Analyse statistique des nuages arctiques en phase mixte - Résultats préliminaires - EECLAT Workshop 21-23 Janvier 2013 Guillaume MIOCHE Olivier JOURDAN Frédéric SZCZAP Gwennolé GUYOT Christophe GOURBEYRE Régis DUPUY Alfons SCHWARZENBOECK Julien DELANOE Laboratoire de Météorologie Physique Clermont-Ferrand

Objectifs T1.7 – Nuages arctiques en phase mixte Analyse statistique des données in situ pour: étudier les processus de formation et de croissance des gouttes surfondues et des cristaux de glace, partition liquide/glace, forme des cristaux de glace, interactions avec le rayonnement… évaluer les algorithmes d’inversion de la télédétection aéroportée et spatiale (RALI/CALIPSO-CloudSat) établir des paramétrisations pour la télédétection aéroportée améliorer la représentation des nuages mixtes dans les modèles (méso-échelle, GCM)

Nuages mixtes ou liquides Base de données ASTAR 2004 / Spitzberg-NO ASTAR 2007 / Spitzberg-NO SORPIC 2010 / Spitzberg-NO POLARCAT-Printemps 2008 / Kiruna-SW Campagne Nombre de vols Nuages mixtes ou liquides Nuages glacés ASTAR 2004 14 11 3 ASTAR 2007 9 6 POLARCAT-printemps 2008 12 2 SORPIC 2010 - TOTAL 41 38 8

Instrumentation PMA du LAMP Cloud Particle Imager: PSD, N, extinction, IWC, forme des cristaux gamme: 10 à 2300 µm, résolution: 2.3 µm Polar Nephelometer: Propriétés optiques (coefficient d’extinction, paramètre d’asymétrie, fonction de phase) gamme : qq µm à 800 µm FSSP : PSD, N, extinction, LWC gamme: 3 à47 µm, résolution: 3 µm 2D-C: PSD, N, extinction, IWC, extinction gamme: 25 à800 µm, résolution: 25 µm 2D-P: PSD, N, extinction, IWC gamme: 200 à 6400 µm, résolution: 200 µm Télédétection RALI / A-Train: Rétrodiffusion, réflectivité radar, structure verticale

Résultats préliminaires ASTAR 2007: 6 nuages en phase mixte (StCu couche limite): une seule couche liquide au sommet + glace précipitante Discrimination des phases liquide et glace du nuage Profils verticaux moyens des propriétés des gouttes et cristaux et classification en formes Propriétés optiques Paramétrisations: IWC=f(Extinction), lois masse-diamètre Rétrodiffusion CALIOP Réflectivité CloudSat

Partition liquide/glace Zn = altitude normalisée selon la couche en phase mixte (seuil: g>0,82; 1=sommet, 0=base) Phase mixte

Propriétés des cristaux et des gouttes σ N IWC Deff Cristaux de glace Phase mixte σ N LWC Deff Gouttes d’eau surfondues Phase mixte

Concentrations différentes des cristaux? Propriétés des cristaux et des gouttes Cristaux de glace Nice IWC Profils similaires à ceux de ISDAC (Alaska) (Jackson et al., JGR, 2012) Concentrations différentes des cristaux? Nliq LWC Gouttes d’eau surfondues

Formes des cristaux de glace Nice(#/L) Présence de particules irrégulières dans tout le nuage:  Aggrégation « humide »  Rôle de la dynamique? Etoiles et formes pristine dans la partie inférieure du nuage, jusqu’au sol  Dépôt de vapeur, effet Bergeron? formes Particules givrées dans la partie supérieure du nuage (présence de la phase liquide):  Processus de givrage T (°C)

PROPRIETES OPTIQUES Interaction nuage-rayonnement: influence de la forme des cristaux Fonction de phase moyenne pour chaque niveau dans le nuage  Mise en évidence des phases liquide, mixte et glace PHASE LIQUIDE + Base du nuage et précipitation (glace) PHASE GLACE + + PHASE MIXTE Couche mixte du nuage + + + + + + Sommet du nuage (liquide)

PARAMETRISATIONS IWC=AσB TWC=AσB IWC (g.m-3) TWC (g.m-3) Extinction coefficient (m-1) Extinction coefficient (m-1) En fonction de la température?

PARAMETRISATIONS Relations Masse-Diamètre (phase glace) pour chaque niveau dans le nuage: M=ADB

PARAMETRISATIONS Fraction liquide, paramètre d’asymétrie et température… Domaine d’application -22 °C < T < -8 °C 0.75 < g < 0.85

INTERACTIONS AEROSOLS-NUAGES Jackson et al., JGR, 2012: (ISDAC, Alaska) Jackson et al., JGR (2012): Etude des interaction nuages-aérosols dans les nuages arctiques en phase mixte avec une seule couche liquide (campagne ISDAC, Alaska) CONCENTRATION EN GOUTTES RAYON EFFECTIF DES GOUTTES AU-DESSUS DU NUAGE Corrélation entre la phase liquide (concentration et taille des gouttes) et les aérosols SOUS le nuage  Nucléation des gouttes SOUS LE NUAGE

INTERACTIONS AEROSOLS-NUAGES POLARCAT-Printemps 2008: (Kiruna) CONCENTRATION EN GOUTTES RAYON EFFECTIF DES GOUTTES Corrélation entre la phase liquide (concentration et taille des gouttes) et les aérosols SOUS le nuage  Nucléation des gouttes AU-DESSUS DU NUAGE SOUS LE NUAGE

SUITE… Modélisation: utiliser les formes de cristaux observées déterminer des profils verticaux de rapport lidar variabilité de la phase mixte: simulations transfert radiatif (cf. présentation F. SZCZAP, T5) Tester les paramétrisations/Application aux algorithmes d’inversion de RALI Analyser les nuages mixtes multicouches Valider la télédétection spatiale (produits nuages) Lois masse-diamètre: application de la méthode d’E. Fontaine (T1.1 Tropics) aux données arctiques  utiliser les données RALI (POLARCAT) Besoins pour la modélisation et les méthodes d’inversion?