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CESANA


mercredi 4 décembre 2013

"Phase thermodynamique des nuages : observations avec CALIPSO et évaluation du modèle LMDZ5B"


Hélène Chepfer, LMD/UPMC, Directrice de thèse
David Donovan, KNMI, NL, Examinateur
Hervé Le Treut, IPSL, Président du jury
Johannes Quaas, Universitat Leipzig, DE, Rapporteur
Rémy Roca, LEGOS, Rapporteur
David Winker, NASA LaRC, USA, Examinateur


Résumé:
Au cours de cette thèse, nous avons tiré profit du lidar CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization), instrument de télédétection active embarqué à bord du satellite CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation), pour documenter la structure verticale de la phase des nuages à l’échelle globale. A ce titre, nous avons utilisé le jeu de données « The GCM-Oriented CALIPSO Cloud Product » (CALIPSO-GOCCP), conçu pour évaluer la description des nuages dans les GCMs. Une approche basée sur la polarisation lidar a été implémentée dans CALIPSO-GOCCP pour discriminer les nuages liquides des nuages glacés. En effet, le changement d’état de polarisation du faisceau lidar rétrodiffusé permet de différencier les gouttelettes d’eau des cristaux de glace en fonction de leurs formes. Contrairement aux méthodes utilisées par les instruments de télédétection passive, CALIPSO-GOCCP donne accès à la structure verticale de la phase des nuages (niveaux de 480m) de façon indépendante de la température.
Nous avons ensuite évalué la phase CALIPSO-GOCCP à partir de mesures in situ aéroportées au moyen d'un néphélomètre polaire et comparé celle-ci à d’autres produits satellites (CALIPSO-ST/NASA, CALIPSO-JAXA, Satellites du GEWEX-CA). La restitution de la phase glacée dans les hautes couches est validée par les mesures du néphélomètre polaire aéroporté plus de 94% des cas. La restitution de la phase des nuages de basses couches comporte plus d’incertitudes (jusqu’à 31% de désaccords)  dues à la différence de résolutions verticales entre CALIOP et le néphélomètre  combinée à l’atténuation du faisceau lidar.
Par la suite, nous avons évalué la description de la phase du modèle de circulation générale de l’IPSL (LMDZ5B) à partir des données CALIPSO-GOCCP. L’approche basée sur la polarisation lidar a été implémentée dans un simulateur de lidar afin de reproduire le signal polarisé qui serait mesuré par le lidar CALIOP au-dessus de l’atmosphère simulée par le modèle. La comparaison de l’ensemble « LMDZ5B+simulateur » avec CALIPSO-GOCCP, a permis de mettre en évidence un biais dans la relation phase-température utilisée dans le modèle. Il résulte une sous-estimation des nuages liquides et surestimation des nuages glacés dans le modèle. L’utilisation d’une relation phase-température dans LMDZ5B plus en accord avec CALIPSO-GOCCP entraine un effet radiatif net des nuages au sommet de l’atmosphère encore plus refroidissant (-25 Wm-2 contre -18.3 Wm-2 dans les observations) que pour l’ancienne relation (-22.8 Wm-2).
Enfin, nous avons prêté une attention particulière à la région arctique, qui, de part ses surfaces réfléchissantes, était difficilement observable dans son ensemble avant CALIPSO. A partir d’une étude climatologique des données CALIPSO-GOCCP, nous avons pu mettre en évidence la présence continue de nuages liquides au-dessus de toutes les mers arctiques à des températures comprises entre -25°C et 0°C. Puis, dans une comparaison multi modèles CMIP5 avec CALIPSO-GOCCP, nous avons montré que les modèles simulaient assez bien les nuages bas arctiques sans toutefois réussir à reproduire leur cycle saisonnier. Par ailleurs, l’évaluation de la phase de LMDZ5B avec CALIPSO-GOCCP a révélé un déficit de nuages liquides simulés générant un biais dans les flux net ondes longues de surface (effet refroidissant). L’amélioration de la représentation des nuages liquides simulés dans le modèle a permis de réduire ce biais.


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