Étude des nuages arctiques en phase mixte observés en juin 2017 lors de la campagne ACLOUD à l'aide du modèle atmosphérique WRF

Study of the Arctic mixed-phase clouds observed in June 2017 duringthe ACLOUD campaign using the WRF atmospheric model

• Auteur / Autrice : Diana Arteaga
• Direction : Céline Planche, Olivier Jourdan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie de l'atmosphère
• Date : Soutenance le 28/06/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie physique (Clermont-Ferrand)
• Jury : Président / Présidente : Andrea Flossmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Cornet, Gwendal Rivière, Wolfram Wobrock
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Christophe Raut, Dominique Bouniol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arctique

Nuages

Mots clés libres

Nuages arctiques en phase mixte

Modélisation WRF

Microphysique

Ccn

Arctic mixed-Phase clouds

WRF modelling

Microphysics

Ccn

Résumé

Différents processus physiques associés aux conditions de surface et thermodynamiques ainsi qu'aux concentrations en particules d'aérosol influencent la formation et la persistance des nuages en phase mixte (MPC) présents en Arctique. Dans le cadre de la campagne internationale ACLOUD qui s'est déroulée en Svalbard au printemps 2017, deux systèmes nuageux ayant des caractéristiques contrastées ont été échantillonnés le 17 juin 2017 avec un radar nuage (94 GHz), des dropsondes et des sondes microphysiques in-situ déployés à bord des avions Polar 5 et Polar 6. Ce travail montre comment les observations ACLOUD peuvent être utilisées pour évaluer la représentation des propriétés des MPCs dans le modèle et étudie également comment les propriétés des MPCs sont impactées par les conditions thermodynamiques atmosphériques, les types de surface et la pollution.Les deux systèmes de MPC étudiés se sont formés soit au-dessus de la banquise, soit au-dessus de l'océan, ce qui permet d'étudier l'effet des changements de surface sur les propriétés nuageuses. Les observations révèlent une situation de couplage « nuage-surface » pour les deux cas. Les MPCs observés au-dessus de l'océan (cas OO) se sont formés dans des conditions plus chaudes que ceux observés au-dessus de la banquise (cas SI). De plus, pour le système nuageux OO, sa base est située à plus haute altitude, son contenu en eau liquide surfondue (LWC) est plus important et son contenu en eau glacée (IWC) est plus faible que pour le système nuageux SI. A noter qu'une analyse comparative entre les réflectivités mesurées par le radar nuage et celles calculées à partir des mesures des sondes in-situ microphysiques met en évidence l'importance de prendre en compte le degré de givrage des agrégats dans l'estimation du IWC. Les concentrations en gouttelettes sont plus élevées dans le cas OO en raison de concentrations en aérosols (ou CCN; noyaux de condensation) plus élevées au-dessus de l'océan, tandis que les concentrations en cristaux de glace sont assez similaires dans les deux cas d'étude. Les températures plus chaudes observées dans le système nuageux OO indiquent que la phase glace ne peut être formée que par le processus de nucléation hétérogène pour ce cas ; alors que les températures légèrement plus froides rencontrées à l'intérieur du système nuageux SI impliquent que la phase glace peut également être formée par des processus de glace secondaire.Les comparaisons entre les observations et les simulations révèlent que le modèle WRF reproduit mieux les propriétés nuageuses telles que leur base, leur épaisseur et leur LWC lorsque les données d'initialisation utilisées, c'est-à-dire les données de ré-analyses ERA5, sont fournies avec une plus fine résolution verticale, surtout à proximité de la surface. Néanmoins, WRF sous-estime toujours l'IWC (en particulier pour le cas SI) car les températures simulées dans les nuages sont légèrement plus chaudes que celles observées modifiant ainsi l'utilisation de certaines paramétrisations représentant la formation de la glace. Des études de sensibilité ont été réalisées pour estimer l'impact des schémas numériques utilisés pour décrire la couche limite (BL) et la microphysique (MP) sur les propriétés nuageuses et ont révélé que la base et l'épaisseur des nuages dépendent fortement du schéma BL choisi, tandis que l'IWC et le LWC dépendent fortement du schéma MP choisi, mais avec des variabilités différents selon les deux cas. Des études de sensibilité supplémentaires ont été réalisées afin d'étudier l'impact de la pollution sur les systèmes SI et OO et montrent que la réponse des LWC et IWC au nombre de CCN n'est pas linéaire. Il existe une concentration critique en CCN (différente selon les deux cas) au-delà de laquelle la couche limite atmosphérique semble être saturée impactant peu les systèmes nuageux. Aussi, dans des conditions propres, le développement du cas OO est différent car la thermodynamique de la BL a été modifiée.

