Modeling sea ice-atmosphere interactions in the Arctic and assessment of associated climate feedbacks
Modélisation des interactions entre glace de mer et atmosphère en Arctique et évaluation des rétroactions climatiques associées
Résumé
The Arctic is warming nearly four times faster than the global mean, a phenomenon known as Arctic amplification. Despite major progress in climate modelling, significant uncertainties remain in its magnitude and underlying processes. Among the models contributing to IPCC assessments, the IPSL climate model exhibits persistent biases in near-surface temperature, stability, atmospheric transport, and sea ice. This thesis aims to understand and reduce these Arctic biases by moving from diagnosis to targeted model improvement, and to clarify how the representation of sea ice and boundary-layer physics controls atmosphere-surface coupling in the polar regions. Three complementary steps structure the work. (i) A multi-dataset observational assessment and a pan-Arctic energy-budget analysis establish a corrected evaluation framework and show that the IPSL winter warm bias originates primarily from a vertical imbalance in the atmospheric column: an excess poleward atmospheric moist static energy import that warms the troposphere and enforces overly strong inversions in both the atmospheric and coupled configuration. (ii) To improve the surface energy balance and bring the atmospheric and coupled model frameworks closer, an improved thermodynamic sea ice representation is implemented in the atmospheric model (LMDZ), replacing a soil‐type model poorly suited for ice surfaces. The new scheme introduces prognostic ice thickness, explicit snow insulation, and a state-dependent albedo, allowing the atmosphere to feel and shape a realistic surface energy balance. This produces a seasonal cycle of sea ice volume and improves surface fluxes but leaves winter inversions largely intact, showing that surface realism alone cannot dismantle the excessive stratification. (iii) The atmospheric component is then revised through the Adjustable TKE (ATKE) turbulence scheme and a turbulence-informed cloud-phase parameterization. In free-running simulations, ATKE enhances surface coupling and boundary-layer depth, while the added mixed-phase treatment increases liquid persistence and longwave cloud forcing. In MOSAiC-nudged experiments, where large-scale circulation is constrained toward ERA5, the same physics using ATKE reproduce the observed winter inversion strength and shape, improving upon the free-running results and confirming that a major share of the climatological bias originates from large-scale advection rather than local mixing deficiencies. Together, these results reveal that Arctic biases in IPSL arise from the interaction of two scales: a remote dynamical control through excessive energy import and a local suppression of turbulence under stable conditions. Improving one without the other leads to partial progress; improving both yields a physically consistent coupling between surface, boundary layer, and free troposphere. The thesis therefore proposes a revised development pathway for model improvement: use atmosphere-only configurations with interactive ice-snow thermodynamics for atmospheric tuning, adopt ATKE as the baseline closure for stable regimes, and evaluate all configurations through explicit energy-budget diagnostics and inversion metrics. Beyond IPSL-CM, these findings highlight the need to jointly treat large-scale transport, local turbulence, radiative feedbacks, sea ice processes, and surface temperature coupling to achieve credible Arctic projections. The improvements developed here pave the way for a polar-aware IPSL configuration for CMIP7, better constrained by observations such as MOSAiC, and extendable to the Antarctic. More broadly, the thesis defines a workflow, from bias to process understanding, and from process understanding to model improvement, that turns the Arctic from a modelling challenge into a laboratory for climate-physics consistency.
L'Arctique se réchauffe près de quatre fois plus vite que la moyenne mondiale, un phénomène connu sous le nom d' « amplification arctique ». Malgré les progrès majeurs de la modélisation du climat, d'importantes incertitudes subsistent quant à son amplitude et à ses mécanismes. Parmi les modèles climatiques contribuant aux évaluations du GIEC, celui de l'IPSL présente des biais persistants de température proche de la surface, de stabilité, de transport atmosphérique et de banquise. Cette thèse vise à comprendre et réduire ces biais arctiques en passant du diagnostic à l'amélioration ciblée du modèle, et à clarifier comment la représentation de la glace de mer et de la couche limite atmosphérique contrôle les échanges entre atmosphère et surface aux hautes latitudes. Le travail s'articule en trois étapes. (i) Une évaluation fondée sur plusieurs jeux de données d'observation et une analyse du bilan énergétique pan-arctique montrent que le biais chaud hivernal d'IPSL provient avant tout d'un déséquilibre vertical dans la colonne atmosphérique : un excès d'apport d'énergie statique humide qui réchauffe la troposphère et renforce les inversions thermiques dans les configurations atmosphérique et couplée. (ii) Pour améliorer le bilan d'énergie de surface et rapprocher les modèles atmosphérique et couplé, une représentation thermodynamique de la glace de mer est implémentée dans le modèle atmosphérique (LMDZ), remplaçant un ancien schéma de type « sol ». Ce nouveau schéma introduit une épaisseur de glace pronostique, une isolation thermique explicite de la neige et un albédo dépendant de l'état de la surface, permettant à l'atmosphère d'interagir avec un bilan énergétique plus réaliste. Il propose un cycle saisonnier du volume de glace et améliore les flux de surface, mais laisse subsister des inversions hivernales trop fortes, indiquant que le réalisme de surface seul ne suffit pas à corriger la stratification excessive. (iii) La composante atmosphérique est ensuite révisée grâce au schéma de turbulence Adjustable TKE (ATKE) et à une paramétrisation des nuages mixtes dépendante de la turbulence. Dans les simulations libres, ATKE renforce le couplage surface-atmosphère et la hauteur de la couche limite; dans les expériences nudgées MOSAiC, où la circulation à grande échelle est contrainte vers ERA5, il reproduit fidèlement l'intensité et la forme des inversions hivernales observées, confirmant que la principale origine du biais climatique réside dans l'advection à grande échelle plutôt que dans les processus locaux. Ces résultats montrent que les biais arctiques d'IPSL résultent de l'interaction entre deux échelles : un contrôle dynamique à distance, lié à un excès d'import d'énergie, et une suppression locale excessive de la turbulence en conditions stables. Corriger un seul de ces aspects amène à des progrès partiels ; les corriger conjointement permet un couplage cohérent entre surface, couche limite et troposphère libre. La thèse propose ainsi une trajectoire de développement pour l'amélioration du modèle : utiliser des configurations atmosphériques avec thermodynamique glace-neige interactive pour l'optimisation des paramètres, adopter ATKE comme schéma de référence pour les régimes stables et évaluer toutes les configurations via des diagnostics explicites de bilan énergétique et d'inversions. Au-delà d'IPSL-CM, ces résultats soulignent la nécessité de traiter conjointement transport à grande échelle, turbulence locale, rétroactions radiatives, processus de glace de mer et température de surface pour obtenir des projections arctiques crédibles. Les améliorations développées ouvrent la voie à une configuration polaire d'IPSL pour CMIP7, mieux contrainte par les observations (MOSAiC) et transposable à l'Antarctique. Plus largement, cette thèse définit une démarche, du biais à la compréhension des processus, puis à leur amélioration, qui tire avantage de l'Arctique en en faisant un laboratoire où l'on teste physique et climat.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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