Academic literature on the topic 'Nuages convectifs'

Le declenchement rapide des precipitations dans les nuages convectifs est encore mal explique. La theorie de la condensation predit en effet des distributions dimensionnelles de gouttelettes etroites alors que la formation des embryons de precipitation necessite des spectres larges avec de grosses gouttelettes. La mesure in situ des distributions dimensionnelles de gouttelettes est essentielle pour mieux comprendre la microphysique nuageuse. La campagne de mesures scms etait ainsi dediee a l'etude de la formation des precipitations dans les petits cumulus chauds (sans phase glace). La premiere partie de ce manuscrit est consacree a la validation des mesures collectees pendant scms, ou de nouveaux instruments etaient utilises. La principale difficulte est qu'il n'existe pas de standard absolu pour etalonner les instruments. Notre methodologie de validation s'appuie sur la comparaison des resultats obtenus dans des conditions variees, afin d'etudier et d'identifier les limites des differents instruments bases sur des principes de mesure differents (compteur de particules, integrateur, capteur a fil chaud). Dans la seconde partie de ce travail, nous utilisons les mesures ainsi validees pour etudier la formation des grosses gouttelettes a partir des processus de melange entre l'air nuageux et son environnement plus sec. Nous developpons une nouvelle methode d'analyse pour caracteriser la nature statistique du melange, homogene ou heterogene. Il est montre que le concept heterogene fournit une description satisfaisante de ses proprietes statistiques. Nous nous appuyons sur ce resultat pour construire un modele simple d'evolution des spectres de gouttelettes dans les cellules melangees, a concentration constante. Les conditions qui favorisent la formation des gouttes suradiabatiques sont identifiees. Les resultats du modele sont ensuite confrontes aux mesures.

