Cirrus microphysics at global scale : Correlation with atmospheric properties and better representation in climate models. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2004

Cirrus microphysics at global scale : Correlation with atmospheric properties and better representation in climate models.

La microphysique des cirrus a l'echelle du globe : Correlation avec les proprietes atmospheriques et meilleure representation dans les modeles de climat.



Clouds play a crucial role in modulating energy trading system Earth-atmosphere. Indeed, they reflect some solar radiation contributing thus cooling the atmosphere, they trap some of the infrared radiation LAND contributing to global warming. The competition between these two effects opposite is governed by the physical and microphysical properties of clouds. In general low clouds with their low altitudes and high optical depths reflect more solar radiation and thus have a cooling trend. For cons, the cirrus clouds because of their low optical depths are relatively transparent to solar radiation and simultaneously capture a portion of long wave radiation re-emit infrared and to the ground contributing to the warming of the atmosphere and Earth's surface. The study of climate and its evolution, climate models, requires a good handling account the radiative effects of clouds. For now, the determination of the radiative effects has been identified by the IPCC, "Intergovernmental Panel on Climate Change" as one of the main sources of uncertainty in climate prediction. The radiative impact of cirrus clouds (clouds of high altitudes) is particularly poorly taken into account in some models because of the extreme variability of sizes and shapes of crystals ice clouds. Indeed, in some models, the size distribution and shape these crystals is replaced by an effective diameter assuming the crystals form spherical. Studies of Kristjansson et al. (2000) on the sensitivity of two models environment to assumptions about the microphysical properties of cirrus clouds have shown that resulting uncertainty on the radiative effect associated with a doubling of the concentration Atmospheric carbon dioxide is about 50%. The results of such studies explain the motivation of the scientific community to deepen our knowledge about the microphysics of clouds. Only observation of the properties of cirrus clouds at different scales to understand, and therefore better represent their impact on climate. Satellite observations offer opportunity to study the properties of cirrus clouds on a global scale and over long periods time. Pollsters TOVS (TIROS Operational Vertical Sounder-N) aboard platforms of NOAA have already demonstrated their ability to return properties natural (altitude, temperature and emissivity) and microphysical (size of the crystals and thick ice) cirrus thanks to their good spectral resolution in heat. The work of my thesis took place in the European project CIRAMOSA (Cirrus microphysical properties and Their Effect on Radiation: survey and integration Into climate Model From a combination of satellite observations), a collaboration between the Laboratory Dynamic Meteorology, the MetOffice at Exeter in Great Britain, the Institute for Marine Research in Kiel, Germany and the Laboratory of Atmospheric Optics in Lille. This project aimed to study the physical and microphysical properties of cirrus clouds to from satellite observations of different instruments as well as in situ measurements. The correlations between the microphysical properties of cirrus and the state of the atmosphere have been Demonstrated global scale, which will contribute to improved parameterizations microphysical properties of cirrus in climate models to better evaluation of their radiative effects. The LMD has participated in this project by developing a database of properties climate physical and microphysical cirrus clouds from measurements of vertical TOVS sounders. This climatology is the first of its kind. The first step of my thesis (Chapter 2) is devoted to the evaluation of the altitude of cloud base climate TOVS Path-B, a very important variable for calculation of radiative fluxes. For this evaluation I combined the data with TOVS Path-B LITE lidar observations close in time and space. This analysis showed that General altitude cloud TOVS Path-B corresponds to the middle of a cloud. The agreement best for low clouds than for high clouds. These are usually the one hand more heterogeneous and on the other hand, in the case of a cloud underlying the vertical structure of cloud top appears to be different (with a maximum signal backscatter above). In the latter case, on average, the altitude of a cloud of TOVS Path-B is underestimated by about 700m. In a second step (Chapter 3), I am interested in studying correlations between microphysical properties of cirrus and the state of the atmosphere. The spatio-temporal brought into play by the physical processes of cloud formation are characterized by a wide spectrum of variability. However, the spatial and temporal resolution of climate models is reduced and does not take into account such variability. Therefore it is necessary to develop parameterizations for representing these microphysical properties in climate models. Design and development of these parameterizations require an understanding of interrelationships between microphysics clouds and the generation process of these clouds. So far the correlation between microphysical properties of clouds and the state of the atmosphere have been studied in campaigns in-situ measurements and hence in areas and for limited periods. The database TOVS Path-B microphysical properties of cirrus clouds, with its cover comprehensive and lasting four years, has allowed us to study across the globe consistency of these correlations identified in regional campaigns. In some number of climate models, the effective size of ice crystals or ice thickness cirrus clouds are parameterized according to the temperature of cloud. Our analysis with TOVS Path-B data have shown that this correlation does not exist globally. For go further, I sought to study the effect of the dynamics and thermodynamics of the atmosphere on the microphysical properties of cirrus clouds. For this study, I combined the properties of cirrus TOVS Path-B with the parameters of atmospheric re-analysis of ECMWF. Our studies have demonstrated the important role played by the wind (horizontal and vertical) and the humidity in the modulation of the microphysical properties of cirrus clouds. In general, in situations of strong vertical winds, horizontal cirrus have a size actual ice crystals rather low. Similarly, the thickness of cirrus ice bathing in a humid atmosphere containing strong updrafts are rather large. The last part of my thesis (Chapter 4) is dedicated to the study of coherence parameterizations of scattering properties of ice crystals between the thermal and the solar field. These scattering properties depend on the actual size of the crystals ice, the shape of the crystals and the wavelength. The non-regular forms of ice crystals of cirrus clouds that treatment of the diffusion and absorption radiation by these crystals can be done by approximate methods. We determined the radiative fluxes at the top of the atmosphere in the presence of cirrus clouds from radiative transfer model used in the model of the British climate MetOffice. The physical properties of cirrus clouds from TOVS Path-B, and the properties microphysics derived from measurements in the thermal field, were used to calculate albedos, which then were compared with observed albedo of cirrus clouds. These latter were determined by the radiometer ScaRaB. Three parameterizations of properties Dissemination of ice crystals were tested. These parameterizations have been developed from different physical principles and different assumptions about the shape of ice crystals. Assuming shaped crystals of hexagonal columns (Fu, 1998) observations are in agreement with the calculations for thin cirrus clouds in ice. The albedos calculated from the parameterization of Baran (2003) for crystals in aggregates are much better agreement with the observed albedos provided that the effective diameter of the crystals increases with the thickness of ice in cirrus clouds.
