Simulation 3D du transfert radiatif dans les nuages de couche limite hétérogènes Frédérick Chosson, Doctorant Jean-Louis Brenguier, Directeur de thèse Lothar Schüller, Co-directeur de thèse Groupe de Météorologie expérimentale et instrumentale Équipe Microphysique des Nuages et Précipitations

Étude du biais hétérogène sur le transfert radiatif 3D PROBLÉMATIQUE Étude du biais hétérogène sur le transfert radiatif 3D Paramétrisation sous-maille dans les GCM Restituer des paramètres nuageux Besoin de modèles de nuages réalistes 

Le modèle Meso-NH ( CNRM / LA ) OUTILS DISPONIBLES Le modèle Meso-NH ( CNRM / LA ) Modèle Non-Hydrostatique, runs de 1D à 3D, échelle synoptique à LES Le modèle SHDOM (F.Evans, NCAR) Spherical Harmonic Discrete Ordinate Method for 3D Atmospheric Radiative Transfer. Sélectionné au MNP après comparaison avec les modèles Monte-Carlo et MOMO par L.Schüller. La campagne ACE-2 (Large des Canaries, été 1997) Mesures aéroportées coordonnées. Nombreuses scènes de strato- cumulus marins documentées.

Propriétés Radiatives Validation Meso-NH MÉTHODE Transfert Radiatif 3D Visible, NIR par SHDOM Propriétés Radiatives (ext, o, fonction de phase…) Validation Statistique du champ LWC simulé Meso-NH simulation 3D mode LES et “bulk” du nuage observé Comparaison ACE-2 Statistique mesures LWC in-situ Off-Line ß² Schéma Microphysique Réaliste Initialisation Champs 1D dynamiques et thermodynamiques Paramétrisation du Mélange Statistique des radiances mesurées

PARAMETRES DU MODÈLE LES MÉTHODE Transfert Radiatif 3D Visible, NIR par SHDOM Propriétés Radiatives (ext, o, fonction de phase…) Validation Statistique du champ LWC simulé Meso-NH simulation 3D mode LES et “bulk” du nuage observé Comparaison ACE-2 Statistique mesures LWC in-situ Off-Line ß² Schéma Microphysique Réaliste Initialisation Champs 1D dynamiques et thermodynamiques Paramétrisation du Mélange Statistique des radiances mesurées ACE-2 9 juillet 97 Profils initiaux de : Température potentielle de l’eau liquide θl Rapport de mélange en eau totale qt Vent horizontal Caractéristique du cas d’étude : Forte Inversion Instable par entraînement au sommet θl qt INITIALISATION PARAMETRES DU MODÈLE LES 10 km 1.5km Taille Pixel 50 m 10 m à Taille du Domaine Parois du domaine cyclique Schéma de turbulence d’ordre un et demi Pas de pluie, pas de glace Schéma microphysique “Bulk” (LWC par ajustement à la saturation) Schéma de condensation sous-maille (impact sur turbulence uniquement) Pas de Temps 0,5 sec Schéma radiatif ECMWF toutes les 2,5 min Durée simulation: 3h

Propriétés Radiatives Validation Meso-NH MÉTHODE Transfert Radiatif 3D Visible, NIR par SHDOM Propriétés Radiatives (ext, o, fonction de phase…) Validation Statistique du champ LWC simulé Meso-NH simulation 3D mode LES et “bulk” du nuage observé Comparaison ACE-2 Statistique mesures LWC in-situ Off-Line ß² Schéma Microphysique Initialisation Champs 1D dynamiques et thermodynamiques Paramétrisation du Mélange Statistics of remotely measured Radiances VALIDATION Épaisseur géométrique Distribution verticale LWC Distribution par colonne (LWP) Simulation Mesures LWC

