travail sera mis en place dans un mode dit « offline », permettant de développer un jeu d’équations prenant en entrée les variables traditionnellement issues des paramétrisations de la convection (propriétés dynamiques et thermodynamiques des ascendances convectives, flux de masse associé, taux de détrainement) et calculant les transports associés aux circulations à méso-échelle (flux de masse, propriétés dynamiques et thermodynamiques). On pourra baser les premiers développements sur des modèles conceptuels simples issus de la littérature (Houze 1982 ; Zender and Kiehl 1997 ; Elsaesser et al. 2022). Une réflexion devra également être menée sur le niveau de complexité des schémas microphysiques à utiliser.
La compréhension des processus en jeu et l’évaluation des développements se feront par l’analyse fine de simulations à haute résolution, dans lesquelles les systèmes convectifs organisés sont résolus, que ce soit à échelle kilométrique (Convection-Permitting Model) ou hectométrique (Large-Eddy Simulation). On se basera sur des simulations existantes réalisées avec le modèle de recherche MESO-NH ou le modèle AROME en configuration régionale ou globale. On pourra notamment mettre en place des outils de détection permettant d’identifier les parties convectives, stratiformes et cirriformes des systèmes et ainsi de caractériser leurs propriétés respectives et les échanges entre chaque composante du système (Del Genio et al., 2012).
A terme la paramétrisation développée sera implémentée dans les modèles français de circulation générale de l’atmosphère ARPEGE et LMDZ, afin de pouvoir étudier l’impact de la prise en compte des circulations méso-échelle dans les systèmes convectifs sur la couverture nuageuse, la circulation générale et le climat simulés.
Contexte de la thèse
Ce sujet de thèse est proposé dans le cadre du programme de recherches TRACCS (Transformer la modélisation du climat pour les services climatiques, https://climeri-france.fr/pepr-traccs/), financé dans le cadre des Programmes et équipements prioritaires de recherche France 2030. Ce programme rassemble la communauté française de modélisation du climat et ses activités couvrent la compréhension fondamentale des changements climatiques et de leurs impacts et s’étendent jusqu’à l’élaboration de prototypes de services climatiques co-construits par les parties-prenantes et les experts en modélisation du climat. L'enjeu est d’accélérer le développement des modèles de climat pour répondre aux attentes sociétales en termes d’action climatique, notamment dans le domaine de l’adaptation au changement climatique à venir. Plus spécifiquement, cette proposition de thèse s’inscrit dans le Projet-Ciblé n°7 du programme TRACCS, IMPRESSION-ESM (IMProving the physical ProcESS representatION in Earth System Models) dont l’objectif général est d’améliorer la représentation des processus physiques dans les modèles de climat pour accroître notre compréhension du système climatique, augmenter notre confiance dans les données issues des modèles de climat, fournir une information climatique de qualité et contribuer à former la prochaine génération de chercheurs et ingénieurs en modélisation du climat.
L’encadrement de la thèse sera réalisé par Catherine Rio (Chargée de recherche CNRS, catherine.rio@meteo.fr), Romain Roehrig (Chercheur Météo-France, romain.roehrig@meteo.fr) et Dominique Bouniol (Directrice de recherche CNRS, HDR, dominique.bouniol@cnrs.fr). Pour toute information, contacter les 3 futurs encadrants.
Références
Del Genio, A. D., J. Wu and Y. Chen, 2012: Characteristics of Mesoscale Organization in WRF Simulations of Convection during TWP-ICE. Journal of Climate, 25(17), 5666-5688, doi: 10.1175/JCLI-D-11-00422.1
Elsaesser, G. S., R. Roca, T. Fiolleau, A. D. Del Genio and J. Wu, 2022 : A simple model for tropical convective cloud shield area growth and decay rates informed by geostationary IR, GPM, and Aqua/AIRS satellite data. Journal of Geophysical Research: Atmosphere, 127, e2021JD035599, doi: 10.1029/2021JD035599
Houze, R., 1982: Cloud Clusters and Large-Scale Vertical Motions in the Tropics. Journal of the Meteorological Society of Japan, 60(1), 396-410, doi: 10.2151/jmsj1965.60.1_396
Schumacher, R. S. and K. L. Rasmussen, 2020: The formation, character and changing nature of mesoscale convective systems. Nature Reviews Earch & Environment, 1, 300-314, doi: 10.1038/s43017-020-0057-7
Zender, C. S. and J. T. Kiehl, 1997: Sensitivity of climate simulations to radiative effects of tropical anvil structure. Journal of Geophysical Research, 102(D20), 23793-23803, doi: 10.1029/97JD02009
English version
Subject
Convective processes play a key role in the redistribution of heat, moisture and momentum in the tropical atmosphere, as well as in the spatio-temporal distribution and variability of precipitation. The associated heating feedbacks on atmospheric circulation, while the associated clouds have a major impact on the earth's radiation balance, in both the shortwave and longwave. Their representation is therefore a major challenge for models simulating climate and climate change.
A convective system organized at the mesoscale emerges when several convective cells organize themselves to form a cloud shield whose size can reach several hundred square kilometers. The cloud shield persists well beyond the lifetime of the convective cells. Organized mesoscale convective systems have been extensively caracterized from observations, namely their spatial structure (Zipser, 1977) and temporal evolution (Houze, 1982). These systems are responsible for more than half of all precipitation in the Tropics, and are also associated with the most extreme precipitation events (Schumacher and Rasmussen 2020).
When convective systems organize at the mesoscale, a circulation emerges that is broader than the convective circulation within the isolated storms, and contributes to the development of a large stratiform part of clouds and precipitation. This stratiform part of the cloud is driven by condensation and freezing within the cloud, but also by the destabilization of the cloud layer induced by interactions between the cloud and radiation. Under the stratiform part of the cloud, precipitation sublimates and evaporates, feeding a broad downdraft. Once detached from the convective cores, the cloud shield persists for several hours to tens of hours, representing around half of the system's life cycle. The precipitating stratiform cloud gradually becomes a non-precipitating anvil.
