Tesis sobre el tema "Nuages – Arctique"

Les interactions des aérosols avec les nuages en Arctique peuvent avoir de fortes conséquences sur le forçage radiatif. Néanmoins cette interaction reste encore mal comprise. Dans cette étude nous utilisons les instruments satellitaires POLDER-3 & MODIS pour obtenir des informations sur les propriétés microphysiques des nuages que nous co-localisons temporellement et spatialement avec la concentration en monoxyde de carbone, traceur passif du contenu en aérosols, issue des modèles numériques GEOS-Chem et FLEXPART. Nous co-localisons également les données avec les réanalyses de ERA-Interim pour pouvoir contrôler les paramètres météorologiques tel que l’humidité spécifique et la stabilité de la basse troposphère. Afin d’étudier l'impact des panaches de pollution sur la microphysique des nuages, nous définissons le paramètre ACInet qui décrit l'interaction aérosol nuage. Nos résultats suggèrent que les parcelles d'air venant de feux de biomasses ont un effet limité sur la microphysique des nuages. Au contraire, l'effet des aérosols venant de sources anthropiques ont un effet proche d'un maximum théorique. Nous étudions alors l'impact de différents paramètres météorologiques sur l'ACInet. Nous avons également analysé l'impact des aérosols d'origine anthropiques sur la transition de phase liquide-glace des nuages. Nos résultats indiquent que le contenu en aérosols a un effet net de diminution de la température de transition de phase, ce qui est susceptible d'avoir de fortes conséquences sur la durée de vie des nuages
The Arctic region is warming particularly rapidly. The aerosol-cloud interaction (ACI) plays an important role on cloud radiative properties and climate change but aerosol impact on cloud microphysical parameters is still poorly understood.In this study we combine measurements from the satellite instruments POLDER-3 and MODIS to temporally and spatially co-localize cloud microphysical properties with carbon monoxide concentrations, passive tracer of aerosol content, from GEOS-Chem and FLEXPART. We also add ERA-I reanalysis of meteorological parameters to stratify meteorological parameters, such as specific humidity and lower tropospheric stability. Thus, observed differences in cloud-microphysical-parameters can be attributed to differences in aerosol content and not in meteorological parameters. We define a net ACI (ACInet) which can be interpreted as a measure of the sensitivity of a cloud at any given location to pollution plumes from distant sources. We study the impact of aerosols from anthropogenic and biomass-burning sources on liquid-cloud microphysical properties in Arctic, between 2005 and 2010, above ocean, and for different meteorological regimes. Our results suggest that the effect of biomass pollution plumes is smaller than the effect of anthropogenic pollution plumes. Meteorological parameters can significantly influence the ACI. We analyze the impact of anthropogenic aerosol on thermodynamic phase transition. The smaller the effective radius, the greater the supercooled temperature, whereas the greater the aerosol concentration, the smaller the supercooled temperature

Les mécanismes de formation des nuages de glace arctiques durant la nuit polaire sont encore mal définis en raison de l'absence d'observations et de l'éloignement de cette région. Pourtant, leur influence sur les conditions météorologiques et sur le climat dans l'hémisphère nord est d'une importance primordiale ; et les connaissances sur la modification de leurs propriétés, liées à des processus d'interaction aérosol-nuage, doivent être améliorées. Les fortes concentrations d'aérosols en Arctique durant la nuit polaire sont associées au transport des aérosols anthropiques des latitudes moyennes jusqu'au pôle Nord. Les observations et les modèles montrent que cela peut conduire à un transport important de particules d'aérosol acidifiées. Les mesures en laboratoire et in situ montrent qu'à basse température (< -30°C), le revêtement d'acide sur les noyaux glaçogènes (IN) peut réduire leurs propriétés de nucléation de la glace. Par conséquent, leur concentration est réduite dans ces régions entraînant une plus faible concentration de plus gros cristaux de glace en raison d'une diminution de la compétition pour une humidité disponible similaire. De nombreuses mesures de terrain et par télédétection par satellite (CloudSat et CALIPSO) révèlent l'existence de deux types de nuages de glace (TIC) en Arctique durant la nuit polaire. Les nuages de glace de type 1 (TIC-1) ne sont visibles que par le lidar tandis que les nuages de glace de type 2 (TIC-2) sont perçus à la fois par le lidar et le radar. Les TIC-2 sont divisés en TIC-2A et TIC-2B. Les TIC-2A sont recouverts d'une fine couche de petits cristaux de glace non-précipitant (invisible par le radar) (TIC-1), tandis que les TIC-2B ne le sont pas. Ils sont caractérisés par une faible concentration de gros cristaux de glace. On suppose que la microstructure des TIC-2B est liée à l'acidification des aérosols. Pour vérifier cette hypothèse, des études de cas et des approches statistiques ont été combinées afin d'analyser le transport des aérosols et les propriétés des nuages de glace en Arctique. La première partie de la thèse enquête sur les propriétés microphysiques des TIC-1/2A et TIC-2B, en analysant des mesures aéroportées et satellitaires de cas spécifiques observés durant la campagne de mesures ISDAC (Alaska, Avril 2008). Pour la première fois, les microstructures des TIC-1/2A et TIC-2B en Arctique sont comparées en utilisant les observations in-situ des nuages. (...) La deuxième partie de la thèse enquête sur l'origine des masses d'air formant deux cas spécifiques de TICs ISDAC : TIC-1/2A (1 Avril 2008) et TIC-2B (15 Avril 2008), en utilisant des outils de trajectoire et des données satellitaires.