Malgré les avancées significatives dans la recherche en physique de l'atmosphère au cours des dernières décennies, de nombreuses incertitudes subsistent concernant notre compréhension du changement climatique. Les connaissances actuelles indiquent que les nuages jouent un rôle majeur dans ces incertitudes, en raison des interactions complexes impliquant les aérosols, la vapeur d'eau, les nuages, la circulation atmosphérique globale, la convection et les précipitations. La vapeur d'eau joue un rôle essentiel dans la formation et le développement des nuages, en particulier ceux issus de phénomènes convectifs qui, eux-mêmes, redistribuent la vapeur d'eau dans l'atmosphère par le biais d'échanges entre les nuages et leur environnement proche. Par conséquent, une compréhension plus approfondie de la teneur en vapeur d'eau au-dessus et autour des nuages est nécessaire pour améliorer notre compréhension des interactions entre la vapeur d'eau et les nuages, et aider la communauté scientifique à mieux contraindre les modèles de type LES et les modèles numériques de prévisions du temps. Notre recherche s'inscrit dans le cadre de la mission spatiale C³IEL, dont l'objectif est d'améliorer nos connaissances sur l'enveloppe 3D des nuages convectifs, leurs vitesses de développement horizontale et verticale, le contenu en vapeur au-dessus et autour, ainsi que l'activité électrique associée à ces systèmes convectifs. Au cours de cette thèse, notre attention s'est portée sur l'obtention du contenu intégré en vapeur d'eau en présence de nuages à partir d'observation satellite. La restitution de cette quantité a été effectuée grâce à une approche probabiliste Bayésienne : la méthode d'estimation optimale. Jusqu'à présent, peu d'études ont explicitement démontré la faisabilité d'une telle inversion en cas de ciel nuageux, en raison de la pénétration et diffusion du rayonnement dans le nuage qui augmente le nombre de paramètres intervenant dans la relation entre les luminances et le contenu en vapeur d'eau.Des simulations de transfert radiatif ont été effectuées dans les trois bandes spectrales SWIR défini pour l'étude du contenu en vapeur d'eau dans le contexte de la mission C³IEL, suivant l'hypothèse d'une atmosphère constituée de couches plans-parallèles homogènes afin de générer des jeux de luminances synthétiques pour tester l'algorithme d'inversion développé au cours de cette thèse. L'application de notre algorithme d'inversion en conditions idéalisées a permis de montrer la faisabilité de la restitution du contenu intégré en vapeur d'eau au-dessus du nuage, situé au-dessus de l'océan à partir des luminances dans le SWIR, avec une précision de l'ordre de 1 kg/m² lorsque le nuage est optiquement dense. Cependant, la précision de cette restitution diminue à mesure que l'épaisseur optique du nuage diminue. L'application de l'algorithme sur des profils de vapeur d'eau réalistes, c'est-à-dire présentant des profils verticaux nuageux non homogènes, a montré que le contenu intégré en vapeur d'eau au-dessus de nuages d'eau liquide était restituable avec un biais positif, lié à la pénétration dans la nuage, de l'ordre de 2,18 kg/m², c'est-à-dire du même ordre de grandeur que ceux obtenus dans des travaux antérieurs en conditions de ciel clair. En présence de nuages de convection contenant de l'eau liquide et de la glace, caractérisés par une épaisseur géométrique importante et donc une altitude de sommet élevée, avec une épaisseur optique très élevée et des contenus en vapeur d'eau très faibles, l'algorithme d'inversion que nous avons développé ne permet pas de réaliser une restitution valable. Des pistes d'améliorations sont donc proposées afin d'améliorer les restitutions du contenu en vapeur d'eau dans des cas réalistes et de définir la limite restituable pour le contenu en vapeur d'eau<br>Despite significant advances in atmospheric physics research over the past few decades, many uncertainties persist regarding our understanding of climate change. Current knowledge indicates that clouds play a major role in these uncertainties due to complex interactions involving aerosols, water vapor, clouds, global atmospheric circulation, convection, and precipitation. Water vapor plays a crucial role in clouds formation and development, especially those resulting from convective phenomena that redistribute water vapor in the atmosphere through exchanges between clouds and their immediate environment. Therefore, a better understanding of water vapor content above and around clouds is necessary to improve our comprehension of interactions between water vapor and clouds and to help the scientific community better constrain LES models and numerical weather forecasting models. Our research is part of the C³IEL space mission, which aims to enhance our knowledge of the 3D envelope of convective clouds, their horizontal and vertical development velocities, the water vapor content above and around clouds, and the electrical activity associated with these convective systems. The focus of this thesis concerns the retrieval of integrated water vapor content in the presence of clouds from satellite observations. This retrieval was achieved through a Bayesian probabilistic approach: the optimal estimation method. So far, few studies have explicitly demonstrated the feasibility of such inversion under cloudy atmosphere because of the complexity related to the penetration and scattering of radiation within the cloud. This increases the number of parameters involved in the relationship between radiance and water vapor content.Radiative transfer simulations were conducted in the three SWIR spectral bands defined for the study of water vapor content in the context of the C³IEL mission. The atmosphere was assumed to be composed of homogeneous plan-parallel layers, and synthetic radiance datasets were generated for testing the retrieval algorithm developed in this thesis. The feasibility of retrieving integrated water vapor content above a cloud and over the ocean from SWIR radiances was shown with a precision of approximately 1 kg/m² for optically dense clouds. However, the precision of this retrieval decreases as the cloud optical thickness decreases. Tests were then realized with realistic water vapor and cloud extinction profiles that present non-homogeneous cloudy vertical profiles. This shows that integrated water vapor content above liquid water clouds could be retrieved with a positive bias related to cloud penetration of approximately 2.18 kg/m². This value is of the same order of magnitude than those obtained in previous work under clear-sky conditions. In the presence of convective clouds containing both liquid and ice water, characterized by a significant vertical extension and thus a high top altitude, very high optical thickness and very low water vapor content, the retrieval algorithm does not succeed to provide a valid retrieval. Suggestions are therefore proposed to improve water vapor content retrievals in realistic cases and define the retrievable limit for water vapor content

Une étude de sensibilité aux échelles kilométriques et hectométriques de simulations idéalisées de convection profonde montre qu’une résolution horizontale minimale de 1 km est nécessaire pour commencer à bien représenter les structures convectives et qu'il faut améliorer la turbulence dans les nuages convectifs. Une simulation LES (50 m de résolution) d'un nuage convectif profond permet d’obtenir les flux turbulents de référence, dégradés ensuite à différentes résolutions (2, 1 et 0.5 km), et d'évaluer ainsi la paramétrisation actuelle de la turbulence au sein des nuages convectifs. Les défauts mis en évidence sont une énergie cinétique turbulente insuffisante, liée à une sous-estimation de la production thermique notamment dans des zones à contre-gradient, et des vitesses verticales trop fortes. Une paramétrisation alternative de certains flux turbulents, basée sur des gradients horizontaux, montre une meilleure partition entre mouvements résolus et sous-maille à 1 km de résolution.

