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Hdr Année : 2022

On the role of the ice phase on the life cycle of clouds and their microphysical and optical properties : contribution of in situ observations

Rôle de la phase glace atmosphérique sur le cycle de vie des nuages et leurs propriétés microphysiques et optiques : contribution des observations in situ

Olivier Jourdan

Résumé

Clouds play a crucial role to regulate the surface energy budget with competing warming and cooling effects. The life cycle of stratiform clouds results from a complex web of interactions between local microphysical, radiative, dynamical processes and larger scale environmental conditions. Ice containing clouds are challenging to model from small to global scales and strong assumptions in the representation of the microphysical processes are required. This habilitation thesis summarizes part of the main findings on mid latitude cirrus and arctic mixed phase clouds microphysical and optical properties achieved using in situ and active remote sensing observations. The first part of this manuscript deals with cloud chamber experiments we carried out to study the microphysical processes involved in the life cycle of ice crystals. The impact of the morphological structure of hydrometeors on their optical properties is also addressed using an approach combining observations and light scattering modelling. The second part focuses on the in situ characterization of upper tropospheric ice clouds (cirrus clouds and aircraft contrails) during mid-latitudes airborne campaigns. This section also discusses the contribution of these observations to the study of cirrus clouds-radiation interactions. The third part of this document is dedicated to mixed-phase clouds, particularly present in the lower layers of the Arctic atmosphere. Active remote sensing satellite observations (radar/lidar) are used to document and analyze the geographical and seasonal distributions of these clouds. The influence of environmental conditions on the vertical variability of mixed-phase cloud microphysical properties and hydrometeor growth processes is then studied using airborne measurements carried out in the Svalbard region. These observations are used to establish microphysical and optical parameterizations for models, and to evaluate satellite inversion algorithms. Finally, the last section describes the main scientific directions I intend to follow to study the physical processes responsible for the persistence of mixed-phase clouds in polar and sub-polar regions.
Les nuages stratiformes et cirriformes jouent un rôle fondamental sur les mécanismes d’échanges d’énergie au sein du système climatique. Le cycle de vie de ces nuages résulte d’un complexe entrelacs d’interactions intervenant à différentes échelles spatio-temporelles entre des processus dynamiques, radiatifs et microphysiques. Les modèles atmosphériques ont des difficultés à correctement reproduire les hétérogénéités spatiales et l’évolution temporelle des propriétés de ces nuages, en particulier lorsque la phase glace est présente. Ce manuscrit reprend une partie des résultats et des méthodologies d’analyses des observations in situ et par télédétection active permettant de documenter les propriétés microphysiques, optiques et les processus physiques régissant la formation et l’évolution des cirrus aux moyennes latitudes ainsi que des nuages en phase mixte de l’Arctique. La première partie de ce document traite des expériences que nous avons menées dans une chambre à nuages en atmosphère contrôlée pour étudier les processus microphysiques impliqués dans le cycle de vie des cristaux de glace. L’impact de la structure morphologique des hydrométéores sur leurs propriétés optiques est également abordé par une approche combinant observations et modélisation de la diffusion de la lumière. La deuxième partie s’intéresse à la caractérisation in situ des nuages de glace de la haute troposphère (cirrus et traînées de condensation des avions) lors de campagnes aéroportées dédiées aux moyennes latitudes. Cette partie traite également de l’apport de ces observations pour l’étude des interactions entre les cirrus et le rayonnement. La troisième partie de ce document se focalise sur les nuages en phase mixte particulièrement présents dans les basses couches de l’atmosphère en Arctique. Des observations spatiales par télédétection active (radar/lidar) sont exploitées pour documenter et analyser les distributions géographiques et saisonnières de ces nuages. L’influence des conditions environnementales sur la variabilité verticale des propriétés microphysiques des nuages en phase mixte ainsi que les processus de croissance des hydrométéores sont ensuite étudiés à partir de mesures aéroportées réalisées dans la région du Svalbard. Ces observations sont utilisées pour établir des paramétrisations microphysiques et optiques pour les modèles ainsi que pour évaluer des algorithmes d’inversion satellitaires. Enfin la dernière partie décrit les principales orientations scientifiques que je compte suivre afin d’étudier les processus physiques responsables de la persistance des nuages en phase mixte dans les régions polaires et subpolaires.
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Citer

Olivier Jourdan. Rôle de la phase glace atmosphérique sur le cycle de vie des nuages et leurs propriétés microphysiques et optiques : contribution des observations in situ. Physique Atmosphérique et Océanique [physics.ao-ph]. Université Clermont Auvergne, 2022. ⟨tel-04122883⟩
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