Transfert radiatif et applications

Animateurs de thème : F. André, G. Penide

L’objectif de ce thème est le développement et l’amélioration des codes numériques de transfert radiatif 1D et 3D, qui décrivent l’interaction du rayonnement électromagnétique avec les composants gazeux ou particulaires de l’atmosphère. Ces codes sont indispensables pour simuler le signal que reçoit un capteur (au sol, aéroporté ou embarqué sur satellite) ou pour estimer des bilans radiatifs atmosphériques. Ils permettent par exemple de réaliser des études de sensibilité aux paramètres atmosphériques et instrumentaux, ou d’élaborer, d’évaluer et d’améliorer des algorithmes de traitement des mesures des capteurs. Ce thème est, par définition, transversal au laboratoire, ces codes pouvant être utilisés pour des situations avec aérosols, nuages et vapeur d’eau. En particulier, les aspects tels que la prise en compte de la polarisation, de la multi-directionnalité, des effets tridimensionnels des constituants atmosphériques, en particulier les nuages (Figure 1), de la synergie spectrale ou de la haute résolution spectrale sont primordiaux afin d’accompagner les projets liés aux nouveaux instruments de télédétection. En complément, des méthodes et codes dédiés au calcul des propriétés optiques des particules atmosphériques sont également disponibles, notamment pour les particules non sphériques tels que les cristaux de glace.

Dans ce cadre, un objectif est de pérenniser et de mettre à disposition de la communauté l’ensemble de ces ressources en transfert radiatif via la banque de codes et données ARTDECO (Atmospheric Radiative Transfer Database for Earth and Climate Observation).

ARTDECO est développé et maintenu par le LOA, financé par le CNES/TOSCA et sa diffusion est effectuée par le centre de données et services AERIS/ICARE.

À titre d’exemple, un simulateur d’images satellites a été développé à partir d'ARTDECO afin de simuler de façon réaliste (orbites complètes) les mesures de capteurs spatiaux à partir de données géophysiques telles que le masque nuageux, les produits géophysiques, les propriétés des aérosols et nuages, et des paramètres instrumentaux. Ce simulateur est un atout pour l’exploitation de capteurs existants (OSIRIS, CLIMAT, POLDER, MODIS, SEVIRI, etc.) mais également pour la préparation de futures missions spatiales, en particulier 3MI (simulations d’images visibles sur cette vidéo).

Les codes de transfert radiatifs existants sont couplés également avec les sorties de modèles de dynamique atmosphérique à méso-échelle pour permettre la simulation réaliste des observations des différents capteurs de EPS-SG ou du système CLOUD/C³IEL (Figure 2).

Prochainement, de nouveaux développements seront aussi intégrés, comme la simulation de la propagation de la lumière émise par les éclairs en milieu nuageux, afin de préparer les missions spatiales telles que TARANIS ou LOIP/C3IEL.

Dans ce cadre, nous contribuons à la préparation et au développement des futures missions d'observation de l'atmosphère, en particulier 3MI, METimage et IASI-NG sur EPS-SG pour lesquelles POLDER et MODIS ont préfiguré une synergie instrumentale mais aussi la mission franco-israélienne C3IEL dédiée à l’étude des nuages convectifs.

Au-delà des algorithmes classiques qui sont adaptés aux capacités des nouveaux capteurs, de nouveaux développements sont menés pour prendre en compte la complexité tridimensionnelle des scènes nuageuses : aérosols au-dessus des nuages, caractérisation de nuages au dessus de surfaces brillantes, hétérogénéité horizontale multiéchelle, situations multicouches, profils verticaux des nuages, développement vertical des nuages convectifs.

Des campagnes aéroportées avec le radiomètre OSIRIS sont aussi mises en place avec ce même objectif mais également pour tester les méthodes d’étalonnage en vol de 3MI.

En parallèle, les mesures au sol, grâce aux instruments du laboratoire (lidar, FTIR, fluxmètres, radiomètre micro-ondes) et par l'intermédiaire de campagnes de terrain permettront aussi de progresser sur la caractérisation des couvertures nuageuses, de la vapeur d'eau et de participer à la validation des instruments spatiaux.

Ce thème combine observations satellitaires, mesures au sol et modèle numérique pour explorer les processus nuageux à différentes échelles spatiales et temporelles. Les nuages jouent un rôle majeur dans le système climatique de part leurs interactions avec les aérosols, en partie d’origine anthropique, et leur rôle central dans la régulation du rayonnement solaire et terrestre. Ainsi, leur étude est essentielle pour comprendre les précipitations et le bilan radiatif de la Terre. Tous les types de nuage sont étudiés au LOA, qu’ils soient convectifs comme des cumulo-nimbus, stables comme des stratus ou des cirrus et qu’ils soient situés, dans les Tropiques, dans les régions polaires et dans un contexte maritime.

Nos recherches permettent de :

• Caractériser l’organisation des champs nuageux, leur formation et leur évolution et identifier les processus physiques sous-jacents
• Étudier les interactions entre aérosols, humidité et nuages, notamment leur rôle dans le bilan radiatif
• Analyser les systèmes précipitants depuis l’espace pour mieux comprendre les mécanismes de formation des pluies
• Développer des algorithmes pour exploiter les données de vapeur d’eau et améliorer les modèles climatiques

Des outils variés pour décrypter les nuages
Pour analyser les processus nuageux, notre équipe s’appuie sur une combinaison d’outils complémentaires. Les données satellitaires nous permettent de suivre en détail la formation, l’évolution et la dissipation des nuages à l’échelle globale. Ces observations spatiales sont enrichies par des mesures au sol, réalisées sur notre plateforme d’observation au laboratoire. Parmi ces instruments, un radiomètre micro-ondes assure un profilage thermodynamique continu de la troposphère, mesurant la vapeur d’eau, la température, le contenu en eau liquide et d’autres paramètres atmosphériques. Un disdromètre complète ce dispositif en analysant localement la distribution en taille des gouttes de pluie, une donnée essentielle pour caractériser les précipitations et comprendre leurs mécanismes de déclenchement. Enfin, des modèles méso-échelle nous aident à étudier les processus dynamiques de la couche limite atmosphérique et à simuler les interactions complexes entre les nuages et leur environnement.

Un enjeu majeur pour le climat et la société
En croisant les observations spatiales et les mesures locales, notre travail vise à affiner les prévisions météorologiques et climatiques, afin de mieux anticiper les événements extrêmes tels que les pluies intenses ou les sécheresses. Par ailleurs, nous poursuivons le développement d’une thématique autour de la caractérisation et de l’analyse du flux solaire en surface, ainsi que de sa relation avec le contenu atmosphérique, en particulier en situation de couvertures nuageuses fractionnées, , afin d'accompagner l'exploitation optimale de l'énergie solaire dans le cadre de la transition énergétique..