Équipe IRN

Variabilité et impact climatique des nuages et de la vapeur d'eau

Animateur : Jérôme Riedi

La caractérisation des propriétés des nuages et de la vapeur d'eau à l'échelle globale est l’un des objectifs majeurs de l’équipe IRN et l'outil satellitaire est par conséquent au cœur des activités de l’équipe. La description de la variabilité des nuages et de la vapeur d’eau nécessite, à la fois, de faire évoluer les méthodes d'analyse afin de bénéficier des possibilités accrues de nouveaux instruments, mais aussi de garantir la cohérence des séries temporelles obtenues. Pour contribuer à cette description climatologique, le développement d’approches multicapteurs est privilégié afin d’améliorer les restitutions ou obtenir de nouveaux paramètres.

Dans ce cadre, nous contribuons à la préparation et au développement des futures missions d'observation de l'atmosphère, en particulier 3MI et METimage sur EPS-SG pour lesquelles POLDER et MODIS ont préfiguré l'utilisation en synergie. En parallèle, un effort particulier est porté sur l'exploitation des données opérationnelles géostationnaires qui permettent d'aborder la question des études de processus. Cette démarche est notamment rendue possible par la disponibilité opérationnelle d'informations à haute résolution temporelle sur la couverture nuageuse (MTG) jusqu'à présent accessibles uniquement à partir d'instruments de recherche. Enfin, par le biais de l'approche couplée entre observation et modélisation, nos activités contribuent à développer des études transverses au laboratoire concernant les interactions entre aérosols, nuages et vapeur d'eau.

Vidéo de présentation du projet 3MI : instrument multi-vues, multi-canaux et multipolarisation.
Plus d'informations sur la mission 3MI

Étude des structures et systèmes nuageux

Animateurs : Nicolas Ferlay / Laurent C.-Labonnote

Figure 1. Coupes verticales des mammatus inversés ("mammatocumulus") observés au sommet d’un système frontal au large du Japon. La figure du haut représente les mesures Lidar (à bord du satellite CALIOP) et celle du bas représente les mesures réalisées par le Radar embarqué sur le satellite CloudSat. (Ferlay et al., JAS 2014)


Figure 2. Comparaison des contenus en glace (IWC - Ice Water Content) entre les mammatocumulus observés (haut) et simulés (bas). La figure du haut montre l’IWC restitué par l’algorithme DARDAR à partir des observations spatiales (RADAR/LiDAR/Radiomètre) tandis que la figure du bas représente les contenus en glace simulés par le modèle méso-échelle BRAMS (δx=δy= 1km et δz=200m).

Il s'agit tout d’abord d'étudier les structures nuageuses aux échelles synoptique et mésoéchelle, en utilisant, en particulier, les outils de modélisation (RAMS) et des méthodes de télédétection passive et active innovantes. L'enjeu est, notamment, de contribuer à l'amélioration de la paramétrisation des nuages dans les modèles. L'analyse et l'impact des effets radiatifs 3D des champs nuageux hétérogènes dans les algorithmes pour lesquels les nuages sont considérés plans, parallèles et homogènes, ainsi que l'inversion tridimensionnelle de champs nuageux et de vapeur d'eau, est également un objectif important de ce thème.

Pour cela, les caractères multispectral (en particulier les bandes d'absorption gazeuse de la vapeur d’eau ou du dioxygène) et multidirectionnel des mesures sont exploités, et des méthodes et techniques de calcul appropriées sont développées. Par ailleurs, les systèmes précipitants et convectifs sont également étudiés à partir d’observations (mesures solaire, radar et micro-onde), réelles ou simulées, afin d'améliorer d'une part leur représentation statistique, et d'autre part leur impact sur l'aviation civile (participation au projet HAIC – FP7-TRANSPORT).

Les nuages de glace représentent également un thème d’étude majeur de l’équipe. À l’échelle globale, nous étudions l’apport de mesures à haute résolution spectrale afin de retrouver l’altitude, l’épaisseur et le contenu en glace intégré des nuages de glace. Nous utilisons pour cela des méthodes élaborées qui permettent de quantifier le contenu en information de système d’observation tels que IASI, IASI-NG ou GOSAT. En parallèle, nous poursuivons les travaux menés sur la caractérisation optique et microphysique des nuages semi-transparents naturels (cirrus) à partir de mesures sols, aéroportées ou spatiales à moyenne résolution spectrale (de type MODIS, IIR, SEVIRI).

À l'échelle locale, une base de données et une climatologie des caractéristiques géométriques et optiques des cirrus a été réalisées à partir d’inversions fondées sur les observations continues du microlidar du LOA. Récemment, le couplage entre les mesures du microlidar et du radiomètre infrarouge du LOA (CLIMAT) a permis d’obtenir une caractérisation plus fine des propriétés microphysiques des cirrus (obtention d’un profil vertical de contenu en glace).

Transfert radiatif et propriétés optiques des particules atmosphériques

Animateur : Philippe Dubuisson

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 (aéroporté ou satellite) ou pour estimer le bilan radiatif atmosphérique. 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 3D 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.

Figure 3. Exemple d’un champ de réflectances totales (a) ou polarisées (b), exprimées en %, simulé à partir du code 3DMCPOL du LOA (basé sur une méthode de Monte Carlo) pour un nuage inhomogène de type stratocumulus dont les propriétés ont été calculées à l’aide d’un modèle nuageux stochastique.

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).

À PROPOS DU LABORATOIRE

Le Laboratoire d'Optique Atmosphérique est une Unité Mixte de Recherche du CNRS et de l'Université de Lille - Sciences et Technologies, spécialisée dans l'étude des nuages, des aérosols, de leurs précurseurs et de leurs impacts environnementaux (climat, pollution).

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