Les nuages jouent un rôle capital dans la modulation des échanges énergétiques du système terre-atmosphère. En effet, ils réfléchissent une partie du rayonnement solaire contribuant ainsi au refroidissement de l'atmosphère, et ils piègent une partie du rayonnement infrarouge terrestre contribuant ainsi au réchauffement de la terre. La compétition entre ces deux effets opposés est gouvernée par les propriétés physiques et microphysiques des nuages. En général, les nuages bas avec leurs faibles altitudes et leurs fortes épaisseurs optiques réfléchissent davantage de rayonnement solaire et ont ainsi une tendance au refroidissement. Par contre, les cirrus, à cause de leurs faibles épaisseurs optiques, sont relativement transparents au rayonnement solaire et en même temps captent une partie du rayonnement tellurique infrarouge et le réémettent vers le sol contribuant ainsi au réchauffement de l'atmosphère et de la surface terrestre. L'étude du climat et de son évolution, par les modèles de climat, nécessite une bonne prise en compte des effets radiatifs des nuages. Pour le moment, la détermination de ces effets radiatifs a été identifiée par le IPCC « Panel Intergouvernemental sur le changement de climat » comme l'une des sources principale d'incertitude sur la prédiction du climat. L'impact radiatif des cirrus (nuages des hautes altitudes) est en particulier mal pris en compte dans certains modèles à cause de l'extrême variabilité des tailles et formes des cristaux de glace de ces nuages. En effet, dans certains modèles, la distribution de taille et de forme de ces cristaux est remplacée par un diamètre effectif en supposant les cristaux de forme sphérique. Des études de Kristjansson et al. (2000) sur la sensibilité de deux modèles de climat aux hypothèses sur les propriétés microphysiques des cirrus ont montré que l'incertitude résultante sur l'effet radiatif associé à un doublement de la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone est de l'ordre de 50%. Les résultats de telles études expliquent la grande motivation de la communauté scientifique à approfondir nos connaissances sur la microphysique des nuages. Seule l'observation des propriétés des cirrus à différentes échelles permet de comprendre, et donc de mieux représenter, leur impact sur le climat. Les observations satellitaires offrent la possibilité d'étudier les propriétés des cirrus à une échelle globale et sur de longues périodes de temps. Les sondeurs TOVS (TIROS-N Operational Vertical Sounder) embarqués à bord des plate-formes de la NOAA ont déjà démontré leur capacité de restitution des propriétés physiques (altitude, température et émissivité) et microphysiques (taille des cristaux et épaisseur en glace) des cirrus grâce à leur bonne résolution spectrale dans le domaine thermique. Le travail de ma thèse s'est inscrit dans le cadre du projet Européen CIRAMOSA (CIrrus microphysical properties and their effect on RAdiation : survey and integration into climate MOdels from a combination of SAtellite observations), une collaboration entre le Laboratoire de Météorologie Dynamique, le MetOffice à Exeter en Grande Bretagne, l'Institut pour la recherche marine à Kiel en Allemagne et le Laboratoire d'Optique Atmosphérique à Lille. Ce projet avait pour objectif d'étudier les propriétés physiques et microphysiques des cirrus à partir d'observations de différents instruments satellitales ainsi que de mesures in-situ. Des corrélations entre les propriétés microphysiques des cirrus et l'état de l'atmosphère ont pu être démontrées à échelle globale, ce qui va contribuer à l'amélioration des paramétrisations des propriétés microphysiques des cirrus dans les modèles de climat pour une meilleure évaluation de leurs effets radiatifs. Le LMD a participé à ce projet par l'élaboration d'une base climatique des propriétés physiques et microphysiques des cirrus à partir des mesures des sondeurs verticaux TOVS. Cette climatologie est la première dans son genre. La première étape de mon travail de thèse (chapitre 2) est consacrée à l'évaluation de l'altitude des nuages de la base climatique TOVS Path-B, une variable très importante pour le calcul des flux radiatifs. Pour cette évaluation j'ai combiné des données TOVS Path-B avec les observations du lidar LITE proches en temps et en espace. Cette analyse a démontré qu'en général l'altitude de nuage de TOVS Path-B correspond bien au milieu de nuage. L'accord est meilleur pour les nuages bas que pour les nuages hauts. Ces derniers sont d'une part souvent plus hétérogènes et d'autre part, dans le cas d'un nuage sous-jacent, la structure