In numerical models used to simulate the climate system, and in particular its changes in relation to the increase in greenhouse gases, mesoscale convective systems remain on a scale smaller than or similar to that of the grid size (~50 to 300 km). The processes involved must be represented using sets of equations, known as physical parameterizations, to account for the impact of these sub-grid processes on the variables resolved by the model.
Traditionally, the convective parameterizations used in climate models represent the impact of convective updrafts and downdrafts, the associated microphysical processes and precipitation. The modification of the environment by this convective transport can lead to the formation of clouds by the so-called large-scale condensation scheme, which will take into account the associated microphysical processes without sub-grid vertical transport. As a result, the mesoscale circulations that can take place within systems are not represented.
The aim of this thesis is to develop a parameterization of the mesoscale circulations within organized convective systems and of their impact on the formation and maintenance of clouds detrained by convective cores. This parameterization will be developed to be coupled to a classical deep convection scheme based on the mass-flux approach.
To achieve this, a framework will be derived in an "offline" mode, to develop of a set of equations taking as input the variables traditionally derived from convection parameterizations (dynamic and thermodynamic properties of convective updrafts, associated mass flux, detrainment rate) and calculating the transports associated with mesoscale circulations (mass flux, dynamic and thermodynamic properties). Initial developments can be based on simple conceptual models from the literature (Houze 1982; Zender and Kiehl 1997; Elsaesser et al. 2022). It will be necessary to determine the level of complexity of the microphysical scheme to use.
To understand the processes involved and assess developments, we will rely on high-resolution simulations in which organized convective systems are resolved, whether on a kilometer (Convection-Permitting Model) or hectometer (Large-Eddy Simulation) scale. We will rely in existing simulations run with the MESO-NH research model or the AROME model in regional or global configuration. In particular, we will implement detection tools to identify the convective, stratiform and cirriform parts of the systems and thus characterize their respective properties and the exchanges between them (Del Genio et al., 2012).
Ultimately, the parameterization developed will be implemented in the French atmospheric general circulation models ARPEGE and LMDZ, to study the impact of mesoscale circulations in convective systems on the simulated cloud cover, general circulation and climate.
PhD context
This thesis is proposed as part of the TRACCS research program (Transforming Climate Modeling for Climate Services, https://climeri-france.fr/pepr-traccs/), funded as part of the France 2030 Research Priority Programs and Equipment. This program brings together the French climate modeling community, and its activities cover the fundamental understanding of climate change and its impacts, and extend to the development of prototype climate services co-constructed by stakeholders and climate modeling experts. The challenge is to accelerate the development of climate models to meet societal expectations in terms of climate action, particularly in the field of adaptation to future climate change. More specifically, this thesis proposal is part of the TRACCS program's Target Project n°7, IMPRESSION-ESM (IMProving the physical ProcESS representatION in Earth System Models), whose overall aim is to improve the representation of physical processes in climate models in order to increase our understanding of the climate system, increase our confidence in the data derived from climate models, provide high-quality climate information and help train the next generation of climate modeling researchers and engineers.
The PhD thesis will be supervised by Catherine Rio (Chargée de recherche CNRS, catherine.rio@meteo.fr), Romain Roehrig (Chercheur Météo-France, romain.roehrig@meteo.fr) et Dominique Bouniol (Directrice de recherche CNRS, HDR, dominique.bouniol@cnrs.fr). Please contact them for further information.
Connaissances générales
* La personne recrutée devra posséder un master recherche ou équivalent.
* Une expérience en modélisation numérique, science du climat et/ou en science de l’atmosphère sera appréciée.

Compétences techniques
* Bonne maîtrise de la programmation
* Maîtrise d’outils d’analyse scientifique (e.g. Python, R)
* Maîtrise de l’environnement Unix

Savoir-faire
* Autonomie et sens de l’organisation
* Rigueur dans les développements techniques et les analyses scientifiques
* Motivation et curiosité scientifique
* Anglais parlé et écrit niveau B2 minimum

Savoir-être
* Bon relationnel et sens du travail en équipe
* Disponibilité et réactivité

English version :
General scientific knowledge:
Applicants must hold a Master thesis or an equivalent diploma. Prior experience in numerical modelling, climate science or atmospheric science will be appreciated.
Technical skills:
- Proficiency in Unix/Linux environments
- Solid experience with scientific programming and analysis tools such as Python or R
Professional skills:
- Ability to work independently and manage time and tasks effectively
- Strong rigour in scientific development, testing, and analysis
- A sense of initiative, motivation, and scientific curiosity
- Fluency in English (spoken and written) at a minimum B2 level
- French proficiency is not required, but any level will be a plus for day-to-day integration
Interpersonal skills:
- Strong interpersonal and communication skills
- Proven ability to work collaboratively: you will be part of the TRACCS community and contribute to its development and dynamism
- Responsiveness and availability