Abstract: Although antarcic precipitation has been studied for about half a century, the rate and occurrence of precipitation on the Antarctic Plateau are still unknown. During the summer campaign 2015-2016, a TPS-3100 (or Hotplate) precipitation gauge was set-up at Dome C to test the ability of such an instrument to measure precipitation in the climate conditions of the Antarctic Plateau. The TPS-3100 consists of two identical heated and thermally insulated aluminium disc plates. One of the plates faces up and measures the rate of precipitation, the other faces down and serves as a reference. The two plates are heated independently and maintained at a constant temperature of 75 ° C. An analysis of the data collected by the TPS-3100 and a characterization of the precipitation events at Dome C over the year 2016 were carried out in this study. Hotplate’s measurements have been found to generally disagree with ECMWF interim analyses and reanalyses and LMDZ simulations, not only in terms of quantity but also occurrence. However, it remains difficult to disentangle between errors in the measurements and those in the other datasets since there is no benchmark data set for precipitation rates at Dome C.

Abstract:

Abstract. The Antarctic continent is a vast desert and is the coldest and the most unknown area on Earth. It contains the Antarctic ice sheet, the largest continental water reservoir on Earth that could be affected by the current global warming, leading to sea level rise. The only significant supply of ice is through precipitation, which can be observed from the surface and from space. Remote-sensing observations of the coastal regions and the inner continent using CloudSat radar give an estimated rate of snowfall but with uncertainties twice as large as each single measured value, whereas climate models give a range from half to twice the space–time-averaged observations. The aim of this study is the evaluation of the vertical precipitation rate profiles of CloudSat radar by comparison with two surface-based micro-rain radars (MRRs), located at the coastal French Dumont d'Urville station and at the Belgian Princess Elisabeth station located in the Dronning Maud Land escarpment zone. This in turn leads to a better understanding and reassessment of CloudSat uncertainties. We compared a total of four precipitation events, two per station, when CloudSat overpassed within 10 km of the station and we compared these two different datasets at each vertical level. The correlation between both datasets is near-perfect, even though climatic and geographic conditions are different for the two stations. Using different CloudSat and MRR vertical levels, we obtain 10 km space-scale and short-timescale (a few seconds) CloudSat uncertainties from −13 % up to +22 %. This confirms the robustness of the CloudSat retrievals of snowfall over Antarctica above the blind zone and justifies further analyses of this dataset.

Abstract: Abstract Observations evidence extremely stable boundary layers (SBL) over the Antarctic Plateau and sharp regime transitions between weakly and very stable conditions. Representing such features is a challenge for climate models. This study assesses the modeling of the dynamics of the boundary layer over the Antarctic Plateau in the LMDZ general circulation model. It uses 1 year simulations with a stretched-grid over Dome C. The model is nudged with reanalyses outside of the Dome C region such as simulations can be directly compared to in situ observations. We underline the critical role of the downward longwave radiation for modeling the surface temperature. LMDZ reasonably represents the near-surface seasonal profiles of wind and temperature but strong temperature inversions are degraded by enhanced turbulent mixing formulations. Unlike ERA-Interim reanalyses, LMDZ reproduces two SBL regimes and the regime transition, with a sudden increase in the near-surface inversion with decreasing wind speed. The sharpness of the transition depends on the stability function used for calculating the surface drag coefficient. Moreover, using a refined vertical grid leads to a better reversed ?S-shaped? relationship between the inversion and the wind. Sudden warming events associated to synoptic advections of warm and moist air are also well reproduced. Near-surface supersaturation with respect to ice is not allowed in LMDZ but the impact on the SBL structure is moderate. Finally, climate simulations with the free model show that the recommended configuration leads to stronger inversions and winds over the ice-sheet. However, the near-surface wind remains underestimated over the slopes of East-Antarctica.

Abstract: L’observation des couches limites atmosphériques au dessus du plateau antarctique a mis en évidence les plus fortes inversions de température proches de la surface de la planète. Bien paramétriser ces couches limites extrêmes dans un modèle de circulation générale est essentiel pour represéntercorrectement l’inversion climatologique de température au dessus du plateau, mais également pour reproduire des vents catabatiques réalistes en aval du plateau et de surcroit, une circulation atmosphérique correcte dans l’hémisphère sud. Les conclusions des précédentes “Gewex AtmosphericBoundary Layer Studies” (GABLS) ont conduit au constat que la paramétrisation des couches limites stables dans les modèles climatiques est une des priorités pour la communauté des modélisateurs.Ceci est dû au fait que la nature même des processus physiques en jeu est mal connue mais aussi parce que les lois de similitudes, sur lesquelles les paramétrisations du mélange turbulent sont fondées, ne sont pas applicables en condition très stable. L’objectif de ces travaux de thèse est d’évaluer et d’améliorer la représentation des couches limites sur le plateau antarctique dans le modèle français de circulation générale Laboratoire de MétéorologieDynamique-Zoom (LMDZ), composante atmosphérique du modèle de climat IPSL. Avant l’évaluation même du modèle, une étude approfondie de la couche limite de surface et de la structure de la couche limite stable a été conduite à partir de l’analyse de mesures in situ au Dôme C. Il en a résulté une caractérisation de la hauteur de rugosité aérodynamique, une estimation des flux turbulents de surface sur une année entière ainsi que la mise en évidence de sursaturations de la vapeur d’eau par rapport à la glace. L’analyse des mesures de température et de vent le long d’une tour de 45 m a aussi montré que la couche limite se comporte tel un système dynamique à deux régimes distincts. La relation entrevitesse du vent et inversion de température décrit un “S renversé”, suggérant une transition de régime suivant un hystérésis. Une étude complémentaire a révélé que ce comportement dynamique à deux régimes est une caractéristique générale et robuste des couches limites stables, qui peuvent transiter,selon l’intensité des forçages, d’un régime ’turbulent’ peu stable à un régime ’radiatif’ très stable et vice et versa.Le modèle LMDZ a ensuite été évalué en configuration 1D sur un cycle diurne d’été dans le cadre de la quatrième expérience GABLS. Des tests de sensibilité aux paramètres de surface et à la paramétrisation du mélange turbulent ont été réalisés. Ils ont conduit à de nettes améliorations des performancesdu modèle ainsi qu’à la mise en place d’une configuration adaptée aux conditions antarctiques. Des simulations complémentaires en 3D ont par la suite soulevé l’importance du transfert radiatif infrarouge et de la paramétrisation des flux turbulents de surface pour la modélisation de la couchelimite sur le plateau pendant la nuit polaire. Enfin, les travaux de thèse ont été étendus à la modélisation des couches limites stables continentales. Les paramétrisations locales de turbulence ont en effet tendance à sous-estimer le mélange sous-maille continental, en raison de la multitude des processusde mélange en jeu. Un réflexion a donc été portée sur la façon de palier ce manque de mélange, avec comme idée directrice de transférer la perte d’énergie cinétique grande échelle perdue lors du freinage de l’écoulement par les ondes de gravité, vers de l’énergie cinétique turbulente.