Thèse de doctorat Manuscrit & Soutenance

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Les effets radiatifs 3D des nuages de couche limite :
de leur simulation explicite à leur paramétrisation

Diplôme. Doctorat en Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'espace de l'Université de Toulouse, spécialité océan, atmosphère, climat

Dates. 1er octobre 2016 – 15 novembre 2019

Encadrement. Richard Fournier et Fleur Couvreux au sein des deux laboratoires LAPLACE et CNRM

Financement. Bourse ministérielle obtenue à l'issue du concours de l'Ecole Doctorale des Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace (SDU2E)

Jury.

Manuscrit. pdf, TEL

Soutenance. Support pdf [en], enregistrement partie 1, partie 2 [fr]

Mots-clés. Transfert radiatif - Cumulus - Large-Eddy simulations - Méthodes de Monte Carlo - Effets radiatifs 3D - Paramétrisations - Calibration

Résumé. Le rayonnement est un processus clé pour l’évolution de l’atmosphère. Les ondes électro-magnétiques émises par les corps chauds comme le soleil interagissent avec de nombreuses composantes du Système Terre. Elles peuvent par exemple être diffusées et absorbées par de microscopiques gouttelettes d’eau en suspension dans les nuages. Aux échelles globales, ces processus radiatifs contrôlent les bilans d’énergie de la surface et de l’atmosphère. L’effet des cumulus — ces nuages de couche limite liquides, principalement non-précipitants, fractionnés — sur le rayonnement solaire est étudié depuis de nombreuses années. L’importance de ces effets pour les prévisions météorologiques et pour l’évolution du climat de la Terre a déjà été démontrée. Pourtant, notre compréhension de ces interactions complexes et multiéchelles reste limitée. Dans cette thèse, le lien entre les caractéristiques macrophysiques des nuages et leur impact sur le rayonnement solaire, et en particulier sur leurs “effets 3D" (différence entre un calcul 3D et un calcul 1D dans lequel le transport horizontal est négligé), est étudié. Une paramétrisation existante des effets radiatifs 3D des nuages pour les modèles de grande échelle est analysée et évaluée contre des modèles de référence et des observations. A cette fin, des simulations haute résolution de quatre cas de convection de couche limite idéalisée sont réalisées à l’aide du modèle français Méso-NH, ainsi que des simulations perturbées permettant d’analyser l’impact de la résolution, de la taille du domaine, du schéma d’advection et des paramétrisations de la turbulence et de la microphysique sur les caractéristiques des populations nuageuses. Pour simuler à posteriori la propagation du rayonnement dans ces champs nuageux 3D, des outils Monte Carlo inspirés de la communauté de la synthèse d’image sont implémentés sous la forme d’un ensemble de modules génériques formant une bibliothèque libre ; ces modules sont ensuite utilisés pour implémenter des codes de Monte Carlo produisant un temps de calcul insensible à la complexité des scènes nuageuses. Le transfert radiatif 3D est résolu dans l’ensemble des champs nuageux simulés. Le lien entre les caractéristiques nuageuses analysées dans les différentes scènes et leurs effets radiatifs est analysé. Une attention particulière est portée sur les effets radiatifs 3D des nuages, par la réalisation de simulations Monte Carlo 3D et 1D (sous l’approximation de colonnes indépendantes), permettant d’isoler la contribution du transport horizontal sur les flux radiatifs à la surface et au sommet de l’atmosphère. Ces effets 3D sont quantifiés en fonction de l’angle solaire zénithal, et séparés en composantes directe et diffuse. Il apparait que les effets radiatifs 3D sont le résultat d’effets de signe opposé sur les flux direct et diffus, qui ne se compensent pas pour tous les angles solaires. La différence entre l’effet radiatif nuageux total (respectivement, direct) pour des calculs Monte Carlo 3D et 1D intégrés horizontalement et sur un cycle diurne atteint -13 W/m2 (respectivement, -45 W/m2) pour des courses solaires correspondant aux hautes latitudes (les effets 3D refroidissent la surface). Le rôle clé de la taille des nuages est démontré. Finalement, le schéma de rayonnement ecRad est étudié. La comparaison de solveurs qui représente (SPARTACUS) et ne représente pas (Tripleclouds) l’effet du transport horizontal sur les flux verticaux à des calculs de Monte Carlo et à des observations permet de démontrer que SPARTACUS représente mieux les effets 3D lorsque le paramètre principal qui controle le taux d’échange horizontal entre régions nuageuses et claires (la taille effective des nuages) est diagnostiqué dans les champs 3D et fourni à ecRad. L’utilisation d’outils de calibration automatique permettant d’explorer l’espace des paramètres utilisés par ecRad en comparant des estimations paramétrisées à des estimations de référence montre que les paramètres diagnostiqués dans les champs LES n’appartiennent pas à l’espace de paramètres considérés comme plausibles, bien que cet espace ne soit pas vide. En conséquence, l’idée qu’une certaine flexibilité devrait être introduite dans le choix des valeurs de paramètres, y compris ceux qui ont un sens physique, lors du développement des paramétrisations, est défendue.