Propriétés Radiatives Validation Meso-NH MÉTHODE Transfert Radiatif 3D Visible, NIR par SHDOM Propriétés Radiatives (ext, o, fonction de phase…) Validation Statistique du champ LWC simulé Meso-NH simulation 3D mode LES et “bulk” du nuage observé Comparaison ACE-2 Statistique mesures LWC in-situ Off-Line ß² Schéma Microphysique Initialisation Champs 1D dynamiques et thermodynamiques Paramétrisation du Mélange Statistics of remotely measured Radiances VALIDATION Épaisseur géométrique Distribution verticale LWC Distribution par colonne (LWP) Structure et organisation du champ nuageux (2D) L2 L1 Taille des cellules distance entre L1 L2

Schéma Microphysique β2 Schéma de Mélange Hypothèse : LWC sub-adiabatique = Zone d’entraînement Mélange Homogène pur h r² N = cst Reff diminue N diminue Reff =Rad =cste Mélange Hétérogène pur Temps caractéristique de Turbulence >> Évaporation gouttelettes Turbulence << Évaporation gouttelettes Schéma Microphysique β2 h r² ß²(h) Distribution en surface des gouttelettes à la base du nuage Hypothèses : Adiabatisme Concentration en gouttelettes (N) constante Grossissement des gouttelettes par diffusion de vapeur uniquement MÉTHODE Transfert Radiatif 3D Visible, NIR par SHDOM Propriétés Radiatives (ext, o, fonction de phase…) Validation Statistique du champ LWC simulé Meso-NH simulation 3D mode LES et “bulk” du nuage observé Comparaison ACE-2 Statistique mesures LWC in-situ Off-Line ß² Schéma Microphysique Initialisation Champs 1D dynamiques et thermodynamiques Paramétrisation du Mélange Statistics of remotely measured Radiances

Propriétés Radiatives Validation Meso-NH simulation mesures OVID MÉTHODE Réflectances au Nadir comparées Transfert Radiatif 3D Visible, NIR par SHDOM Propriétés Radiatives (ext, o, fonction de phase…) Validation Statistique du champ LWC simulé Meso-NH simulation 3D mode LES et “bulk” du nuage observé Comparaison ACE-2 Statistique mesures LWC in-situ Off-Line ß² Schéma Microphysique Initialisation Champs 1D dynamiques et thermodynamiques Paramétrisation du Mélange Statistics of remotely measured Radiances Transfert radiatif 3D Paramétrisation simple de la diffusion Rayleigh f(P,) Angle solaire zénithal : 24.4° Nb ordonnées discrètes : zénith 16 azimut 32 Parois cycliques, 3D Pas d’albédo de surface, pas d’aérosols SHDOM SHDOM

BILAN de la MÉTHODE Données d’entrées : Profils 1D, Nmax, choix mélange Résultats : H, PDF(LWC(h)), PDF(LWP) validés Structure cellulaire comparable PDF(Refl. Vis/Nir) comparables Nuages réalistes

RÉSULTATS Production de champs nuageux réalistes d’épaisseur et d’hétérogénéité variées ainsi que leur propriétés radiatives correspondantes avec des concentrations et un schéma de mélange différents Paramètres de Tunage du modèle : Critère CTEI et durée de simulation (hétérogénéité structurale et fraction nuageuse) Profils initiaux de qt , θl (épaisseur géométrique)

‘’Tunage’’ de l’épaisseur : ΘL,qtot couche limite < ΘL couche limite ΘL couche limite > qtot couche limite qtot couche limite < H nuage H nuage

‘’Tunage’’ de l’hétérogénéité : Critère CTEI > Critère d’instabilité : K = 0,23 (L/cp) Δqtot ΔΘL Δqtot

‘’Tunage’’ de l’hétérogénéité : Critère CTEI Δqtot ΔΘL

‘’Tunage’’ de l’hétérogénéité : le Temps ! Stephan De Roode , 2003 Taille des structures augmente avec le temps Simulation réaliste : contrainte de taille du domaine : Taille domaine >> taille cellule (t)

INVERSION DE FLOTTABILITE ou Instabilité d’entraînement au sommet du nuage ( CTEI ) refroidie et humidifiée par évaporation. Plus lourde que l’air environnant, la parcelle « coule », entraînant de nouvelles parcelles d’air sec. Une parcelle d’air sec est entraînée dans le nuage ΔΘe > Critère d’instabilité : K = 0,23 (L/cp) ΔRtot