Amélioration de la paramétrisation des propriétés optiques des nuages d'eau liquide dans le spectre solaire

Jahangir, Erfan

Auteur moral
Université Toulouse 3 - Paul Sabatier
Auteur moral
COUVREUX, Fleur ; Libois, Quentin
Année de publication
2022
Résumé
Représenter correctement l'impact radiatif des nuages est un vrai défi pour les modèles atmosphériques, du fait que les interactions rayonnement-nuages sont contrôlées par les propriétés optiques des particules nuageuses. Ces propriétés dépendent de la taille des particules, et de la longueur d'onde du rayonnement, deux éléments qui ne sont pas bien résolus dans les modèles atmosphériques, si bien que les propriétés optiques doivent être paramétrisées. Dans ce manuscrit nous nous efforçons de quantifier les incertitudes sur l'impact radiatif des nuages dans le spectre solaire (SW) liées à la paramétrisation des propriétés optiques des nuages liquides. Les incertitudes proviennent en premier lieu de l'hypothèse faite sur la forme de la distribution de taille des gouttelettes (DSD), qui intervient dans: 1- l'estimation du rayon effectif des gouttelettes (reff) à partir du contenu en eau (LWC) et de la concentration en nombre des gouttelettes (N); 2- le calcul des propriétés de diffusion simple (SSPs) à partir de reff. Des incertitudes sont également liées au moyennage spectral nécessaire pour calculer les SSPs sur des bandes larges. Pour rendre compte de ces incertitudes, un nouveau jeu de paramétrisations des SSPs est développé et implémenté dans le code radiatif ecRad, couvrant un grand nombre de formes de DSD et de méthodes de moyennage spectral. Cette version améliorée d'ecRad est utilisée pour simuler les propriétés radiatives (transmittance, réflectance, aborbance) d'une grande variété de nuages définis en termes de LWC et N, comprenant un nuage homogène idéalisé, des cas d'étude plus réalistes, et des sorties d'un modèle de climat. Ces simulations montrent que la transmittance/réflectance d'un nuage peut varier de 20% en changeant simplement la forme de la DSD. Des différences de l'ordre de 20% sont également obtenues pour les taux de chauffage atmosphérique. L'impact de la forme de la DSD sur l'estimation de reff contribue pour 80% à l'incertitude totale, le reste étant lié à l'impact sur les SSPs. Le moyennage spectral a moins d'influence, si ce n'est sur l'absorption au sein du nuage. A l'échelle globale nous estimons que le forçage radiatif des nuages peut varier de 6~W~m$^{-2}$ selon la forme de DSD supposée, ce qui correspond à environ 13% du forçage radiatif SW des nuages. Afin de compléter ces simulations de transfert radiatif, et d'étudier comment des différences de forçage radiatif se répercutent sur l'évolution des nuages, la version améliorée d'ecRad a été implémentée dans le modèle atmosphérique Méso-NH. Par ailleurs, la forme de la DSD utilisée dans le code radiatif est rendue cohérente avec celle supposée dans le schéma microphysique à deux moments de Méso-NH, LIMA. Des simulations 1D de stratocumulus sont réalisées en supposant différentes formes de DSD, à la fois dans LIMA et pour l'estimation de reff et des SSPs. L'impact direct de la DSD sur le forçage radiatif est évalué, et les effets indirects qui résulte des rétroactions du rayonnement sur les autres caractéristiques physiques sont également abordées. Dans ces simulations interactives, l'estimation de reff reste la principale source des différences, et les effets directs obtenus sont en accord avec les simulations hors-ligne. Au cours de la simulation les différences de flux radiatifs et de taux de réchauffement modifient progressivement les profils verticaux de température, de LWC et de N, ce qui renforce les différences liées à $r_mathrm{eff}$, puisqu'il dépend de ces quantités. [...]
Texte intégral

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