Développement d'un nouveau schéma de physique des nuages dans le modèle de méso-échelle MésoNH pour l'étude des interactions aérosol-nuage

• Auteur / Autrice : Sarah Berthet
• Direction : Maud Leriche, Jean-Pierre Pinty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'atmosphère
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Circulation atmosphérique

Satellites artificiels en télédétection

Nucléation (météorologie)

Aérosols atmosphériques

Nuages -- Physique

Mots clés libres

Aérosols

Nuage

Microphysique

Activation

Nucléation hétérogène

Hydrométéores primaires

Lessivage

Modélisation

Méso-échelle

Résumé

Un bilan des aérosols en jeu (CCN et IN) dans les processus de nucléation des particules de nuage élémentaires (gouttelettes et cristaux de glace) est implanté dans un nouveau schéma microphysique à 2 moments dans le modèle MésoNH. Il répond à la nécessité d'intégrer un suivi des concentrations en noyaux de nucléation dans la microphysique du nuage. En effet CCN et IN déterminent la concentration en nombre des gouttelettes et des cristaux primaires ; ceux-ci sont à l'origine de processus microphysiques qui déterminent les propriétés radiatives et précipitantes du nuage. Ainsi, l'intérêt pour le bilan radiatif des nuages à l'échelle globale nécessite-t-il de pouvoir estimer localement l'impact des aérosols sur les nuages, grâce à des outils de modélisation numérique à l'échelle des structures nuageuses qui sont capables de résoudre les processus de nucléation hétérogène des gouttelettes et des cristaux à partir des CCN et des IN, respectivement. En conséquence, le bilan des particules d'aérosols réalisé dans MésoNH s'appuie sur le traitement des concentrations en aérosols, à la fois interstitiels et activés pour chaque mode de CCN et d'IN, au moyen de couples de variables 3D pronostiques. Le bilan considère les principaux termes reflétant l'interaction aérosol-nuage, avec une attention particulière accordée à la représentation des processus de nucléation hétérogène des particules nuageuses. Ainsi établi, ce bilan permet de considérer simultanément l'activation de populations multimodales de CCN et d'IN, leur lessivage par impaction, leur transport, et donc la variabilité spatio-temporelle de ces noyaux de nucléation. La sensibilité d'un système nuageux à la formulation de la nucléation hétérogène de la glace est mise en évidence sur un cas de nuage orographique. Un cas idéalisé de ligne de grain est ensuite utilisé pour illustrer les interactions complexes qui existent entre la dynamique et la microphysique nuageuse lorsqu'elle est pilotée par une population multimodale d'aérosols.

A set of 3D budget equations for aerosol particles acting as nuclei (CCN and IN) in the heterogeneous nucleation processes of cloud droplets and ice crystals have been developed in a 2-moment microphysical scheme of the mesoscale model MesoNH. CCN and IN are the nuclei that initiate and determine the concentrations of the small droplets and the pristine ice crystals. Consequently and in order to solve the radiative impacts of clouds at global scale with general circulation models, it is useful to evaluate the local impact of aerosol particles with cloud-resolving models that are able to integrate the activation processes of CCN and IN in a microphysical scheme. The budget equations of the aerosol particles computed in MesoNH, are based on the follow-up of prognostic concentrations of each mode of interstitial and activated CCN and IN. The budget focuses on the aerosol-cloud interactions. It considers the activation processes of polydisperse populations of CCN and IN, the impaction scavenging by falling raindrops, the transport of the particles, and so it is intended to reproduce the temporal and spatial variability of these nuclei. The sensibility of a cloud system to the parameterisation of ice heterogeneous nucleation is studied in the case of a mixed-phase orographic cloud. Then an idealised case of a squall line is simulated in order to illustrate the complex relationships existing between dynamics and cloud microphysics when polydisperse population of aerosol particles is considered.