L’étude de l’atmosphère arctique présente un intérêt scientifique grandissant, la température de sa surface augmentant deux à trois plus fois rapidement que dans le reste du monde. Par la modulation qu’ils exercent sur le rayonnement, les nuages apparaissent comme un élément crucial du bilan d’énergie du système océan-glace-atmosphère en Arctique. Pourtant, la formation et la persistance de ces nuages sont toujours mal représentées dans les modèles atmosphériques, de même que la couche limite où ils se forment et résident. Dans le cadre du projet innovant IAOOS, un système d’observation intégré à bord de bouées dérivant dans l’océan arctique a permis de collecter simultanément et en temps réel des informations relatives à l’état des couches supérieures de l’océan, de la basse atmosphère et de la glace de mer arctique. Une partie de ces observations a été effectué lors de la campagne de terrain N-ICE au nord du Svalbard en 2015. Les travaux menés dans le cadre de cette thèse visent à mieux quantifier les différents termes du bilan d’énergie à la surface dans des conditions environnementales et de surface variées et d’améliorer la représentation dans le modèle régional Polar-WRF des nuages dans la couche limite arctique
The study of the Arctic atmosphere is of growing scientific interest, as its surface temperature increases two to three times faster than in the rest of the world. Clouds are a key element in the energy balance of the ocean-ice atmosphere system in the Arctic because of the modulation they exert on the radiation. However, the formation and persistence of these clouds are still poorly represented in atmospheric models, as well as the boundary layer where they reside. A better understanding of the feedbacks between clouds and ice surfaces is crucial to analyze and predict the evolution of the Arctic climate. As part of the IAOOS project, an integrated observing system aboard buoys drifting in the Arctic Ocean collected simultaneous real-time information on the state of the upper ocean, the lower atmosphere and the Arctic sea ice. Part of these observations coincided with the N-ICE field campaign north of Svalbard in 2015. The work carried out in this thesis aims at better quantifying the different terms of the surface energy balance under various environmental and surface conditions and to improve the representation in the regional model Polar-WRF of clouds in the Arctic boundary layer

L'Arctique se réchauffe deux à trois fois plus vite que le reste de la Terre, et c'est donc une zone d'étude cruciale des sciences de l'atmosphère. Cette thèse a pour but d'étudier deux caractéristiques de la couche limite de l'Arctique (les nuages et les inversions de température en surface) et de déterminer leur impact sur le bilan d'énergie de surface en combinant observations et modélisation. Tout d'abord, une nouvelle statistique des caractéristiques nuageuses au-dessus de la banquise a été dérivée d'un ensemble de 1777 profils lidar obtenus au cours de la campagne Ice, Atmosphere, Ocean Observation Systems (IAOOS). Lors de cette campagne, les nuages étaient présents plus de 85% du temps de mai à octobre et l'épaisseur (optique et géométrique) des couches de nuages individuelles était maximale en octobre. Le forçage radiatif total des nuages en été a été était négatif pour les nuages optiquement minces, mais positif pour les nuages optiquement épais. Deuxièmement, l'impact des vitesses de vent sur le développement des inversions de température en surface en Arctique continental a été étudié. L'analyse des mesures de la campagne pré-ALPACA, qui a eu lieu à Fairbanks, Alaska, en hiver 2019, a montré qu'une circulation locale se renforce en conditions anticycloniques. Cet écoulement inhibe le développement de fortes inversions de température en alimentant la turbulence, même lorsque le refroidissement radiatif est très fort. La modélisation des inversions de température en conditions de ciel clair en lien avec la vitesse du vent a ensuite été étudiée, plus particulièrement en zones de couvert forestier. Un modèle analytique à deux couches de la couche de surface végétalisée a été développé. Ce modèle prévoit une diminution plus lente du gradient de température en fonction de la vitesse du vent par rapport à un modèle à une seul couche, et il est cohérent avec les observations menées à un site du réseau Ameriflux près de Fairbanks. En revanche, deux schémas de couche de surface de WRF se sont avérés imposer des limites excessives à la turbulence
