Représenter correctement l'impact radiatif des nuages est un vrai défi pour les modèles atmosphériques, du fait que les interactions rayonnement-nuages sont contrôlées par les propriétés optiques des particules nuageuses. Ces propriétés dépendent de la taille des particules, et de la longueur d'onde du rayonnement, deux éléments qui ne sont pas bien résolus dans les modèles atmosphériques, si bien que les propriétés optiques doivent être paramétrisées. Dans ce manuscrit nous nous efforçons de quantifier les incertitudes sur l'impact radiatif des nuages dans le spectre solaire (SW) liées à la pramétrisation des propriétés optiques des nuages liquides. Les incertitudes proviennent en premier lieu de l'hypothèse faite sur la forme de la distribution de taille des gouttelettes (DSD), qui intervient dans: 1- l'estimation du rayon effectif des gouttelettes (reff) à partir du contenu en eau (LWC) et de la concentration en nombre des gouttelettes (N); 2- le calcul des propriétés de diffusion simple (SSPs) à partir de reff. Des incertitudes sont également liées au moyennage spectral nécessaire pour calculer les SSPs sur des bandes larges. Pour rendre compte de ces incertitudes, un nouveau jeu de paramétrisations des SSPs est développé et implémenté dans le code radiatif ecRad, couvrant un grand nombre de formes de DSD et de méthodes de moyennage spectral.
Cette version améliorée d'ecRad est utilisée pour simuler les propriétés radiatives (transmittance, réflectance, aborbance) d'une grande variété de nuages définis en termes de LWC et N, comprenant un nuage homogène idéalisé, des cas d'étude plus réalistes, et des sorties d'un modèle de climat. Ces simulations montrent que la transmittance/réflectance d'un nuage peut varier de 20% en changeant simplement la forme de la DSD. Des différences de l'ordre de 20% sont également obtenues pour les taux de chauffage atmosphérique. L'impact de la forme de la DSD sur l'estimation de reff contribue pour 80% à l'incertitude totale, le reste étant lié à l'impact sur les SSPs. Le moyennage spectral a moins d'influence, si ce n'est sur l'absorption au sein du nuage. A l'échelle globale nous estimons que le forçage radiatif des nuages peut varier de 6~W~m$^{-2}$ selon la forme de DSD supposée, ce qui correspond à environ 13% du forçage radiatif SW des nuages.
Afin de compléter ces simulations de transfert radiatif, et d'étudier comment des différences de forçage radiatif se répercutent sur l'évolution des nuages, la version améliorée d'ecRad a été implémentée dans le modèle atmosphérique Méso-NH. Par ailleurs, la forme de la DSD utilisée dans le code radiatif est rendue cohérente avec celle supposée dans le schéma microphysique à deux moments de Méso-NH, LIMA. Des simulations 1D de stratocumulus sont réalisées en supposant différentes formes de DSD, à la fois dans LIMA et pour l'estimation de reff et des SSPs. L'impact direct de la DSD sur le forçage radiatif est évalué, et les effets indirects qui résulte des rétroactions du rayonnement sur les autres caractéristiques physiques sont également abordées. Dans ces simulations interactives, l'estimation de reff reste la principale source des différences, et les effets directs obtenus sont en accord avec les simulations hors-ligne. Au cours de la simulation les différences de flux radiatifs et de taux de réchauffement modifient progressivement les profils verticaux de température, de LWC et de N, ce qui renforce les différences liées à $r_mathrm{eff}$, puisqu'il dépend de ces quantités. Cette étude de cas souligne la complexité des interactions nuage-rayonnement, dont les processus physiques sous-jacents mériteraient d'être étudiés plus en détail. Finalement, ces simulations Méso-NH mettent en évidence que la sensibilité aux propriétés optiques des nuages dans le LW, qui devraient à l'avenir être traitées avec autant d'attention que dans le SW. |
Simulating the radiative impact of clouds is challenging for atmospheric models, because cloud-radiation interactions are driven by the optical properties of individual cloud particles. These properties depend on the size of the particle and the frequency of light, two quantities not fully resolved in atmospheric models, implying that cloud optical properties need to be parameterized. In this thesis we focus on quantifying the uncertainties in shortwave (SW) cloud radiative impact due to the SW optical properties parameterization of liquid clouds. Uncertainties are first due to the Droplet Size Distribution (DSD) shape assumption required in two steps: 1- to estimate the cloud droplets effective radius (reff) from liquid water content (LWC) and droplet number concentration (N); 2- to compute the single scattering properties (SSPs) as a function of reff. Uncertainties also arise from averaging SSPs over wide spectral bands. To assess these uncertainties, a set of new parameterizations corresponding to various DSD shapes and spectral averaging methods are designed and implemented in the radiative code ecRad.
Using this updated version of ecRad, we perform offline simulations to compute the bulk radiative properties (reflectance, transmittance, absorptance) of various clouds (defined in terms of LWC and N), including a homogeneous cloud, more realistic case studies, and outputs of a climate model. The results show that the transmittance/reflectance of the cloud can vary up to 20% depending on the assumed DSD. Likewise, differences up to 20% are obtained for atmospheric heating rates. The impact of the DSD shape assumption on reff (resp. SSPs) estimation contributes to around 80% (resp. 20%) of the total uncertainty. Spectral averaging is less an issue, except for atmospheric absorption. Overall, global shortwave cloud radiative effect can vary by 6~W~m$^{-2}$ depending on the assumed DSD shape, which is about 13% of the best observational estimate.
To complement these offline simulations and investigate how differences in radiative forcing feed back on cloud evolution, the updated version of ecRad is implemented in the atmospheric model Meso-NH. In addition, the DSD shape assumed in ecRad is made consistent with the DSD shape assumed in the 2-moment microphysical scheme of Meso-NH, LIMA. 1D simulations of a stratocumulus cloud are performed with various DSD shapes affecting simultaneously LIMA, the reff estimation and the SSPs parameterization. The direct impact of the DSD on the simulated radiative forcing is assessed, and the indirect effects that results from interactions of radiation with other components of the model are discussed as well. In these interactive simulations, the estimation of reff remains the main source of differences, and the obtained direct effects are in line with the offline simulations. Throughout the simulation, the differences in radiative fluxes and heating rates progressively impact the vertical profiles of temperature, LWC and N, enhancing the feedback since reff depends on these two quantities.This case study highlights the complexity of the cloud-radiation interactions, which deserve further investigation to fully understand the primary physical mechanisms at stake. Finally, these Meso-NH simulations point out the sensitivity to the LW cloud properties, that should in the future be treated as carefully as the SW. |