Nuages Arctiques en phase mixte Etude régionale des nuages Arctiques en phase mixte à partir des observations CALIPSO/CLOUDSAT G. Mioche, O. Jourdan, J. Delanoë, M. Ceccaldi, C. Gourbeyre, G. Guyot, R. Dupuy, A. Schwarzenboeck EECLAT T2.11: Nuages Arctiques en phase mixte Workshop EECLAT Ploumanac’h - 19-21 janvier 2015

Contexte/Objectif: les nuages en phase mixte en région Arctique Rappel sur les moyens d’observations utilisés Etude à grande échelle: Climatologie des nuages mixtes Contexte des mesures in situ Lien avec glace de mer? Validation de la télédétection: Evaluation des produits DARDAR de restitution de la phase thermodynamique: 4 études de cas Conclusions et perspectives

Pourquoi étudier les nuages en Arctique? Contexte/Objectifs Moyens d’observation Etude à grande échelle Validation de la télédétection Conclusions et perspectives Pourquoi étudier les nuages en Arctique? La région Arctique est l’une des plus sensibles au changement climatique Les nuages sont l’une des grandes incertitudes sur la réponse de l’Arctique au changement climatique Inflluence des nuages mixtes sur le bilan radiatif à quantifier Observations encore peu nombreuses dans cette région du globe Propriétés physiques et microphysiques mal reproduites par les simulations numériques EECLAT T2.11: Nuages arctiques en phase mixte Comprendre l’intéraction des nuages avec les autres composantes climatiques en Arctique et leur rôle dans les processus de rétroactions Améliorer les connaissances sur: La variabilité de la phase mixte Le partitionnement liquide/glace, Les propriétés microphysiques (IWC, LWC, dimensions et formes…) La formation et la croissance des particules nuageuses

Moyens d’observation: la synergie télédétection/mesures in situ Contexte/Objectifs Moyens d’observation Etude à grande échelle Validation de la télédétection Conclusions et perspectives Moyens d’observation: la synergie télédétection/mesures in situ TELEDETECTION SPATIALE: CALIPSO/CLOUDSAT + Couverture globale + Mesures en continu - Inversion encore difficile pour les nuages mixtes - Incertitudes, validation? MESURES IN SITU: PLATEFORME DE MESURES AEROPORTEES + Observations à fine échelle + Discrimination liquide/glace - Mesures très locales et ponctuelles - Représentativité? Synergie télédétection spatiale / mesures aéroportées pour: Evaluer la représentativité des mesures locales Valider les algorithmes d’inversion et produits de la télédétection  Etudier à l’échelle régionale la variabilité des nuages en phase mixte  Etudier à l’échelle locale les propriétés microphysiques et optiques des nuages en phase mixte et leurs processus de formation et de développement

Etude à grande échelle: Conclusions et perspectives Contexte/Objectifs Moyens d’observation Etude à grande échelle: Rappel des résultats Validation de la télédétection Conclusions et perspectives Etude à grande échelle: Rappel des résultats obtenus Etude de la variabilité des MPC en Arctique et au Svalbard Variabilité spatiale et saisonnière: Prépondéance au printemps et en automne entre 30 et 50% en moyenne Occurrence + importante au Svalbard (55%) tout au long de l’année Profils verticaux:  70 et 80% des MPC se trouvent en-dessous de 3km Influence du type de surface: + au dessus de l’eau libre - au-dessus de la terre et glace de mer Discrimination MPC simple couche / multicouche  entre 50 et 80% des MPC sont “simple” couche

Etude à grande échelle: Rappel des résultats obtenus Contexte/Objectifs Moyens d’observation Etude à grande échelle: Rappel des résultats Validation de la télédétection Conclusions et perspectives Etude à grande échelle: Rappel des résultats obtenus Etude de la variabilité des MPC en Arctique et au Svalbard Conclusions/Hypothèses: La formation et la persistence des MPC semblent être favorisé par : l’apport direct de chaleur et d’humidité par les eaux de l’océan Atlantique Nord dans la région des mers de Norvège, de Barents et d’Islande les conditions atmosphériques stables en hiver et pendant les saisons de transitions (inversions de température et humidité) la fonte de la glace de mer qui libère l’eau liquide et favorise en été et automne l’advection de chaleur et d’humidité à travers l’océan Arctique, et en particulier en Arctique de l’ouest  Y-a-t-il un lien entre l’occurrence des MPC et la glace de mer? Variabilité spatiale et saisonnière: Prépondéance au printemps et en automne entre 30 et 50% en moyenne Occurrence + importante au Svalbard (55%) tout au long de l’année Profils verticaux:  70 et 80% des MPC se trouvent en-dessou de 3km Influence du type de surface: + au dessus de l’eau libre - au-dessus de la terre et glace de mer Discrimination MPC simple couche / multicouche  entre 50 et 80% des MPC sont “simple” couche