The Arctic is warming at two to three times as fast as the rest of the Earth, and it is therefore a crucial area of study for atmospheric scientists. This thesis aimed to gain insight on two characteristics of the Arctic boundary-layer (clouds and surface based temperature inversions) and to determine their impact on the surface energy balance through a combination of novel measurements and modelling. First, a novel statistic of cloud frequency and characteristics over the Arctic sea-ice was derived from a set of 1777 lidar profiles obtained during the 5-year Ice, Atmosphere, Ocean Observation Systems (IAOOS) campaign. Clouds were found to occur more than 85% of the time from May to October and single cloud layers were optically and geometrically thickest in October. Total cloud radiative forcing over a typical summer cycle was estimated to be negative for optically thin clouds, but positive for optically thick clouds. Second, the impact of wind speeds on the development of surface-based temperature inversions (SBIs) in the continental Arctic was investigated. The analysis of measurements from the pre-ALPACA winter 2019 campaign that took place in Fairbanks, Alaska, showed that a local, likely topographically driven flow developed under anticyclonic conditions. This flow inhibited the development of strong SBIs by sustaining significant turbulence even under very strong radiative cooling. The modelling of clear-sky surface layer temperature inversions and their dependence on wind speed was then studied, with a focus on forest areas. A 2-layer analytical model of the vegetated surface layer was developed. This model exhibited a slower decrease of the SBI strength with wind speed compared to a 1-layer model, which was shown to be coherent with observations at an Ameriflux site close to Fairbanks. These models were then compared to two WRF surface layer schemes, which were found to place excessive limits on the turbulence, preventing the development of large temperature gradients

Dans le contexte actuel de changements climatiques, il est crucial d'approfondir nos connaissances des nuages de glace fins (TIC) et de leurs paramètres intensifs et extensifs. Les TICs peuvent avoir pour effet de refroidir ou de réchauffer le climat, en fonction de leurs paramètres météorologiques et microphysiques. Ainsi, l'épaisseur optique (COD) et la taille des particules sont essentiels pour pouvoir simuler les nuages de glace dans les modèles climatiques. L'objectif de notre recherche est d'évaluer le potentiel des mesures radiométriques infrarouge thermique (IRT) afin d'inverser le COD et le diamètre effectif (Deff ) des particules des nuages de glace en Arctique. Une étude de la sensibilité des mesures IRT aux paramètres d'études a permis de conclure que le COD engendre des fortes variations en termes de température de brillance alors que la taille entraîne des variations du second ordre. Nous avons également précisé la sensibilité de l'IRT à d'autres paramètres tels que le contenu en vapeur d'eau, l'altitude et l'épaisseur du nuage, la forme des particules et leur type de distribution. En s'appuyant sur la sensibilité de l'IRT aux paramètres d'études, nous avons développé une méthode d'inversion basée sur une méthode de recherche de concurrence entre les mesures radiométriques et des simulations réalisées par un modèle de transfert radiatif, pour lesquelles varient le COD ainsi que Deff. L'étape de validation s'effectue avec les résultats d'inversion du LIDAR et du RADAR présents sur le site d'étude. La méthode d'inversion et la validation ont été appliquées sur 100 cas de TICs observés à la station polaire d'Eureka, Nunavut, Canada (80 N, 86 W). Les résultats présentés montrent une bonne inversion du COD et ont permis d'effectuer une classification des TICs en termes de TIC1 (pour les cristaux de Deff< 30 microns) et de TIC2 (Deff> 30 microns et jusqu'à 300 microns). Nous avons également testé l'influence des divers paramètres sur les résultats de l'inversion. Les résultats de l'inversion ont permis de classifier les TICs durant deux hivers. Au terme de cette recherche, nous avons proposé des perspectives d'application de la méthode d'inversion en insistant sur les originalités de ce travail.

