Les effets radiatifs 3D des nuages de couche limite : de leur simulation explicite à leur paramétrisation - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

The 3D radiative effects of boundary-layer clouds : from explicit simulation to parameterisation

Les effets radiatifs 3D des nuages de couche limite : de leur simulation explicite à leur paramétrisation

Résumé

Radiation is a key process in the evolution of the atmosphere. Electromagnetic waves emitted by warm bodies like the sun interact with many components of the Earth system. For example, they can be scattered and absorbed by microscopic droplets in clouds. At global scales, these radiation processes drive the energy budgets of the surface and Earth. The impact of fractionated, mostly non-precipitating, liquid boundary-layer clouds (cumulus) on solar radiation has been studied for many years and is knowingly important for both Numerical Weather Predicitions and the evolution of the Earth's climate; yet our understanding of these complex, multi-scale interactions remains limited. In this thesis, the link between cloud macrophysic characteristics and their impact on solar radiation and in particular on their so-called 3D radiative effects (obtain from the difference between 3D and 1D computations where horizontal transport is neglected) is investigated. An existing parameterisation of 3D radiative effects of clouds for large-scale models is evaluated against reference models and observations. In order to do so, high-resolution simulations of four idealized convective boundary-layer cases are realized using the French Large-Eddy Model Méso-NH, along with perturbed simulations to assess the impact of resolution, domain size, advection scheme and parameterisations of turbulence and microphysics on cloud population characteristics. To simulate offline radiative transfer in these 3D cloudy fields, innovative Monte Carlo tools inspired from the community of computer graphics are implemented in the form of a collection of generic modules composing an open-source library, and used to build Monte Carlo codes that produce computing times that are insensitive to the complexity of the cloud scenes. 3D radiation is solved in all the simulated cloud fields, and the link between the characteristics of cloud populations from the various cases, and their radiative effect, is analysed. Special attention is dedicated to the 3D effects of clouds by performing 1D (under the independent column approximation) and 3D simulations by Monte Carlo, hence isolating the contribution of horizontal transport to the radiative fluxes at the surface and at the top of atmosphere. These 3D effects are quantified as a function of the solar zenith angle, and broken down into direct and diffuse components. It appears that the 3D bias on surface fluxes is the result of biases of opposite signs on direct and diffuse fluxes, that do not compensate each other at all solar angles. The difference between 1D and 3D total (respectively, direct) cloud radiative effect, integrated horizontally and over a diurnal cycle, can reach -13 W/m² (respectively, -45 W/m²) for sun paths corresponding to high latitudes (3D effects act to cool the surface).
Le rayonnement est un processus clé pour l'évolution de l'atmosphère. Les ondes électromagnétiques émises par les corps chauds comme le soleil interagissent avec de nombreuses composantes du Système Terre. Elles peuvent par exemple être diffusées et absorbées par de microscopiques gouttelettes d'eau en suspension dans les nuages. Aux échelles globales, ces processus radiatifs controlent les bilans d'énergie de la surface et de l'atmosphère. L'effet des cumulus — ces nuages de couche limite liquides, principalement non-précipitants, fractionnés — sur le rayonnement solaire est étudié depuis de nombreuses années. L'importance de ces effets pour les prévisions météorologiques et pour l'évolution du climat de la Terre a déjà été démontrée. Pourtant, notre compréhension de ces interactions complexes et multiéchelles reste limitée. Dans cette thèse, le lien entre les caractéristiques macrophysiques des nuages et leur impact sur le rayonnement solaire, et en particulier sur leurs ``effets 3D" (différence entre un calcul 3D et un calcul 1D dans lequel le transport horizontal est négligé), est étudié. Une paramétrisation existante des effets radiatifs 3D des nuages pour les modèles de grande échelle est analysée et évaluée contre des modèles de référence et des observations.A cette fin, des simulations haute résolution de quatre cas de convection de couche limite idéalisée sont réalisées à l'aide du modèle français Méso-NH, ainsi que des simulations perturbées permettant d'analyser l'impact de la résolution, de la taille du domaine, du schéma d'advection et des paramétrisations de la turbulence et de la microphysique sur les caractéristiques des populations nuageuses. Pour simuler à posteriori la propagation du rayonnement dans ces champs nuageux 3D, des outils Monte Carlo inspirés de la communauté de la synthèse d'image sont implémentés sous la forme d'un ensemble de modules génériques formant une bibliothèque libre ; ces modules sont ensuite utilisés pour implémenter des codes de Monte Carlo produisant un temps de calcul insensible à la complexité des scènes nuageuses.Le transfert radiatif 3D est résolu dans l'ensemble des champs nuageux simulés. Le lien entre les caractéristiques nuageuses analysées dans les différentes scènes et leurs effets radiatifs est analysé. Une attention particulière est portée sur les effets radiatifs 3D des nuages, par la réalisation de simulations Monte Carlo 3D et 1D (sous l'approximation de colonnes indépendantes), permettant d'isoler la contribution du transport horizontal sur les flux radiatifs à la surface et au sommet de l'atmosphère. Ces effets 3D sont quantifiés en fonction de l'angle solaire zénithal, et séparés en composantes directe et diffuse. Il apparait que les effets radiatifs 3D sont le résultat d'effets de signe opposé sur les flux direct et diffus, qui ne se compensent pas pour tous les angles solaires. La différence entre l'effet radiatif nuageux total (respectivement, direct) pour des calculs Monte Carlo 3D et 1D intégrés horizontalement et sur un cycle diurne atteint -13 W/m² (respectivement, -45 W/m²) pour des courses solaires correspondant aux hautes latitudes (les effets 3D refroidissent la surface).
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-02628562 , version 1 (26-05-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02628562 , version 1

Citer

Najda Villefranque. Les effets radiatifs 3D des nuages de couche limite : de leur simulation explicite à leur paramétrisation. Météorologie. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2019. Français. ⟨NNT : 2019TOU30191⟩. ⟨tel-02628562⟩
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