Simulation 3D du transfert radiatif dans les nuages de couche limite hétérogènes

1. 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

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

3. 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.

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

5. MÉTHODE Meso-NH simulation 3D mode LES et “bulk” du nuage observé ACE-2 Champs 1D dynamiques et thermodynamiques Taille du Domaine Taille Pixel 50 m 10 m Initialisation à 50 m • 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 Validation Statistique du champ LWC simulé ACE-2 Statistique mesures LWC in-situ INITIALISATION Caractéristique du cas d’étude : • Forte Inversion • Instable par entraînement au sommet Comparaison 1.5km Propriétés Radiatives (ext, o, fonction de phase…) ß² Schéma Microphysique Réaliste • Profils initiaux de : • Température potentielle de l’eau liquide θl • Rapport de mélange en eau totale qt • Vent horizontal Off-Line 10 km qt θl Paramétrisation du Mélange 10 km ACE-2 Statistique des radiances mesurées Transfert Radiatif 3D Visible, NIR par SHDOM Comparaison ACE-2 9 juillet 97 PARAMETRES DU MODÈLE LES

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

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

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

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

10. 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

11. Paramètres de Tunage du modèle : • Critère CTEI et durée de simulation (hétérogénéité structurale et fraction nuageuse) • Profils initiaux de qt , θl(épaisseur géométrique) 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

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

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

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

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

16. 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 > 0,23 Critère d’instabilité :K = (L/cp) ΔRtot