Le travail présenté dans ce document s'inscrit dans le contexte de la diminution de l'ozone stratosphérique observée en région polaire, encore mal quantifiée par les modèles. Dans ce contexte général, nous nous focalisons sur deux processus importants de la stratosphère polaire : l'étude des nuages stratosphériques polaires (PSC), et celle des interactions entre composés halogénés et composés azotés. Pour se faire, le modèle lagrangien MiPLaSMO a été développé. Il contient un module détaillé de PSC, un module de chimie et un module de trajectoire. Concernant les PSC, les théories récentes de formation des nuages concernant le seuil de surfusion des particules liquides et la congélation en glace ont été validées. Nous avons également confirmé la nécessité de prendre en compte des ondes de montagne pour interpréter les mesures microphysiques en Arctique. L'impact des PSC d'onde de montagne sur l'activation du chlore semble significative. Concernant l'étude des interactions entre composés halogénés et composés azotés, nous avons montré, pour tous les cas étudiés, une sous-estimation systématique de NO2 par le modèle. Parallèlement, un accord entre mesures et modélisation de OClO est observé en dessous de 21 km. Au-delà un accord est possible dans le vortex si l'on tient compte des incertitudes sur les réactions chimiques faisant intervenir les NOx. En outre, une grande sensibilité de OClO envers NO2 est mis en évidence, due à la réaction BrO + NO2. On montre que résoudre la sous-estimation de NO2 dans les modèles impliquerait une sous-estimation des composés halogénés actifs. Cela met en évidence que les interactions ClOx-NOx sont mal comprises. Un accord simultané de OClO et de NO2 est possible lorsque ces interactions n'ont pas lieu (situation dénoxifiée) ou si le brome est maintenu sous forme active quand le NO2 simulé est en accord avec la mesure. Ces résultats encouragent à effectuer d'autres mesures simultanées de Cly et de NOy.

La région arctique est particulièrement sensible au changement climatique. Aux latitudes polaires, les nuages arctiques ont un effet important sur le bilan radiatif à la surface. La première partie de ce travail est constitué de l’intercomparaison instrumentale au sol à la station PUY en Mai 2013. Les mesures ont montré une bonne corrélation entre les diamètres effectifs et les distributions en taille des gouttelettes d’eau obtenus par les instruments, mais avec des biais systématiques sur les concentrations. Ces biais ont été reliés à l’estimation du volume d’échantillonnage et nous avons donc proposé une méthode consistant à normaliser les données par rapport à un instrument qui réalise des mesures intégrées. D’autre part, le FSSP et le FM ont fait l’objet d’expériences visant à évaluer l’influence de l’angle de déviation par rapport au vent extérieur et de la vitesse du vent. La seconde partie de ce travail a pour objet la campagne de mesure qui s’est déroulée à la station du Mont-Zeppelin, Ny-Alesund, Svalbard, de Mars à Mai 2012 dans le cadre du projet CLIMSLIP. Une comparaison a été effectuée entre un cas « pollué », avec des masses d’air provenant d’Asie de l’Est et d’Europe, et un cas « propre », dont les sources d’aérosols sont majoritairement locales et ne dépassent pas l’Europe du Nord. Les résultats ont montré que le cas pollué possède des concentrations en BC, aérosols et gouttes plus élevées, un mode accumulation plus important, un diamètre de gouttes plus faible et une fraction d’activation plus élevée. Enfin, le premier et le second effet indirect des aérosols ont pu être quantifiés
The arctic region is especially sensitive to climate change. At high latitudes, arctic clouds have an important effect on the surface radiative budget. The first part of this work consists in a ground based cloud instrumentation intercomparison in the PUY station in May 2013. The measurements showed a good correlation between the effective diameters and the droplet size distributions obtained by the instruments, but with a systematical bias on the concentrations. These biases have been relied to the assessment of the sampling volume and we thus proposed a methodology to standardize the data according to an ensemble of particles probe. Moreover, the FSSP and the FM have been the subject of experiments to assess the influence of the deflection angle according to exterior wind and the wind speed. The second part of this work is about the measurement campaign at the Mount-Zeppelin station, Ny-Alesund, Svalbard, from March to May 2012 in the frame of the CLIMSLIP project. A comparison has been performed between a « polluted » case, with air masses coming from East Asia and Europe, and a « clean » case, where the aerosol sources are predominantly local and do not exceed the northern Europe. The results showed that the polluted case possessed higher concentrations in BC, aerosols and drops, an accumulation mode more important, weaker droplet diameters and higher activation fraction. Finally, the first and second aerosol indirect effects have been quantified

