ROSTAMI

"Dynamical influence of diabatic processes upon developing instabilities of Earth and planetary jets and vortices"
"Influence dynamique des effets diabatiques sur l'évolution des instabilités des vortex terrestres et planétaires"

jeudi 28 septembre  2017



M. Xavier Carton    (UBO/IUEM/LOPS)       Rapporteur
M. Philippe Fraunié (TLN/LSEET)           Rapporteur
M. Francis Codron   (UPMC/LOCEAN)         Examinateur
M. Aymeric Spiga    (UPMC/LMD)            Examinateur
M. François Bouchut (LMV/LAMA)            Examinateur
M. Vladimi Zeitlin  (UPMC/ENS/LMD)        Directeur de thèse


Resumé
Le but de la thèse est de comprendre l'influence dynamique des effets
diabatiques, comme la convection humide, sur les instabilités des vortex
atmosphériques terrestres et planétaires. Un modèle verticalement intégré,
avec les paramétrisations type relaxation des transitions de phase et de
dégagement de la chaleur latente, le modèle de St-Venant avec la
convection humide, a été utilisé.  La version précédente du modèle a été
améliorée pour inclure l'eau précipitable, sa vaporisation et son
entrainement. L'approche consiste en 1) analyse détaillée de stabilité des
profils idéalisés, ou extraits des données, des vortex, 2) étude de
saturation non-linéaire des instabilités à l'aide de schéma numérique de
haute résolution aux volumes finis.

Les résultats principaux de la thèse sont:

1. Démonstration et quantification d'une forte influence des effets
humides sur les instabilités des vortex synoptiques, y compris asymétrie
cyclone-anticyclone des vortex de faible intensité  aux latitudes
moyennes, et de l'intensification des vortex type cyclones tropicaux, avec
formation des nuages caractéristiques.

2. Explication de l'origine dynamique de l'hexagone au pôle Nord de
Saturne, et de l'absence de structure similaire au pôle Sud, en termes
d'instabilité du système  vortex polaire – jet circumpolaire, et sa
saturation non-linéaire.

3. Explication de la structure observée du vortex polaire hivernal sur
Mars en termes d'instabilité et sa saturation en présence de réchauffement
/refroidissement radiatif et de déposition de CO2 (transition de phase gaz
– solide). Une nouvelle paramétrisation simple a été proposée pour ce
processus, incluant l'influence des noyaux de  déposition.


Abstract
The thesis is devoted to understanding dynamical influence of diabatic
effects, like moist convection, on instabilities of vortices in Earth and
planetary atmospheres. A vertically integrated atmospheric model with
relaxational parameterisation of phase transitions and related heat
release, and with convective fluxes included in mass and momentum
equations, the moist-convective rotating shallow water model, was used for
this purpose. The previous version of the model was improved to include
precipitable water and its vaporisation and entrainment. The approach
consists in  1)detailed stability analysis of idealised, or extracted from
the data, vortex profiles, 2)study of nonlinear saturation of the
instabilities with the help of finite-volume high-resolution numerical
code.
The main results  of the thesis are:

1. Demonstration and quantification of strong influence of moist effects
upon  instabilities of synoptic vortices, including cyclone-anticyclone
asymmetry of mid-latitude vortices of weak intensity, and intensification
of tropical-cyclone like vortices with formation of typical cloud
patterns.

2. Explanation of the dynamical origin of the Saturn's North Polar
hexagon, and of the lack of similar structure at the South Pole, in terms
of instability of the coupled  polar vortex and circumpolar jet, and their
nonlinear saturation.

3. Explanation of the observed structure of Mars' winter polar vortex in
terms of instability of the latter, and its saturation in the presence of
radiative heating/cooling and CO2 deposition (gas-solid phase transition).
A new simple parameterisation of the latter process, including the
influence of deposition nuclei, was developed in the thesis.