Galerie Images de synthèse & figures

ARM-Cumulus sur surface désertique

ARM-Cumulus sur surface océanique

ARM-Cumulus au dessus d'une ville

ARM-Cumulus sur surface montagneuse

Stratocumulus (cas FIRE)

Cumulus congestus sur surface montagneuse

Photo (A) et image de synthèse (B) d'un champ nuageux qui se développe dans le sillage des turbines des éoliennes qui modifient la dynamique atmosphérique.

Evolution temporelle de la couverture nuageuse de différents cas de cumulus et sa sensibilité aux réglages du modèle. Chaque sous-figure est un cas de cumulus différent. Chaque courbe correspond à un réglage du modèle : différentes résolutions spatiales, tailles de domaine, choix de paramétrisations microphysique et de turbulence, schéma d'advection des vents.

Caractéristiques géométriques de différents champs nuageux 3D issus de simulations à haute résolution (voir ci-dessus), en fonction de l'altitude relative dans la couche nuageuse (en ordonnées). (a) taux de recouvrement vertical entre couches adjacentes. (b) hétérogénéité relative de l'eau liquide horizontale. (c) diamètre moyen des nuages.

Evaluation des effets radiatifs 3D (calcul 3D - calcul 1D) sur la transmissivité moyenne en surface (en abscisses) et sur la réflectivité moyenne au sommet de l'atmosphère (en ordonnées). Chaque point représente un calcul différent : la couleur indique l'angle zénithal solaire et les points de même couleur représentent différents champs nuageux. Les effets 3D changent de signe avec l'angle solaire car les processus dominants changent (l'interception du flux direct par les bords de nuages domine à partir d'environ 45 degrés d'angle solaire).

Flux direct 1D et 3D (à gauche), diffus 1D et 3D (au milieu) et effets 3D (3D-1D) sur les flux directs, diffus et totaux (à droite), en fonction de la couverture nuageuse des champs de cumulus. La première ligne correspond à un angle solaire zénithal nul (soleil au zénith), la deuxième à un angle intermédiaire (44 degrés) et la troisième à un angle rasant (77 degrés). On observe à nouveau le changement de signe des effets 3D en fonction de l'angle solaire, ainsi que la dépendance quasi-linéaire des flux direct et diffus à la couverture nuageuse. Par contre, la dépendance des effets 3D à la couverture nuageuse n'est pas linéaire.

Effets radiatifs 3D d'un champ de cumulus moyenné sur la durée d'une journée à différents latitudes (l'évolution de l'angle solaire zénithal varie au cours de la journée mais le champ nuageux est gardé constant). Pour chaque latitude (en ordonnées), la différence entre un calcul 3D et un calcul 1D est représentée pour les flux direct (en jaune), diffus (en bleu) et total (en noir). Les effets 3D ont un effet plutôt réchauffant proche de l'équateur tandis qu'ils ont un effet plutôt refroidissant en moyenne aux hautes latitudes.

Lancer de rayon dans un volume hétérogène (caractérisé par un champ de coefficients de diffusion k_s), par exemple un champ nuageux issu de simulation à haute résolution. A gauche, le rayon intersecte toutes les mailles pour trouver le lieu de la prochaine interaction avec le milieu (collision). Au milieu, des particules fictives (caractérisées par un champ de coefficients de diffusion k_n) sont ajoutées pour se ramener en milieu homogène (k̂ est uniforme), menant à un sur-échantillonnage des interactions ; les collisions ont une probabilité k_n/k̂ d'être rejetées. Il s'agit alors de collisions nulles. La propagation du rayonnement n'est pas modifiée par cette méthode, qui permet au lancer de rayon d'être indépendant de la structure de la donnée d'origine mais induit un coût lié au sur-échantillonnage de collisions. A droite, les particules fictives sont ajoutées de façon à ce que le champ de k̂ soit uniforme par régions, ce qui permet de trouver un compromis entre le nombre de mailles traversées et le nombre de collisions nulles rejetées.