Afin de mieux comprendre les processus et les interactions entre l'atmosphère, la glace de mer et l'océan en arctique, un financement EQUIPEX a permis de développer et déployer le projet IAOOS (Ice-Atmosphere-Ocean-Observing-System) de réseau de bouées multi-instrumentées. Pour la partie atmosphère un LiDAR rétrodiffusion innovant a été développé pour répondre aux contraintes du projet et de l'environnement arctique. Un modèle analytique du rapport signal sur bruit en air clair a permis de préciser les paramètres clés de la conception. Des simulations numériques ont ensuite permis d'affiner les performances du système. Un prototype évolutif a été réalisé dans le planning serré de cet EQUIPEX, avant la mise en œuvre d'une première bouée complète au Pôle Nord en avril 2014, qui a fonctionné jusqu'en décembre 2014. Un second déploiement de deux bouées a ensuite été réalisé à l'occasion de la campagne N-ICE de janvier à juin 2015, dont l'une était équipée d'une version polarisée du LiDAR. Les deux campagnes ont permis d'obtenir des premières statistiques de la distribution des aérosols et des nuages en arctique central avec un système LiDAR autonome. Les premiers résultats montrent la présence de couches d'aérosols assez fréquentes au printemps dans la moyenne troposphère et des nuages bas très fréquents. Les mesures LiDAR ont été utilisées pour effectuer une estimation des flux infrarouge et visible descendants. Les résultats des deux premiers déploiements et les comparaisons avec des analyses et des sorties du modèle WRF fournissent des premiers éléments sur l'apport que pourra présenter ce réseau de bouées multi-instrumentées en région centrale arctique
To improve our knowledge of the processes and interactions which occur in Arctic between atmosphere, sea ice and ocean, an EQUIPEX funding was granted to the IAOOS project. This improvement will be reached by deploying a network of multi-instrumented buoys. For the atmospheric analyses an innovative backscattering LiDAR meeting with constraints of the project and arctic environment has been developed. An analytical model of signal to noise ratio in clear sky led to the instrumental key parameters, and numerical simulations helped in improving the system performances. An evolutive prototype has been realized within the tight planning of this EQUIPEX. The first whole equiped buoy was deployed close to the north pole in April 2014 and worked until the beginning of December 2014. A second deployment of two buoys, including a polarized version, was then realized within the N-ICE campaign from January to June 2015. These first campaigns gave first statistics of aerosols and clouds distribution in the central arctic region with an autonomous LiDAR. First results show frequent aerosols layers in mid-troposphere during spring, as well as a high occurence of very low clouds. LiDAR measurements were also used to estimate downwelling longwave and shortwave at surface. Results obtained from these first deployments and comparisons with analysis and outputs from the WRF model show a first overview of what can be expected from this network of multi-instrumented buoys in the central arctic region

Les nuages jouent un rôle important dans la régulation du bilan énergétique à la surface de la Terre. Par exemple, ils absorbent le rayonnement tellurique émis par la surface de la Terre et le réémettent vers la surface, réchauffant ainsi cette dernière. Ce réchauffement peut être quantifié au travers de l’effet radiatif des nuages (Cloud Radiative Effect (CRE)) infrarouge (LongWave (LW)) à la surface. Cependant, il n’est pas bien connu en tout point du globe et sa variabilité instantané et interdécennale est mal connue. En effet, il dépend fortement de la distribution verticale des nuages qui n’est pas bien restitué à l’échelle globale. Dans cette thèse, nous proposons de restituer le CRE LW à la surface sur 13 ans (2008 − 2020) sur tout le globe en utilisant les observations du lidar Cloud–Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO). A partir de calculs de transfert radiatif 1D, nous établissons des paramétrisations linéaires entre le CRE LW à la surface et des propriétés nuageuses dont l’altitude des nuages. En combinant les paramétrisations avec les observations nuages, nous restituons le CRE LW à la surface, à l’échelle mensuelle (2° × 2°) et instantané à la pleine résolution horizontale de CALIPSO (90 m/330 m). Nous avons trouvé que les nuages réchauffent la surface de 27.0 W/m2 sur la période 2008−2020 à l’échelle globale. Le CRE LW à la surface est particulièrement important dans les régions polaires, où les nuages peuvent avoir un effet sur la fonte des glaces. En colocalisant instantanément le CRE LW à la surface et les observations de la banquise dans les régions où la concentration de la banquise Arctique varie, nous avons montré que les grandes valeurs du CRE LW à la surface (> 80 W/m2 ) sont beaucoup plus fréquentes au-dessus des océans ouverts que de la banquise en fin d’automne. Nos résultats suggèrent que les nuages peuvent retarder la reconstruction de la banquise plus tard dans la saison