verticale du nuage haut semble différente (avec un maximum du signal de rétro-diffusion plus haut). Dans le dernier cas, en moyenne, l'altitude de nuage de TOVS Path-B est sous-estimée d'environ 700m. Dans une seconde étape (chapitre 3), je me suis intéressée à l'étude des corrélations entre les propriétés microphysiques des cirrus et l'état de l'atmosphère. Les échelles spatio-temporelles mises en jeu par les processus physiques de formation des nuages se caractérisent par un large spectre de variabilité. Or, la résolution spatiale et temporelle des modèles de climat est réduite et ne permet pas de prendre en compte une telle variabilité. C'est pourquoi il est nécessaire d'établir des paramétrisations permettant la représentation de ces propriétés microphysiques dans les modèles de climat. La conception et le développement de ces paramétrisations nécessitent une bonne compréhension des liens entre la composition microphysique des nuages et les processus de génération de ces nuages. Jusqu'à présent les corrélations entre les propriétés microphysiques des nuages et l'état de l'atmosphère ont été étudiées lors de campagnes de mesures in-situ et donc dans des zones et pour des périodes limitées. La base de données TOVS Path-B des propriétés microphysiques des cirrus, avec sa couverture globale et une durée de quatre années, nous a permis d'étudier à l'échelle du globe la cohérence de ces corrélations identifiées lors des campagnes régionales. Dans un certain nombre de modèles de climat, la taille effective des cristaux de glace ou l'épaisseur en glace des cirrus sont paramétrisées en fonction de la température de nuage. Nos analyses avec les données TOVS Path-B ont démontré que cette corrélation n'existe pas à échelle globale. Pour aller plus loin, j'ai cherché à étudier l'effet de la dynamique et la thermodynamique de l'atmosphère sur les propriétés microphysiques des cirrus. Pour cette étude, j'ai combiné les propriétés des cirrus de TOVS Path-B avec les paramètres atmosphériques des ré-analyses du ECMWF. Nos études ont démontré le rôle important que jouent les vents (horizontaux et verticaux) et l'humidité de l'air dans la modulation des propriétés microphysiques des cirrus. En général, dans les situations de forts vents verticaux et horizontaux, les cirrus ont une taille effective de cristaux de glace plutôt faible. De même, l'épaisseur en glace des cirrus baignant dans une atmosphère humide contenant de forts courants ascendants est plutôt grande. La dernière partie de ma thèse (chapitre 4) est dédiée à l'étude de la cohérence des paramétrisations des propriétés de diffusion des cristaux de glace entre le domaine thermique et le domaine solaire. Ces propriétés de diffusion dépendent de la taille effective des cristaux de glace, de la forme de ces cristaux et de la longueur d'ondes. La non-régularité des formes de cristaux de glace des cirrus fait que le traitement de la diffusion et de l'absorption du rayonnement par ces cristaux ne peut se faire que par des méthodes approchées. Nous avons déterminé les flux radiatifs au sommet de l'atmosphère en présence de cirrus à partir du modèle de transfert radiatif utilisé dans le modèle de climat britannique du MetOffice. Les propriétés physiques des cirrus provenant de TOVS Path-B, ainsi que les propriétés microphysiques établies à partir des mesures dans le domaine thermique, ont été utilisées pour calculer les albédos, qui ensuite ont été comparés aux albédos observés de ces cirrus. Ces derniers ont été déterminés par le radiomètre ScaRaB. Trois paramétrisations des propriétés de diffusion des cristaux de glace ont été testées. Ces paramétrisations ont été développées à partir de principes physiques différents ainsi que de différentes hypothèses sur la forme des cristaux de glace. En supposant des cristaux en forme de colonnes hexagonales (Fu, 1998) les observations ne sont en accord avec les calculs que pour des cirrus de faible épaisseur en glace. Les albédos calculés à partir de la paramétrisation de Baran (2003) pour des cristaux en forme d'agrégats sont bien plus en accord avec les albédos observés pour autant que le diamètre effectif des cristaux augmente avec l'épaisseur en glace des cirrus.
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Fadoua Eddounia. La microphysique des cirrus a l'echelle du globe : Correlation avec les proprietes atmospheriques et meilleure representation dans les modeles de climat.. Géophysique [physics.geo-ph]. Ecole Polytechnique X, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00001049⟩
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