Etude à grande échelle: Conclusions et perspectives Contexte/Objectifs Moyens d’observation Etude à grande échelle: Lien MPC-glace de mer? Validation de la télédétection Conclusions et perspectives Etude à grande échelle: lien MPC - glace de mer? Etude de la concentration en glace de mer (données du National Snow and Ice Data Center (NSIDC) contenues dans les produits CALIOP L1). Définitions de 2 zones: Zone A: au-dessus de la mer du Groënland: de 70°N à 80°N et de 10°W à 20°E Zone B: en Arctique de l’Ouest (mers de Beaufort et des Tchouks): de 70°N à 80°N et de 150°W à 180°W. WINTER SPRING AUTUMN SUMMER Zone B (Chukchi and Beaufort seas, Western Arctic) Zone A (Greenland Sea)

Etude à grande échelle: Conclusions et perspectives Contexte/Objectifs Moyens d’observation Etude à grande échelle: Lien MPC-glace de mer? Validation de la télédétection Conclusions et perspectives Etude à grande échelle: lien MPC - glace de mer? Variabilité de la glace de mer: Très prononcé en Arctique de l’Ouest: 90% 10% de avril à septembre Presque constant côté Atlantique Nord, une faible diminution est quand même observée: 20% 5% Température et humidité anticorrélées avec la concentration en glace de mer avec délai de 2 mois

Etude à grande échelle: Conclusions et perspectives Contexte/Objectifs Moyens d’observation Etude à grande échelle: Lien MPC-glace de mer? Validation de la télédétection Conclusions et perspectives Etude à grande échelle: lien MPC - glace de mer? L’occurrence nuageuse augmente quand la concentration en glace de mer diminue La même tendance est observée à la fois pour tous les nuages et pour les MPC, et sur les 2 zones, avec des coefficeints de correlation acceptables. Tendance + marquée en Arctique de l’Ouest  à cause de la variabilité +importante de la concentration en glace de mer Il semble que la présence des nuages et des MPC soit liée à la concentration en glace de mer. Attention: ces résultats ne prennent pas en compte tout l’Arctique car les observations de CALIPSO/CLoudSat sont limitées à 82°N

Validation de la télédétection: Contexte/Objectifs Moyens d’observation Etude à grande échelle Validation de la télédétection: Evaluation du produit “nuage” DARDAR Conclusions et perspectives DARDAR V2 Validation de la télédétection: Evaluation des produits DARDAR phase du nuage ASTAR 2007 (Svalbard) 7 avril 2007 (ASTAR) ; t = -10/+15 min ; T = [-21/-11] °C 9 avril 2007 (ASTAR) ; t = -25/+40 min ; T = [-22/-11] °C POLARCAT 2008 (Kiruna) 1er avril 2008 (POLARCAT) ; t = +10/+45 min ; T = [-20/-3] °C 10 avril 2008 (POLARCAT) ; t = +20/+85 min ; T = [-21/-3] °C

Validation de la télédétection: Contexte/Objectifs Moyens d’observation Etude à grande échelle Validation de la télédétection: Evaluation du produit “nuage” DARDAR Conclusions et perspectives Validation de la télédétection: Evaluation des produits DARDAR phase du nuage Altitude Normalisée: 1: sommet 0: base <0: précip. glace mixte liquide Sommet du nuage Base du nuage Paramètre d’asymétrie g (in situ)

Validation de la télédétection: Contexte/Objectifs Moyens d’observation Etude à grande échelle Validation de la télédétection: Evaluation du produit “nuage” DARDAR Conclusions et perspectives Validation de la télédétection: Evaluation des produits DARDAR phase du nuage Altitude Normalisée: 1: sommet 0: base <0: précip. Phase nuage restituée par DARDAR: ice glace mixed mixte liquid liquide Sommet du nuage Base du nuage Paramètre d’assymétrie g (in situ)