Clouds play an important role in regulating Earth’s energy budget at the surface. For example, clouds absorb thermal radiation emitted by Earth’s surface and reemit it toward the surface and warming the surface. This can be quantified through surface LongWave (LW) Cloud Radiative Effect (CRE). However, surface LW CRE on a global scale is not well retrieved and its instantaneous and interdecadal variability is poorly known. Indeed, it depends highly on vertical cloud distribution, which is poorly documented globally. In this thesis, we propose to retrieve the surface LW CRE over 13 years (2008 − 2020) at a global scale using Cloud–Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) spaceborne lidar observations. From 1D radiative transfer computations, we establish linear parametrizations between surface LW CRE and cloud properties including cloud altitude. Combining the parametrizations with the cloud observations, we derive two datasets of surface LW CRE, at monthly–2° × 2° gridded scale and instantaneously at full CALIPSO horizontal resolution (90 m cross-track; 330 m along orbit-track). We found that clouds warm the surface by 27.0 W/m2 over the 2008 − 2020 time period at a global scale. Surface LW CRE is particularly important in polar regions such that clouds may have an effect on ice melting. By instantaneously co-locating surface cloud warming and sea ice observations in regions where sea ice varies, we showed that large surface cloud warming values (> 80 W/m2 ) are much more frequent over open water than over sea ice during late Fall. Our results suggest that clouds may delay sea ice freeze-up later into the Fall

Afin de mieux comprendre les processus et les interactions entre l'atmosphère, la glace de mer et l'océan en arctique, un financement EQUIPEX a permis de développer et déployer le projet IAOOS (Ice-Atmosphere-Ocean-Observing-System) de réseau de bouées multi-instrumentées. Pour la partie atmosphère un LiDAR rétrodiffusion innovant a été développé pour répondre aux contraintes du projet et de l'environnement arctique. Un modèle analytique du rapport signal sur bruit en air clair a permis de préciser les paramètres clés de la conception. Des simulations numériques ont ensuite permis d'affiner les performances du système. Un prototype évolutif a été réalisé dans le planning serré de cet EQUIPEX, avant la mise en œuvre d'une première bouée complète au Pôle Nord en avril 2014, qui a fonctionné jusqu'en décembre 2014. Un second déploiement de deux bouées a ensuite été réalisé à l'occasion de la campagne N-ICE de janvier à juin 2015, dont l'une était équipée d'une version polarisée du LiDAR. Les deux campagnes ont permis d'obtenir des premières statistiques de la distribution des aérosols et des nuages en arctique central avec un système LiDAR autonome. Les premiers résultats montrent la présence de couches d'aérosols assez fréquentes au printemps dans la moyenne troposphère et des nuages bas très fréquents. Les mesures LiDAR ont été utilisées pour effectuer une estimation des flux infrarouge et visible descendants. Les résultats des deux premiers déploiements et les comparaisons avec des analyses et des sorties du modèle WRF fournissent des premiers éléments sur l'apport que pourra présenter ce réseau de bouées multi-instrumentées en région centrale arctique
To improve our knowledge of the processes and interactions which occur in Arctic between atmosphere, sea ice and ocean, an EQUIPEX funding was granted to the IAOOS project. This improvement will be reached by deploying a network of multi-instrumented buoys. For the atmospheric analyses an innovative backscattering LiDAR meeting with constraints of the project and arctic environment has been developed. An analytical model of signal to noise ratio in clear sky led to the instrumental key parameters, and numerical simulations helped in improving the system performances. An evolutive prototype has been realized within the tight planning of this EQUIPEX. The first whole equiped buoy was deployed close to the north pole in April 2014 and worked until the beginning of December 2014. A second deployment of two buoys, including a polarized version, was then realized within the N-ICE campaign from January to June 2015. These first campaigns gave first statistics of aerosols and clouds distribution in the central arctic region with an autonomous LiDAR. First results show frequent aerosols layers in mid-troposphere during spring, as well as a high occurence of very low clouds. LiDAR measurements were also used to estimate downwelling longwave and shortwave at surface. Results obtained from these first deployments and comparisons with analysis and outputs from the WRF model show a first overview of what can be expected from this network of multi-instrumented buoys in the central arctic region

Le processus de la photosynthèse nécessite l'énergie de la lumière solaire et, dans l’océan, se déroule essentiellement dans la couche euphotique. Outre les autres variables (à savoir la chlorophylle a et les paramètres photosynthétiques), une connaissance appropriée du champ lumineux en termes de rayonnement incident disponible sur la photosynthèse (PAR) à un emplacement, une profondeur et une heure et une date donnés, est requise par les modèles d'écosystème marin. Le travail inclus dans cette thèse examine comment des angles de zénith solaires plus grands et différentes conditions nuageuses caractéristiques des régions de haute latitude, en particulier dans l'Arctique, peuvent affecter la précision des estimations de l'éclairement de surface et dans la colonne d’eau. L’accent est également mis sur les variations du champs lumineux à haute fréquence liées à la nébulosité sur les estimations de la productivité primaire. Les PAR de surface estimés à partir de différents modèles ont été comparés à des mesures en série chronologique in situ à haute fréquence de données de PAR