Cette thèse a pour objectif d'étudier et d'améliorer la représentation du cycle de vie des systèmes convectifs de l'Afrique de l'Ouest (orages tropicaux, lignes de grains,. . . ) dans les modèles de circulation atmosphérique. Ces modèles de circulation sont devenus un des outils de base pour à la fois les recherches en physique du climat et pour la prévision opérationnelle du temps. La gamme d'échelles spatiales impliquée rend particulièrement complexe la modélisation de la mousson Ouest Africaine. Cependant, beaucoup de progrès ont été réalisés ces dernières années au Laboratoire de Météorologie Dynamique dans le développement des paramétrisations de convection nuageuse (Rio and Hourdin, 2008; Grandpeix et al. , 2010) et le modèle LMDZ est capable de représenter de façon correcte les caractéristiques moyennes du système de mousson Ouest Africaine. Notre travail de thèse repose en grande partie sur l'exploitation des données recueillies au cours de l'été 2006 pendant la période d'observation intensive (mesures sol, avions, ballons) de la campagne d'Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine (AMMA). L'amélioration de la représentation de la convection dans ces régions est un enjeu de première importance, à la fois pour l'amélioration des prévisions du temps et pour essayer de prévoir les possibles variations du climat sur la région dans le cadre du réchauffement global du climat. La discrimination des systèmes locaux et propagatifs a permis de faire la comparaison des systèmes locaux avec le modèle qui ne représente pas pour le moment la propagation des systèmes convectifs. Ainsi le cycle diurne des systèmes locaux est comparable au cycle diurne du modèle. Un des résultats marquant obtenu durant cette thèse concerne la représentation du cycle diurne des précipitations convectives. Nous avons en particulier, montré que la nouvelle "paramétrisation" de la convection orageuse, prenant en compte explicitement les "poches froides" créées sous les nuages par réévaporation des pluies convectives, développée par Grandpeix et al. , (2010), permet de décaler dans la soirée les pluies convectives (qui se produisent en générale beaucoup trop tot dans les modèles, vers 12h, en phase avec l'insolation), en bien meilleur accord avec les observations. Nous avons aussi mis au point une approche d'initialisation physique de la convection par des températures de brillance du satellite Météosat Seconde Génération (MSG). Cette approche d'initialisation détectant les zones convectives donne une meilleure représentation spatiale de la convection de manière cohérente avec les observations

La formation rapide des precipitations dans les cumulus est un phenomene encore mal explique. Plusieurs hypotheses ont ete avancees dont la contribution de noyau ultra geants, une efficacite de collison entre gouttelettes renforcee et l'elargissement des spectres de gouttelettes. Notre etude est consacree plus particulierement a la caracterisation des distributions dimensionnelles de gouttelettes dans les regions de nuage non melangees, a leur elargissement et a l'analyse de la distribution spatiale des gouttelettes a micro-echelle, source potentielle d'elargissement. De recentes mesures in-situ montrent que les spectres de gouttelettes dans les cellules adiabatiques sont plus larges que ceux prevus par la theorie classique de croissance par diffusion de vapeur. Une telle particularite implique que le champ de sursaturation n'est pas uniforme dans les ascendances non melangees. Un grand echantillon d'observations effectuees dans de telles regions est analyse et l'elargissement spectral est represente par la fonction de densite de probabilite de l'integrale de la sursaturation. Il est montre que la dispersion dans cette fonction augmente lineairement avec la valeur moyenne, et une parametrisation simple de l'elargissement des spectres est proposee. Cette variabilite dans l'integrale de la sursaturation peut provenir des heterogeneites dans la distribution spatiale des gouttelettes. Des mesures a tres fine echelle sont analysees pour caracteriser la statistique du comptage des particules. Celle-ci montre que les gouttelettes sont distribuees aleatoirement dans l'espace. Les effets des heterogeneites resultantes sur l'elargissement spectral sont estimes avec un modele conceptuel qui prouve qu'ils ne sont significatifs que pour des valeurs irrealistes du temps de vie des heterogeneites. De recentes simulations numeriques des effets inertiels des gouttelettes dans les structures de micro-echelle de la turbulence sont alors testees. Il est montre que le modele qui produit un elargissement significatif genere des repartitions spatiales de gouttelettes dont les proprietes statistiques sont irrealistes. Nos resultats indiquent que la concentration preferentielle des gouttelettes ne contribue pas a l'elargissement des spectres, du moins tel qu'il est decrit actuellement par les modeles numeriques.

Dans cette these, on etudie la convection profonde nuageuse sur l'afrique tropicale a partir des donnees satellitaires. Pour caracteriser cette convection, plusieurs methodes sont utilisees. On considere d'abord les moyennes mensuelles des luminances dans les canaux infra-rouge aux differentes heures de la journee, ainsi que les ecarts-types diurnes de ces luminances. Ensuite, on construit les frequences mensuelles des nuages a sommets froids. Des indices horizontal et frequence sont definis respectivement par element d'image moyenne et frequence. L'etape suivante est consacree aux comparaisons interannuelles et inter-mensuelles des cycles diurnes mais a grande echelle spatiale. Dans la suite, on s'attache donc aux analyses fines pixel par pixel. Deux nouveaux parametres sont utilises: l'amplitude et la phase du cycle. Enfin, on s'interesse aux comparaisons avec le cycle diurne des precipitations sur une region particuliere. Les resultats montrent l'importance des effets de relief et des circulations locales; les variations interannuelles des nuages convectifs sont largement fonction de l'interaction de ces circulations locales avec les caracteristiques de la circulation atmospherique a grande echelle