Validation de la télédétection: Contexte/Objectifs Moyens d’observation Etude à grande échelle Validation de la télédétection: Evaluation du produit “nuage” DARDAR Conclusions et perspectives Validation de la télédétection: Evaluation des produits DARDAR phase du nuage Histogrammes des valeurs du paramètre d’asymmetrie g (in situ, NP) le long de la trajectoire avion pour chaque classe DARDAR (ice, supercooled water, mixing of ice and supercooled water) Classe DARDAR: GLACE Classe DARDAR: MELANGE GLACE + EAU SURFONDUE EAU SURFONDUE SEULE Fréquence g NP (in situ) La majorité des pixels DARDAR (~80%) de la classe “ice” sont bien validés par les valeurs de g (g<0,8) mais un second mode apparait (g>0,82, ~20% des données) où les pixels “ice” de DARDAR correspondent à l’eau surfondue observée par g  problème de collocalisation? La classe “mixing ice + supercooled” correspond à la phase liquide surfondue d’après g (g>0,82)  Différences entre les volumes d’échantillonnage? Très peu de pixels DARDAR identifiés comme liquide surfondu, et sans vraiment concordance avec g

Validation de la télédétection: Contexte/Objectifs Moyens d’observation Etude à grande échelle Validation de la télédétection: Evaluation du produit “nuage” DARDAR Conclusions et perspectives Validation de la télédétection: Evaluation des produits DARDAR phase du nuage BILAN Globalement, la structure observée par DARDAR est bien validée par les mesures in situ : sommet liquide et/ou mixte + glace sous le nuage Mais: On note peu de zone “Supercooled only” observée avec DARDAR, même au sommet du nuage où le NP identifie bien l’eau liquide (1) L’attenuation lidar enlève des points de comparaison sous le nuage (2) Dans les zones de fortes précipitations (ou liquide surfondu) DARDAR identifie des “high IWC” (rose  3) et des “top of convective tower” (bleu  4) ? Attention à la synchronisation entre satellite et avion: le nuage peut évoluer… (hauteur du sommet, étendue spatiale, dissipation…) 1 3 4 2

Conclusions et perspectives CONCLUSIONS & PERSPECTIVES Contexte/Objectifs Moyens d’observation Etude à grande échelle Validation de la télédétection Conclusions et perspectives CONCLUSIONS & PERSPECTIVES Etude à grande échelle: Mise en évidence d’un lien entre occurrence des MPC et concentration en glace de mer (article en révision à ACPD) Etude à fine échelle: Intégration des données in situ de POLARCAT (4 vols) pour l’étude statistique des propriétés microphysiques des MPC (article en préparation) Validation de la télédétection: Evaluation des produits “phase nuageuse” des restitution DARDAR grâce à 4 vols collocalisés  190 minutes de données in situ sous la trace de l’A-Train Les mesures in situ valident 80% de la phase glace restituée par DARDAR (les 20% restants semblent être de l’eau surfondue) L’eau surfondue est restituée comme “mélange eau + glace”  problème d’échelle d’observation ou de synchronisation? Intégrer la nouvelle base de données Arctique RACEPAC (Inuvik, Canada, mai 2014) Développement et évaluation de paramétrisations pour les algorithmes d’inversion de la télédétection et la modélisation à différentes résolutions Etude des nuages en phase mixte multi-couches Etude à l’échelle globale - EarthCare Interactions avec la modélisation à microphysique détaillée Intéraction aérosols-nuages

Nombre de profils en MPC Etude à fine échelle: base de donnée utilisée Etude statistique des propriétés microphysiques des MPC à partir des mesures de ASTAR 2007 Nombre de vols Dates Nombre de profils en MPC Quantitié de données ASTAR 2007 (Svalard, Norvège, 78°N, 15°E) 5 2, 3, 7, 8 et 9 avril 2007 36 173 minutes POLARCAT 2008 (Kiruna, Suède, 68°N, 20°E) 4 31 mars, 1er, 10 et 11 avril 2008 9 45 minutes TOTAL 45 218 minutes ASTAR 2007 POLARCAT 2008