d'une bouée située en mer Méditerranée. Nous avons examiné comment les incertitudes dues aux angles de zénith solaires plus grands, en conditions nuageuses variables, pouvaient affecter la précision des estimations de l'éclairement de surface. La méthode de classement objectif a été utilisée pour identifier les meilleures méthodes. Le produit PAR de la NASA-Ocean Biology Processing Group (OBPG) a montré les meilleures performances globales, tandis que les PAR basées sur la méthode de la table de conversion (LUT) ont présenté les meilleures performances en termes de différence carrée moyenne, de biais sous ciel clair et également par temps couvert. D'autres méthodes basées sur des formulations empiriques ont montré la troisième meilleure performance par temps clair, tandis que par temps nuageux, elles présentaient de plus grandes incertitudes. Trois méthodes testées par faible ensoleillement ont montré des incertitudes allant jusqu'à 50% dans toutes les conditions du ciel. Les performances du modèle dépendent des propriétés et des produits de nuage...
Le processus de la photosynthèse nécessite l'énergie de la lumière solaire et, dans l’océan, se déroule essentiellement dans la couche euphotique. Outre les autres variables (à savoir la chlorophylle a et les paramètres photosynthétiques), une connaissance appropriée du champ lumineux en termes de rayonnement incident disponible sur la photosynthèse (PAR) à un emplacement, une profondeur et une heure et une date donnés, est requise par les modèles d'écosystème marin. Le travail inclus dans cette thèse examine comment des angles de zénith solaires plus grands et différentes conditions nuageuses caractéristiques des régions de haute latitude, en particulier dans l'Arctique, peuvent affecter la précision des estimations de l'éclairement de surface et dans la colonne d’eau. L’accent est également mis sur les variations du champs lumineux à haute fréquence liées à la nébulosité sur les estimations de la productivité primaire. Les PAR de surface estimés à partir de différents modèles ont été comparés à des mesures en série chronologique in situ à haute fréquence de données de PAR d'une bouée située en mer Méditerranée. Nous avons examiné comment les incertitudes dues aux angles de zénith solaires plus grands, en conditions nuageuses variables, pouvaient affecter la précision des estimations de l'éclairement de surface. La méthode de classement objectif a été utilisée pour identifier les meilleures méthodes. Le produit PAR de la NASA-Ocean Biology Processing Group (OBPG) a montré les meilleures performances globales, tandis que les PAR basées sur la méthode de la table de conversion (LUT) ont présenté les meilleures performances en termes de différence carrée moyenne, de biais sous ciel clair et également par temps couvert. D'autres méthodes basées sur des formulations empiriques ont montré la troisième meilleure performance par temps clair, tandis que par temps nuageux, elles présentaient de plus grandes incertitudes. Trois méthodes testées par faible ensoleillement ont montré des incertitudes allant jusqu'à 50% dans toutes les conditions du ciel. Les performances du modèle dépendent des propriétés et des produits de nuage...
The process of photosynthesis requires the energy from sunlight and takes place essentially in the euphotic layer of the oceans. In addition to other variables (i.e., chlorophyll a and photosynthetic parameters) a suitable knowledge of light field in terms of photosynthetically available radiation (PAR) at any given location, depth and time is an important input parameter required by marine ecosystem models. The work included in this thesis examines how larger solar zenith angles, different cloud conditions that are characteristic features of high latitude regions, especially in Arctic, might affect the accuracy of surface irradiance estimates. Further, main focus was on the effects of high frequency variations in the light field on primary production. Surface PAR estimated from different models were compared with high frequency in situ time series measurements of PAR a buoy located in Mediterranean Sea. It was examined how uncertainties due to larger solar zenith angles under varying cloud conditions might affect the accuracy of surface irradiance. Objective ranking method was used to identify the best methods. Methods tested under low sun elevations exhibited uncertainties as large as 50% under all sky conditions. Model performances were dependent on cloud properties and products. Accuracy of a semianalytical model for coefficient of vertical diffuse attenuation of surface irradiance (kd!) based on optical properties inherent to the water itself (absorption and scattering), and solar zenith angle was examined under larger solar zenith angels and cloud conditions. Extensive radiative transfer simulations were performed to quantify the uncertainties due to large solar zenith angles and clouds on the estimates of diffuse attenuation coefficient. The uncertainties under both these conditions are due to the variability in the proportions of direct and diffuse parts of the total irradiance reaching the surface and in the water column. Also, an improved model parameterization proposed to estimate !"# under large solar zenith angels and cloud conditions was evaluated with Arctic in situ data exhibited good performances...
