Transfert radiatif et applications

Responsable du thème : Céline Cornet

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.

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, situations multicouches, profils verticaux des nuages, développement 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 nuages, de la vapeur d'eau et de participer à la validation des instruments spatiaux.

L’exploitation des propriétés restituées des nuages et de la vapeur d’eau permet de mener des études locales sur les nuages fins et les interactions aérosol-vapeur d’eau-nuages dans le cadre du projet LABEX CAPPA 2 (https://www.labex-cappa.fr/) ainsi que des études de l’échelle régionale à l’échelle globale portant sur les interactions aérosols, vapeur d’eau et nuages ainsi que sur leur impact radiatif.

Les études menées portent principalement sur le développement de la convection, sur le cycle de vie des nuages, sur l’initiation des précipitations ou encore se situent dans des zones pristines, importantes, ce qui permet d’isoler la composante naturelle du climat. Les profils de vapeur d’eau et température issus du radiomètre micro-ondes (Figure 4) sont utilisés pour alimenter des modèles de méso-échelle (RAMS) et analyser les processus pré-cités ainsi que l’installation des brouillards, ou la dynamique de la couche limite. Ce radiomètre permet aussi de mieux quantifier l’impact radiatif de la vapeur d’eau (couplage avec les fluxmètres) ainsi que l’hygroscopicité des aérosols en collaboration avec l’équipe IAR.

L’étude des structures nuageuses est aussi un thème majeur avec des études statistiques permettant de caractériser la structure verticale des nuages mais aussi de faire le lien entre paramètres géométriques, dynamiques et l’organisation de la convection (Figure 4). Dans ce contexte, on développe aussi des modèles paramétrés permettant d'analyser les structures nuageuses et de montrer le caractère oscillant du système aérosols-nuages-pluie et la structure organisé des champs nuageux.

L’émergence récente d’une nouvelle thématique concerne l'analyse du rayonnement solaire en surface en cas de couvertures nuageuses fractionnées. L’exploitation et le développement des mesures sol réalisées au LOA permettent la production de climatologies croisées de la nébulosité et de la ressource solaire, et l’analyse des effets radiatifs tridimensionnels nuageux sur les flux radiatifs de courtes longueurs d’onde en surface.