Phase thermodynamique des nuages : observations avec CALIPSO et évaluation du modèle LMDZ5B

Phase thermodynamics of clouds : observations with CALIPSO and evaluation of the model LMDZ5B

• Auteur / Autrice : Gregory Cesana
• Direction : Hélène Chepfer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Atmosphère
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnements

Lidar

Nuages -- Physique

Résumé

Au cours de cette thèse, nous avons tiré profit du lidar CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization), instrument de télédétection active embarqué à bord du satellite CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation), pour documenter la structure verticale de la phase des nuages à l’échelle globale. A ce titre, nous avons utilisé le jeu de données « The GCM-Oriented CALIPSO Cloud Product » (CALIPSO-GOCCP), conçu pour évaluer la description des nuages dans les GCMs. Une approche basée sur la polarisation lidar a été implémentée dans CALIPSO-GOCCP pour discriminer les nuages liquides des nuages glacés. En effet, le changement d’état de polarisation du faisceau lidar rétrodiffusé permet de différencier les gouttelettes d’eau des cristaux de glace en fonction de leurs formes. Contrairement aux méthodes utilisées par les instruments de télédétection passive, CALIPSO-GOCCP donne accès à la structure verticale de la phase des nuages (niveaux de 480m) de façon indépendante de la température. Nous avons ensuite évalué la phase CALIPSO-GOCCP à partir de mesures in situ aéroportées au moyen d'un néphélomètre polaire et comparé celle-ci à d’autres produits satellites (CALIPSO-ST/NASA, CALIPSO-JAXA, Satellites du GEWEX-CA). La restitution de la phase glacée dans les hautes couches est validée par les mesures du néphélomètre polaire aéroporté plus de 94% des cas. La restitution de la phase des nuages de basses couches comporte plus d’incertitudes (jusqu’à 31% de désaccords) dues à la différence de résolutions verticales entre CALIOP et le néphélomètre combinée à l’atténuation du faisceau lidar. Par la suite, nous avons évalué la description de la phase du modèle de circulation générale de l’IPSL (LMDZ5B) à partir des données CALIPSO-GOCCP. L’approche basée sur la polarisation lidar a été implémentée dans un simulateur de lidar afin de reproduire le signal polarisé qui serait mesuré par le lidar CALIOP au-dessus de l’atmosphère simulée par le modèle. La comparaison de l’ensemble « LMDZ5B+simulateur » avec CALIPSO-GOCCP, a permis de mettre en évidence un biais dans la relation phase-température utilisée dans le modèle. Il résulte une sous-estimation des nuages liquides et surestimation des nuages glacés dans le modèle. L’utilisation d’une relation phase-température dans LMDZ5B plus en accord avec CALIPSO-GOCCP entraine un effet radiatif net des nuages au sommet de l’atmosphère encore plus refroidissant (-25 Wm-2 contre -18. 3 Wm-2 dans les observations) que pour l’ancienne relation (-22. 8 Wm-2). Enfin, nous avons prêté une attention particulière à la région arctique, qui, de part ses surfaces réfléchissantes, était difficilement observable dans son ensemble avant CALIPSO. A partir d’une étude climatologique des données CALIPSO-GOCCP, nous avons pu mettre en évidence la présence continue de nuages liquides au-dessus de toutes les mers arctiques à des températures comprises entre -25°C et 0°C. Puis, dans une comparaison multi modèles CMIP5 avec CALIPSO-GOCCP, nous avons montré que les modèles simulaient assez bien les nuages bas arctiques sans toutefois réussir à reproduire leur cycle saisonnier. Par ailleurs, l’évaluation de la phase de LMDZ5B avec CALIPSO-GOCCP a révélé un déficit de nuages liquides simulés générant un biais dans les flux net ondes longues de surface (effet refroidissant). L’amélioration de la représentation des nuages liquides simulés dans le modèle a permis de réduire ce biais.

During this Ph. D work, we took advantage of the Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP) lidar, active sensor onboard the Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO) satellite, to document the vertical structure of the cloud phase at global scale. For this purpose, we used the so called « GCM-Oriented CALIPSO Cloud Product » (CALIPSO-GOCCP) dataset, which has been designed for the evaluation of clouds in models. An approach based on the lidar polarization has been implemented in CALIPSO-GOCCP to discriminate liquid clouds from ice clouds. The change of the polarization state of the backscattered lidar beam allows to distinguish liquid droplets from ice crystals thanks to their shapes. Contrary to satellite passive sensors, CALIPSO-GOCCP provide vertical profiles of the cloud phase (480m levels) without using the temperature. We then evaluated the CALIPSO-GOCCP cloud phase from in situ airborne measurements of a polar nephelometer, and compared them to other satellite products (CALIPSO-ST/NASA, CALIPSO-JAXA, GEWEX Cloud Assessment satellites). The ice phase retrieval in the high-level layers was validated by the polar nephelometer measurements in more than 94% of cases. The cloud phase retrieval of low-level clouds contains more uncertainties (up to 31% of disagreements), due to different vertical resolutions between the two sensors combined with the lidar beam attenuation. Afterwards, we evaluated the cloud phase description of the atmospheric component of the IPSL General Circulation Model (LMDZ5B) with CALIPSO-GOCCP dataset. The lidar polarization approach was implemented in a lidar simulator so as to mimic the polarized signal that would be measured by the lidar CALIOP flying above the modeled atmosphere. The comparison of the ensemble “LMDZ5B+simulator” and CALIPSO-GOCCP highlighted a bias in the phase-temperature relation of the model. The use of a new relation in LMDZ5B consistent with CALIPSO-GOCCP observations leads to a net cloud radiative effect (CREnet) even more cooling (-25 Wm-2 against -18. 3 Wm-2 in observations) than with the old relation (-22. 8 Wm-2). Finally, we specifically focused on the Arctic region, which was particularly difficult to observe entirely before CALIPSO, because of its reflective surfaces. Based on a climatological study of CALIPSO-GOCCP dataset, we emphasized the continuous presence of liquid clouds over the Arctic seas, at temperatures between -25°C and 0°C. Then, in a multi-model comparison with CALIPSO-GOCCP, we showed that models fairly well simulated low-level clouds without reproducing their seasonal cycles. Furthermore, LMDZ5B cloud phase evaluation using CALIPSO-GOCCP revealed a lack of modeled liquid clouds leading to biases in the longwave surface fluxes (cooling effect). The improvement of modeled liquid clouds helped to reduce these biases.