A gauche, une coupe verticale du champ de contenu en eau liquide nuageuse issu d'une simulation à 5m de résolution (Strauss et al., 2019). A droite, une coupe verticale dans la structure accélératrice construite à partir de ce champ, qui contient des majorants du champ d'origine uniformes par régions.

La construction d'une structure accélératrice dépend ici d'un critère en épaisseur optique des régions fusionnées. Si le critère est nul, on retrouve le champ d'origine. A l'autre extrême, on a un champ entièrement uniforme et donc un coût important lié au sur-échantillonnage des collisions. Au milieu, un compromis optimal peut être trouvé, qui correspond à avoir en moyenne une à dix collisions (vraies ou nulles) par région.

Lorsque les structures accélératrices décrites ci-dessus sont utilisées comme support de la procédure de lancer de rayon (courbe orange), le temps de calcul ne dépend plus de la résolution d'origine du champ nuageux : le calcul devient insensible à la complexité de la donnée volumique.

Des calculs réalisés par High-Tune:RenDeRer ont été comparés au code Monte Carlo de référence 3DMCPOL (Cornet et al., 2010). Les différences entre les deux sont de l'ordre de grandeur de la variance des estimations de luminance dans chaque pixel.

Des calculs de référence sont réalisés par Monte Carlo pour un grand nombre de scènes nuageuses (différents champs de cumulus et angles solaires). Des calculs réalisés par différentes versions de la paramétrisation ecRad (Hogan and Bozzo, 2018) sont comparés à ces références. Pour chaque métrique : flux réfléchi au sommet de l'atmosphère (en haut), flux absorbé par l'atmosphère (au milieu) et flux transmis en surface (en bas), les distributions des erreurs entre ecRad et Monte Carlo sont représentées. PPH max ovp correspond à des nuages homogènes horizontalement, dont les fractions se recouvrent de façon maximale entre deux couches adjacentes. Tripleclouds correspond à des nuages hétérogènes horizontalement avec un recouvrement vertical plus réaliste. SPARTACUS correspond aux nuages de Tripleclouds avec en plus une représentation de la propagation horizontale du rayonnement (effets radiatifs 3D).

Comme ci-dessus mais au lieu des différents solvers ce sont différents réglages de SPARTACUS qui sont évalués ici. Mean LES correspond aux paramètres diagnostiqués dans les champs de cumulus 3D et les autres réglages sont issus de la procédure de calibration basée sur les outils High-Tune:Explorer. Les paramètres ajustés sont les paramètres de recouvrement vertical, d'hétérogénéité horizontale et de taille des nuages. L'ajustement des paramètres mène globalement à de meilleures estimations que l'utilisation de paramètres diagnostiqués d'après leur interprétation physique.

Profils d'absorption nuageuse pour un champ de cumulus donné, en fonction de l'angle solaire zénithal, pour un calcul de référence par Monte Carlo et différents calculs approchés par ecRad. (a) Deux configurations issues de la procédure de calibration, (b) trois tests de sensibilité (Smaller FSD = faible hétérogénéité, Larger Cs = grands nuages (moins d'effets 3D), Smaller z₀ = plus courte longueur de décorrelation (plus grande couverture nuageuse). L'absorption nuageuse reste difficile à estimer de façon précise pour la paramétrisation. Sa valeur absolue est faible et sensible à l'hétérogénéité et aux effets 3D. Une fois pris en compte, un biais reste présent pour tous les angles solaires, dû aux biais intrinsèques à la formulation à deux flux du transfert radiatif.

Fraction de flux direct sur total arrivant en surface en moyenne sous des nuages bas observés au dessus de l'île de Graciosa dans les Açores, en fonction de l'angle solaire zénithal. Les couleurs correspondent à cinq intervalles de couvertures nuageuses. Les lignes pleines correspondent à des observations issues d'une analyse de donnée ARM, les tirées correspondent aux fractions estimées par SPARTACUS (ecRad 3D) et les point-tirées correspondent aux fractions estimées par TripleClouds (ecRad 1D). Les simulations ecRad prennent en entrée des profils nuageux observés au dessus des observations de rayonnement ARM. Les barres d'erreurs indiquent les intervalles de confiance à 95%.