Interactions nuages/rayonnement

Les interactions entre nuages et rayonnement sont une des clés de la machine climatique. Les nuages modulent très fortement les flux radiatifs et sont déterminants pour les questions de couplage à la surface discutées dans le thème 1. Les nuages modulent également fortement les taux de chauffage dans l’atmosphère et ainsi la circulation globale atmosphérique dont les erreurs de représentation sont à l’origine d’une grande partie des biais des modèles discutés dans le thème 4. Réciproquement les flux radiatifs impactent la formation, le développement et le cycle de vie des nuages, soulignant les rétroactions fortes entre rayonnement et nuages (e.g. Schafer and Voigt, 2018).

L’estimation correcte de l’effet radiatif des nuages par les modèles atmosphériques est difficile car elle nécessite une bonne représentation de tout un ensemble de grandeurs physiques : couverture nuageuse, quantité d’eau condensée, distribution géométrique des nuages (inter et intra-couche), phase de l’eau, distribution de taille des gouttes ou des particules de glace, propriétés optiques associées, etc. Par ailleurs, les effets radiatifs des nuages sont représentés à l’aide d’un formalisme plan-parallèle, qui ne rend pas compte de la complexité des échanges radiatifs horizontaux entre mailles voisines des modèles. Jusqu’à récemment, la communauté de la modélisation de l’atmosphère s’est surtout concentrée sur la bonne représentation du transport de l’eau et de l’énergie par la turbulence et la circulation résolue, condition nécessaire pour qu’un nuage puisse se former avec des propriétés réalistes. En revanche, les interactions entre nuages et rayonnement sont rarement prises en compte même dans les modèles à très haute résolution (modèles LES) utilisés comme référence (Brown et al., 2002). Les progrès significatifs réalisés ces dernières années dans les paramétrisations du transfert radiatif permettent désormais d’aller plus loin et de mieux aborder les couplages entre nuages, rayonnement et transport (e.g. Jakub and Mayer, 2015 ; Hogan and Schonk, 2016). Il s’agira en particulier de mieux comprendre le rôle des interactions nuages-rayonnement dans l’organisation de l’atmosphère de la méso-échelle à la grande échelle, et par implication, mieux comprendre le rôle de la mauvaise représentation de ces interactions dans les défauts systématiques des modèles. Pour les GCMs, cela doit permettre de réduire les fortes compensations d’erreurs, souvent nécessaires pour équilibrer le bilan énergétique global dans les simulations climatiques. Dans le cadre de LES, cela permettra d’une part d’obtenir des références pour les aspects radiatifs, et d’autre part d’étudier le rôle des interactions nuages-rayonnement dans la dynamique des nuages, notamment leur organisation à méso-échelle (Muller and Bony, 2015). Ces considérations sont concomitantes avec un regain d’intérêt pour la modélisation du transfert radiatif et des nuages dans la communauté nationale (illustré par l’atelier Tratoria organisé par le CNES et le projet PNTS « nouvelles approches en transfert radiatif » qui s’en est suivi) et internationale (projet Continual Intercomparison of Radiation Codes). Elles ont également motivé pour une bonne part l’ANR High-Tune incubée par le projet DEPHY. Il s’agira aussi d’assurer le lien avec la communauté radiative qui travaille sur les questions de télédétection (moteur sur les aspects spectraux notamment).

Les deux enjeux principaux que DEPHY souhaite aborder sont les suivants :

1. Mettre en place au niveau national une communauté scientifique de modélisation du transfert radiatif dans les nuages pour les modèles de PNT et de climat, en développant l’expertise et les outils nécessaires pour quantifier et étudier les interactions nuages-rayonnement et améliorer leur représentation dans ce type de modèles.
2. Déterminer le degré de complexité des paramétrisations de la microphysique nuageuse et des structures spatiales des nuages nécessaire à une représentation réaliste des interactions nuages-rayonnement dans les modèles de PNT et de climat.