Analyse des propriétés nuageuses observées à haute résolution spatiale

Les rétroactions nuageuses impliquent des processus nuageux instantanés et de petite échelle. Les observations doivent donc être analysées à haute résolution (à la fois dans l’espace et dans le temps) et à une échelle aussi proche que possible de celle des processus nuageux. Les observations de l’A-Train à haute résolution spatiale répondent à ces contraintes : elles contiennent des informations statistiques à l’échelle globale, des variables nuageuses collectées simultanément à l’échelle du temps instantanée, et à haute résolution spatiale. Dans ce chapitre on présente d’abord la méthodologie utilisée pour construire des statistiques globales des propriétés nuageuses contenant des informations sur la variabilité nuageuse à haute résolution spatiale. Ensuite, cette méthode est utilisée pour étudier le lien entre la couverture nuageuse, la distribution verticale des nuages et la réflectance nuageuse (épaisseur optique). Les mêmes propriétés nuageuses sont ensuite analysées par régimes dynamiques. On s’intéresse plus particulièrement aux nuages océaniques tropicaux de couche limite car ils sont au cœur des incertitudes de la rétroaction des nuages tropicaux dans les estimations des modèles climatiques [Bony and Dufresne, 2005, Wyant et al., 2006]. On utilisera cette même méthodologie pour étudier les propriétés des nuages qui sont détectés différemment par les capteurs.

Description de la méthodologie

Des observations à haute résolution sont nécessaires pour obtenir une bonne détection des nuages ainsi que de bonnes valeurs de la réflectance nuageuse surtout dans les régions de petits cumulus (voir cas d’étude de la partie 2.2.d). La couverture nuageuse CALIPSO- GOCCP fournit des statistiques à l’échelle globale provenant de la détection nuageuse à pleine résolution horizontale du lidar (330m le long de la trace). Par soucis de cohérence les statistiques de réflectance nuageuse doivent être basées sur la réflectance à pleine résolution (250m) pour ne pas être contaminées (et diminuées artificiellement) par le ciel clair environnant. Nous définissons ci-dessous une méthodologie pour réaliser des études statistiques globales, tout en conservant les informations contenues dans les observations instantanées des différents capteurs à haute résolution horizontale (330m et 250m). La réflectance moyenne d’une boîte horizontale donnée dépend de la réflectance ciel clair, de la fraction nuageuse et de la réflectance nuageuse dans cette boîte. La réflectance de la surface océanique étant très faible (typiquement 3%), si la fraction nuageuse dans la boite vaut CF, la fraction CF des plus hautes valeurs de réflectances, correspond à la réflectance des nuages ; et le reste c’est-à-dire la fraction 1-CF des valeurs de réflectance les plus faibles, correspond à la réflectance ciel clair. Pratiquement, pour une journée donnée et pour une grille horizontale (ici 1°x1°), on construit la PDF (Figure 4.1.a) et la CDF (Figure 4.1.b) de toutes les valeurs de la réflectance MODIS à 250m co-localisées sous la trace CALIPSO. Pour la même journée et pour la même boite, la fraction nuageuse CF est donnée par CALIPSO- GOCCP : une fraction CF de pixels 250m inclus dans la boite de 1°x1° est déclaré nuageuse et une fraction 1-CF est déclarée claire. L’intersection entre la CDF et la valeur de 1-CF (point A dans la Figure 4.1.b) indique la limite entre les valeurs de la réflectance déclarées ‘claires’ (partie gauche) et celles déclarées ‘nuageuses’ (partie droite). Comme la réflectance d’un pixel nuageux est plus élevée que la réflectance d’un pixel ciel clair sur l’océan, la ‘réflectance ciel clair’ correspond alors à la fraction 1-CF des valeurs de réflectance (250m) les plus basses dans la boite (1°x1°) montrées dans la Figure 4.1.d), alors que la ‘réflectance nuageuse’ correspond à la fraction CF des valeurs de réflectance les plus élevées dans le même boite montrées dans la Figure 4.1.c).

Celle-ci définit les réflectance ciel clair (Figure 4.1.d) et réflectance nuageuse (Figure 4.1.c) à pleine résolution MODIS 250m. Ces réflectances ciel clair et nuageux à pleine résolution peuvent être moyennées sur la grille (1°x1°), ce qui va définir la réflectance ciel clair moyennée sur la grille et la réflectance nuageuse moyennée sur la grille. Avec cette méthode la ‘réflectance claire’ (moyennée sur la grille ou à pleine résolution) n’est pas augmentée artificiellement par la contamination par des nuages clairsemés. De même, la ‘réflectance nuageuse’ dans la boite de 1°x1° correspond aux pixels complètement couverts, elle n’est pas diminuée par la contamination par le ciel clair. Afin de consolider les valeurs de réflectance claire et nuageuse, on a appliqué un critère conservateur sur la CF-GOCCP : CF+0.1 pour la population ciel clair (point B dans la Figure 4.1.b) et CF-0.1 pour la population nuageux (point B’ dans la Figure 4.1.b). Quand CF< 0.1 on n’attribue pas de réflectances nuageuses, quand CF>0.9 on n’attribue pas de réflectances ciel clair. De cette manière, on rejette les valeurs ambiguës de la réflectance (régions en rouge) probablement liées à la présence de nuages de taille plus petite que 250m, ainsi la séparation entre les populations ‘nuageux’ et ‘claire’ dans la boite de 1°x1° est plus fiable. L’application du critère conservateur CF ± 0.1 permet aussi de ne pas attribuer les pixels clairs à 250m contaminés par les nuages comme pixels ciel clair. Cette contamination est due au transport horizontal des photons de façon que les pixels clairs à coté des nuages auront des valeurs de réflectance plus élevées que les pixels clairs loin des nuages. En outre, l’humidité plus élevée dans le voisinage des nuages entrain des valeurs de réflectance plus élevées. Nous avons aussi testé le critère CF ± 5% qui reste proche au critère de fraction nuageuse MODIS (Figure non montrée). Outre la réflectance MODIS-250m, on applique la même méthode à la réflectance MODIS-1km et PARASOL-6km. On obtient ainsi les réflectances ‘claire’ et ‘nuageuse’ pour PARASOL-6km et pour MODIS-1km.