Cette thèse examine l’impact des hétérogénéités de température de surface de la mer (SST) sur l’agrégation des nuages convectifs, à l’aide de simulations 3D de l’équilibre radiatifconvectif. Les hétérogénéités de température étudiées sont soit imposées, soit interactives. Dans le premier cas, un point chaud de rayon R et d’anomalie de température ΔT est introduit à la surface. Le point chaud accélère l’agrégation et étend les valeurs de SST pour lesquelles la convection agrège. L’augmentation de l’instabilité sur le point chaud renforce la convection et la circulation grande échelle, forçant la subsidence et l’assèchement à l’extérieur du point chaud. Une anomalie suffisamment large ou chaude provoque l’agrégation même sans rétroactions radiatives. Dans le cas d’hétérogénéités interactives, l’océan est modélisé par une couche de température moyenne constante mais variant dans l’espace. La SST interactive ralentit l’agrégation, d’autant plus que la couche océanique est peu profonde. L’anomalie de SST dans les régions sèches est d’abord positive, s’opposant à la circulation divergente dans la couche limite, connue pour favoriser l’auto-agrégation. à un seuil de sécheresse plus élevé, l’anomalie devient négative et favorise cette circulation. La circulation peu profonde est corrélée à la vitesse d’agrégation. Elle est due à une haute pression, elle-même liée aux anomalies de SST et au refroidissement radiatif de la couche limite. L’inclusion d’un cycle diurne dans les simulations avec SST interactive accélère l’apparition de zones sèches et l’agrégation pour les couches océaniques peu profondes, réduisant ainsi la dépendance de l’agrégation à la profondeur de la couche océanique<br>This study investigates the impact of Sea Surface Temperature (SST) heterogeneities on the aggregation of convective clouds, using 3D cloudresolving simulations of radiativeconvective equilibrium. The SST heterogeneities are either imposed or interactive. In imposed cases, a spatiotemporally fixed warm SST anomaly (Hot-spot) with radius R and temperature anomaly ΔT is introduced at the center of the domain. The hot-spot significantly accelerates aggregation and extends the range of SSTs for which aggregation occurs. A convective instability over the hot-spot leads to stronger convection and generates a large-scale circulation, forcing subsidence drying outside the hot-spot. A large/warm hot-spot drives the aggregation even without radiative feedbacks. In cases where SST heterogeneities are interactive, the ocean is modeled as one layer slab ocean, with a constant mean but spatially varying temperature. The interactive SST decelerates the aggregation, especially with shallower slab. SST anomaly in dry regions is positive at first, thus opposing the diverging shallow circulation known to favor self-aggregation. With further drying, it becomes negative and favors the shallow circulation. The shallow circulation is found to be well correlated with the aggregation speed. It can be linked to a positive surface pressure anomaly, itself the consequence of SST anomalies and boundary layer radiative cooling. Including a diurnal cycle in simulations with interactive SST results in faster triggering of dry patches and accelerates the aggregation for shallow slabs, thus reducing the dependency of aggregation on slab depth

Les nuages convectifs constituent les principales sources de pluie dans la majorité des régions tropicales ; or, la fréquence d'occurrence de ces nuages est sensible aux processus de surface. La région de l'arc de déforestation, en Amazonie Légale (partie brésilienne de l'Amazonie), a connu de profondes modifications de ses territoires au cours des trente dernières années ; la forêt tropicale y a été peu à peu remplacée par des pâturages. Cette thèse propose d'une part une étude géographique de l'état de la végétation dans la région de l'arc de déforestation ainsi qu'une méthode innovatrice de cartographie de la végétation de cette région basée sur des données multi-sources et de la logique floue, et d'autre part une analyse spatiale dynamique des relations entre le cycle de vie des nuages convectifs et la surface. Une climatologie des systèmes convectifs en Amazonie durant l'expérimentation LBA est réalisée à l'aide de données issues d'un modèle de suivi satellitaire, ainsi que la mise en relation spatiale des caractéristiques du cycle de vie des systèmes convectifs avec le relief et la végétation. Une étude chronologique de 1984 à 1993 compare l'évolution des couvertures nuageuses au-dessus de régions déforestées et de régions dont la couverture forestière s'est maintenue. Les principaux résultats de cette étude sont l'observation d'une tendance à une saisonnalité du climat plus marquée suite à la déforestation, et un déplacement septentrional de la limite de transition entre le climat équatorial et le climat tropical dans le Sud du bassin amazonien.