Modélisation du recouvrement vertical des nuages et impacts sur le rayonnement

Modeling the vertical cloud overlap and its impact on radiative transfer

• Auteur / Autrice : Raphaël Lebrun
• Direction : Jean-Louis Dufresne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Soutenance le 23/06/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau, Essonne ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : François Ravetta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Cornet, Robin Hogan, Frédéric Szczap
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fleur Couvreux, Philippe Dubuisson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz à effet de serre

Monte-Carlo, Méthode de

Transfert radiatif

Rayonnement atmosphérique

Nuages

Mots clés libres

Recouvrement vertical des nuages

Hétérogénéité sous-maille

Rayonnement

Monte Carlo

Forçage radiatif

Vertical cloud overlap

Subgrid heterogeneity

Radiative transfer

Monte Carlo

Radiative forcing

Résumé

Le transfert radiatif est crucial dans la modélisation de l’atmosphère, du climat, et pour la simulation du changement climatique. Les calculs de flux radiatifs au sommet de l’atmosphère et en surface permettent notamment d’estimer le bilan énergétique de la planète, grandeur dont la bonne estimation est une contrainte importante dans les simulations climatiques. De nombreux éléments interagissent avec le rayonnement dans l’atmosphère : gaz, aérosols, nuages, et différents types de surfaces (végétation, océans, neige...). Ces différents composants ne se comportent pas de la même façon avec le rayonnement solaire, dont la source est le soleil, et avec le rayonnement infrarouge, dont la source est la surface terrestre ainsi que l’atmosphère elle-même. Dans ces deux situations, les nuages, composés de gouttelettes d’eau liquide et/ou de cristaux d’eau solide, représentent une difficulté importante de modélisation. Les nuages sont des objets complexes, de part leur composition, leur géométrie, et leurs interactions multiples avec le rayonnement. L’interaction nuage-rayonnement est étudiée depuis de nombreuses années, et il a été démontré qu’elle représente un des obstacles les plus importants à l’amélioration des modèles globaux de simulation du climat. Dans cette thèse, nous nous intéressons à un des aspects clé dans la représentation de l’effet des nuages sur le rayonnement : le recouvrement vertical des nuages. Cette notion est en effet liée de manière directe à la couverture nuageuse, grandeur de premier ordre dans le calcul de l’albedo d’une scène nuageuse. Dans le cadre du recouvrement vertical des nuages, nous mettons en place un formalisme permettant d’explorer en profondeur différentes hypothèses de recouvrement des nuages, en particulier le recouvrement exponentiel-aléatoire. Nous montrons que cette hypothèse de recouvrement peut, sous certaines conditions, permettre une très bonne représentation des propriétés des nuages, à la fois géométriques et radiatives, même à partir d’un profil vertical nuageux de résolution grossière. Nous démontrons que la variabilité verticale sous-maille de la fraction nuageuse, bien que non prise en compte par les modèles atmosphériques grande échelle, peut avoir un impact significatif sur les flux solaires calculés au sommet de l’atmosphère. La prise en compte rigoureuse de la résolution verticale par le recouvrement est également un facteur important. Dans un second temps, nous incorporons ces résultats dans un code de transfert radiatif par Monte Carlo (RadForce). L’utilisation de ce nouvel algorithme, qui utilise par ailleurs une approche raie-par-raie pour les différents gaz atmosphériques, nous permet d’estimer l’altitude d’émission de chaque composant présent dans l’atmosphère. Ces nouveaux outils nous permettent d’analyser de manière nouvelle des forçages radiatifs liés aux gaz à effet de serre, ainsi que l’impact de la prise en compte du recouvrement vertical des nuages.

Radiative transfer is a crucial process in atmospheric and climate modelling, as well as for climate change simulations. Computations of radiative fluxes at the top of the atmosphere and at the surface allow us to estimate the radaitive budget of the planet, which is very important to represent correctly when it comes to climate simulations. Many elements interact with the radiation in the atmosphere : gases, aerosols, clouds, and different types of surfaces (vegetation, oceans, snow...). These different components do not interact in the same way with solar radiation, that comes from the sun, and with infrared radiation, that comes from the earth’s surface and the atmosphere itself. In both situations, clouds, composed of liquid water droplets and/or solid water crystals, represent an important modeling difficulty. Clouds are complex objects, because of their composition, their geometry, and their multiple interactions with the radiation field. Cloud-radiation interaction has been studied for many years, and it has been shown that it represents one of the most important obstacles to the improvement of global climate models. In this work, we focus on one of the key aspects in the representation of the effect of clouds on radiation : vertical cloud overlap. This notion is indeed directly linked to the cloud cover, which is a quantity of first order importance in the calculation of the albedo of a cloud scene. Within the framework of the vertical cloud overlap, we develop a formalism allowing us to explore in depth various hypotheses of cloud overlap, in particular exponential-random overlap. We show that this overlap hypothesis can, under certain conditions, allow a very good representation of cloud properties, both geometric and radiative, even from a coarse resolution vertical cloud profile. We show that the vertical subgrid variability of the cloud fraction, although not taken into account by large-scale atmospheric models, can have a significant impact on the solar fluxes calculated at the top of the atmosphere. The rigorous consideration of vertical resolutions by the overlap is also an important factor. We then focus on incorporating these overlap results into a Monte Carlo radiative transfer code (RadForce). The use of this new algorithm, which also uses a line-by-line approach for the different atmospheric gases, allows us to model the emission altitudes of each atmospheric component. These new tools allow us to analyze in a new way the radiative forcings linked to greenhouse gases, as well as the impact of taking into account the vertical overlap of clouds and their vertical subgrid heterogeneity.