Les nuages dans les modèles de climat et dans les observations satellitales

Les nuages dans les modèles de climat (du LMD)

Les Modèles de Circulation Générale (GCMs) Océan-Atmosphère reposent sur des lois physiques fondamentales qui sont ensuite soumises à des approximations physiques appropriées pour le système climatique à grande échelle, puis approchés par le biais de discrétisation mathématique. Les contraintes de calcul restreignent la résolution possible des équations discrétisées et une représentation de l’impact des processus non résolus à grande échelle est requise (il s’agit des paramétrisations). Les modèles climatiques sont à même de reproduire les caractéristiques générales du climat actuel, de son évolution récente et des changements climatiques passés. Ils permettent également d’estimer les changements climatiques futurs en réponse à différents forçages.

Ces estimations dépendent fortement du modèle qui doit toujours être considéré de façon critique. Il y a eu des améliorations continues des modèles : résolution, méthodes de calcul, paramétrisations et introduction de nouveaux processus. Néanmoins, les changements climatiques simulés par les modèles en réponse à une perturbation diffèrent toujours fortement entre les modèles, et les processus nuageux jouent un rôle majeure dans cette dispersion [Randall et al., 2007, Bony et al., 2006, Dufresne et Bony, 2008]. Ainsi les capacités et les limites des GCMs doivent être évalués.

Dans cette étude on utilisera deux versions du modèle de circulation générale LMDZ5, proche du LMDZ4 [Hourdin et al., 2006] qui est la composante atmosphérique du modèle couplé de l’IPSL [Marti et al., 2010] et qui sera utilisé pour effectuer des simulations de changements climatiques pour le projet CMIP5 en vue de la préparation du 5ème rapport d’évaluation de IPCC. La partie dynamique du code est basée sur une formulation en différences finies des équations primitives de la météorologie. La discrétisation assure la Les nuages dans les modèles de climat et dans les observations satellitales 18 conservation numérique de l’enstrophie pour les écoulements barotropes et du moment cinétique pour la composante axisymétrique. Couplé à la base dynamique, le modèle comprend un ensemble de paramétrisations physiques. Le jeu de paramétrisations physiques de la version standard LMDZ4 du modèle [Hourdin et al., 2006] inclue le schéma de transfert radiatif de Fouquart et Bonnel (1980) pour le rayonnement solaire et celui de Morcette et al. (1986) pour le rayonnement terrestre.

La paramétrisation de la convection nuageuse repose sur une approche en flux de masse. Le schéma de convection d’Emanuel (1991) est utilisé. La couverture nuageuse est prévue par un schéma statistique des nuages qui utilise une distribution log-normale généralisée (asymétrique) pour décrire la variabilité sous-maille de l’eau total. La fraction nuageuse associé à la convection est prédite à partir du contenu en eau des nuages prédits par le schéma en flux de masse au travers d’une distribution statistique [Bony and Emanuel, 2001]. En plus des nuages convectifs, des nuages ‘stratiformes’ sont prédits à partir de l’eau totale dans la maille et de la humidité à saturation en imposant une distribution statistique avec une largeur imposée [Le Treut and Li, 1991].

 Les nuages observés par les capteurs satellitales de l’A-train

L’A-Train est une constellation de cinq satellites en orbite volant en formation autour du globe à une altitude de 690 kilomètres. Chaque satellite de l’A-Train a des capacités de mesure spécifiques qui se complètent mutuellement. Pour la première fois, des mesures presque simultanées provenant de plusieurs satellites peuvent être utilisés ensemble pour obtenir des informations complètes sur les caractéristiques de l’atmosphère à haute résolution spatiale [Marchand et al., 2010, Mace, 2010, Loeb et al., 2006, Hayes et al., 2010, Holz et al., 2008, Mace et al. 2009]. Ces informations seraient inaccessibles avec l’observation provenant d’un seul capteur.

Cet ensemble d’observations a pour objectif de mieux comprendre les phénomènes qui influencent la distribution et les propriétés des nuages et des aérosols à 19 grande échelle. L’orbite de l’A-Train est héliosynchrone et chaque satellite traverse l’équateur vers 1h30 et 13h30 en heure locale avec un intervalle de moins de 15min entre le premier et dernier satellite. Les satellites complètent 14.55 orbites par jour avec un espacement de 24.7° de longitude à l’équateur entre chaque orbite successive. L’A-Train observe conjointement les propriétés radiatives des nuages avec les capteurs passifs PARASOL, MODIS, CERES et la structure verticale des nuages avec la nouvelle génération de satellites portant des instruments radar (CloudSat) et lidar (CALIOP/CALIPSO) (Tableau 1.1). Ils constituent une occasion exceptionnelle d’observer simultanément plusieurs propriétés radiatives des nuages et leur distribution tridimensionnelle. Le Tableau 1.1 résume les principes de mesure de ces différents capteurs.