Profils verticaux des propriétés microphysiques du brouillard et leur évolution au cours de son cycle de vie

Vertical profiles of fog microphysical properties and their evolution during the life cycle

• Auteur / Autrice : Théophane Costabloz
• Direction : Christine Lac, Frédéric Burnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 01/07/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre national de recherches météorologiques (France)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Tulet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Lac, Pierre Tulet, Julien Delanoë
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martial Haeffelin, Maud Leriche, Pascal Lemaître

Mots clés

Mots clés contrôlés

Brouillard

Télédétection

Mots clés libres

Brouillard

Microphysique

SOFOG3D

Observations

Ballon captif

Fog

Microphysics

SOFOG3D

Observations

Tethered balloon

Résumé

Le brouillard est un phénomène difficile à prévoir en raison de sa faible extension verticale et de l’équilibre complexe des processus radiatifs, microphysiques, turbulents et dynamiques régissant son cycle de vie. Malgré une évolution croissante des moyens de mesure par télédétection, les propriétés microphysiques de la structure verticale du brouillard demeurent peu documentées. L’objectif de cette thèse est de caractériser l’évolution du profil vertical des propriétés microphysiques du brouillard et les principaux processus qui les pilotent durant son cycle de vie à partir d’un jeu de données unique.La campagne SOFOG3D s’est déroulée dans le sud-ouest de la France durant l’hiver 2019/2020, avec un dispositif instrumental inédit combinant mesures par télédétection (radiomètre micro-ondes et radar nuage) et mesures in situ au sol et sous ballon captif. Sur les trente épisodes de brouillard échantillonnés au super-site, majoritairement de type radiatif et radiatif-advectif, 18 épisodes ont été validés à partir des mesures de visibilité. L’analyse de leurs propriétés microphysiques au sol a montré de faibles concentrations de gouttelettes (médiane entre 20 et 40 cm-3) . De plus, les distributions dimensionnelles des gouttelettes, majoritairement bimodales, présentent des diamètres élevés, en particulier pour les épisodes radiatifs-advectifs.Les observations in situ sous ballon captif ont permis de mettre en évidence l’évolution conjointe des propriétés microphysiques et thermodynamiques sur la verticale, à partir de 140 profils verticaux collectés dans 8 épisodes de brouillards fins (épaisseur < 50 m) et 4 brouillards développés. Après la formation du brouillard, lorsqu’il est optiquement fin, i.e., transparent au rayonnement infrarouge, les conditions thermiques stables sont associées à un profil de contenu en eau liquide inversé, présentant des valeurs maximales au sol et décroissantes avec l’altitude. Après la transition en brouillard optiquement épais, lorsqu’elle se produit, des caractéristiques quasi-adiabatiques sont observées (profils d’eau liquide croissants avec l’altitude et de température légèrement instables). Ces observations in situ ont été confrontées à l’adiabaticité équivalente, dérivée du modèle conceptuel de Toledo et al. (2021), alimenté par des mesures par télédétection et d’observations en surface. La comparaison montre un accord satisfaisant entre les deux approches, sauf pour les brouillards les plus fins, où l’adiabaticité équivalente est sous-estimée par rapport à l’adiabaticité locale dérivée des mesures in situ par une méthode originale de régression.Les profils décroissants d’eau liquide dans les brouillards optiquement fins sont associés à une diminution du diamètre des gouttelettes avec l’altitude, une concentration faible et un mode de larges gouttelettes dominant près du sol. Pour les brouillards optiquement très fins (<20 m), le maximum de concentration est à l’inverse observé près du sol, traduisant une production de gouttelettes prépondérante en surface, consécutive au refroidissement nocturne. Pour les brouillards optiquement épais, contenu et concentration de gouttelettes augmentent avec l’altitude, soulignant le rôle de la croissance par condensation. De plus on met en évidence des zones de concentrations de petites gouttelettes plus élevées proche du sommet résultant probablement du processus d’activation des aérosols. Ces gouttelettes sédimentent ensuite vers les couches inférieures et grossissent par collision-coalescence, conduisant à la formation de larges gouttelettes (> 30 µm) au sol, associée à une distribution bimodale. Enfin, la distribution devient monomodale lorsque le brouillard se dissipe en stratus. Ces nouvelles connaissances sur l’évolution des propriétés microphysiques du brouillard au cours de son cycle de vie vont ainsi permettre d’évaluer et améliorer les schémas microphysiques des modèles numériques.

Fog is a difficult phenomenon to forecast due to its limited vertical extent and the complex interactions between radiative, microphysical, turbulent and dynamic processes driving its life cycle. Despite increasing developments in remote sensing techniques, the microphysical properties of the fog vertical structure remain poorly documented. This thesis aims to characterize the evolution of the vertical profile of the fog microphysical properties and the main processes driving its life cycle, using a unique data set.The SOFOG3D campaign was conducted in southwest France during the winter of 2019/2020, with an innovative instrumental set-up, combining remote sensing measurements (microwave radiometer and cloud radar) and in situ measurements at ground level and under a tethered balloon. Of the 30 fog episodes sampled at the super-site, mainly radiative and radiative-advective fogs, 18 episodes were validated on the basis of visibility measurements. Analysis of their microphysical properties at ground level revealed low droplet concentrations (median between 20 and 40 cm-3). In addition, the droplet size distributions were mostly bimodal, with large diameters, particularly for radiative-advective episodes.In situ observations collected under a tethered balloon highlighted a combined evolution of the vertical microphysical and thermodynamic properties, based on 140 vertical profiles collected during 8 thin fog episodes (thickness < 50 m) and 4 thick fogs. After fog formation, when it is optically thin, i.e. transparent to infrared radiation, thermally stable conditions are associated with a reversed profile of liquid water content, with maximum values at ground level decreasing with height. After the transition to optically thick fog, when it occurs, quasi-adiabatic features are observed (liquid water profiles increasing with height and slightly unstable temperature profiles).These in situ observations were compared with the equivalent adiabaticity, derived from the conceptual model of Toledo et al (2021), based on remote sensing measurements and surface observations. The comparison shows satisfactory agreement between the two approaches, with the exception of very thin fogs, where the equivalent adiabaticity is underestimated compared with local adiabaticity, derived from in situ measurements, using an original regression method.Decreasing liquid water profiles in optically thin fogs are associated with decreasing droplet diameters with height, low concentrations and a dominant mode of large droplets near the ground. For optically very thin fogs (<20 m), maximum concentrations are observed near the ground, indicating a predominant droplet production at the surface, following radiative cooling. In optically thick fogs, droplet content and concentration increase with height, illustrating the importance of condensation growth. In addition, we find areas of higher concentration of small droplets near the top, resulting probably from aerosol activation. These droplets then settle towards the lower layers and grow by collision-coalescence, leading to the formation of large droplets (> 30 µm) at ground level, associated with a bimodal distribution. Finally, the distribution becomes monomodal when the fog dissipates into stratus. This new knowledge of the evolution of the fog microphysical properties during its life cycle make it possible to evaluate and improve the microphysical schemes in numerical models.