Different physical processes associated with surface and thermodynamical conditions as well as aerosol concentrations influence the formation and persistence of mixed-phase clouds (MPCs) in the Arctic. Within the framework of the international ACLOUD campaign (Arctic CLoud Observations Using airborne measurements during polar Day), which took place at the North-West of the Svalbard archipelago in spring 2017, two Arctic mixed-phase cloud (MPC) systems with contrasting characteristics were sampled on 17 June 2017 with the MIRAC cloud radar, dropsondes and in-situ microphysics probes deployed on-board the Polar 5 and Polar 6 aircrafts. This work shows how the ACLOUD observations can be used to evaluate the representation of the MPCs properties in the WRF (Weather Research and Forecasting) model, and also investigates how the MPCs properties are impacted by atmospheric thermodynamics conditions, surface types and pollution.The two MPC systems studied in this work formed either over sea ice or over open ocean permitting to investigate the effect of changing surface. Observations reveal a coupled cloud-surface situation for both cases since the vertical variations of the potential temperature between the surface and the cloud base are lower than 0.5°C. The MPC system observed over open ocean (OO case) was formed in warmer conditions than the one observed over sea ice (SI case). Also, the base of the OO cloud system is lifted, the supercooled liquid water content (LWC) is higher and the ice water content (IWC) is lower than for the SI case. However, a comparative analysis between the reflectivities measured by the cloud radar and those calculated from in-situ microphysics probe measurements highlights the importance of taking into account the degree of riming of the aggregates in the estimation of the ice water content (IWC). The droplet number concentrations are higher in the OO case due to higher concentrations in aerosols with CCN (cloud condensation nuclei) ability observed over the oceanic atmosphere whereas the concentrations in ice crystals are quite similar in both cases. As quite warm temperatures occurred inside the OO cloud system, the ice phase can be only formed via the heterogeneous ice nucleation process whereas the slightly colder temperatures present inside the SI cloud system entail that the ice phase can also be formed via secondary ice processes such as the Hallett-Mossop process.Comparisons between observations and simulations reveal that the WRF model better reproduces cloud properties such as cloud base, deep and LWC when the initialization data used, i.e. the ERA5 reanalysis data, are provided with a finer vertical resolution, especially near the surface. However, the WRF model underestimates the IWC (especially for the SI case) because the simulated in-cloud temperatures, which are slightly warmer than observed, have an impact on the switch on of the parameterisations representing the ice formation processes. Sensitivity studies of cloud properties to the schemes used to describe the atmospheric boundary layer (BL) and the microphysics (MP) are performed. These tests reveal how the cloud base and depth are dependent on the chosen BL scheme while the LWC and IWC are dependent on the chosen MP scheme, but with different intensities in the two cases. Additional sensitivity studies have been carried out to investigate the impact of the aerosol loading on the distribution of the in-cloud condensed water phases (i.e., LWC and IWC). These latter tests show that the response in the LWC and IWC to the aerosol loadings is not linear. Indeed, there is a critical CCN concentration (not the same for the two cases) from which the atmospheric boundary layer seems to be saturated. Moreover, under quite clean conditions, the formation and the evolution of the MPC are different for the OO case due to changes in the thermodynamic of the lowest levels of the atmosphere.