The process of photosynthesis requires the energy from sunlight and takes place essentially in the euphotic layer of the oceans. In addition to other variables (i.e., chlorophyll a and photosynthetic parameters) a suitable knowledge of light field in terms of photosynthetically available radiation (PAR) at any given location, depth and time is an important input parameter required by marine ecosystem models. The work included in this thesis examines how larger solar zenith angles, different cloud conditions that are characteristic features of high latitude regions, especially in Arctic, might affect the accuracy of surface irradiance estimates. Further, main focus was on the effects of high frequency variations in the light field on primary production. Surface PAR estimated from different models were compared with high frequency in situ time series measurements of PAR a buoy located in Mediterranean Sea. It was examined how uncertainties due to larger solar zenith angles under varying cloud conditions might affect the accuracy of surface irradiance. Objective ranking method was used to identify the best methods. Methods tested under low sun elevations exhibited uncertainties as large as 50% under all sky conditions. Model performances were dependent on cloud properties and products. Accuracy of a semianalytical model for coefficient of vertical diffuse attenuation of surface irradiance (kd!) based on optical properties inherent to the water itself (absorption and scattering), and solar zenith angle was examined under larger solar zenith angels and cloud conditions. Extensive radiative transfer simulations were performed to quantify the uncertainties due to large solar zenith angles and clouds on the estimates of diffuse attenuation coefficient. The uncertainties under both these conditions are due to the variability in the proportions of direct and diffuse parts of the total irradiance reaching the surface and in the water column. Also, an improved model parameterization proposed to estimate !"# under large solar zenith angels and cloud conditions was evaluated with Arctic in situ data exhibited good performances...

Cette thèse s'inscrit dans les projets de validation des satellites CALIPSO et CloudSat de L'A-Train dédiés à l'étude des nuages, afin d'améliorer leur représentation dans les modèles de prévision du climat. La validation a consisté à mesurer les paramètres microphysiques et optiques des nuages au moyen d'instruments in situ aéroportés (PMS, Néphélomètre Polaire,CPI). Plusieurs campagnes ont été réalisées en région Arctique (ASTAR 2007 et POLARCAt) et en cirrus aux latitudes moyennes CIRCLE-2) au cours desquelles les observations in situ ont été colocalisées avec celles des satellites. La méthode de traitement du CPI a été améliorée pour la restitution des paramètres microphysiques et du facteur de réflectivité radar (Z). Concernant la validation de CLIPSO, deux situations en cirrus montrent un bon accord entre les coefficients d'extinction (sigma) in situ et restitués, validant ainsi les hypothèses dans l'inversion du lidar. Pour une autre situation, l'effet d'orientation de cristaux de forme plane et hexagonale conduit à des réflexions spéculaire du faisceau lidar et à une surestimation de sigma restitué. A l'opposé des valeurs in situ de sigma plus élevées que CALIOP sont observées lors d'une situation de cirrus avec des cristaux de grande dimension. Les effets de fragmentation de ces cristaux peuvent se traduire par la génération de petites particules avec pour conséquence une surestimation de sigma mesurée. Quant à la validation de CloudSat les résultats montrent un bon accord entre Z CloudSat at ZCPI. En revanche, les parammètres nuageux restitués sont largement surestimés en particulier dans les nuages mixtes où le schéma d'inversion basé sur la température est mal adapté

Dus aux conditions uniques en Arctique (des températures et aux rapports de mélange de vapeur d'eau extrêmement bas, à la réflexivité élevée des surfaces de la glace de mer et de la neige, inversion de température dans la basse troposphère et à l'absence de la radiation solaire pendant des périodes prolongées), les processus macro et microphysiques contrôlant la formation des nuages sont complexes et uniques. La validation de ces paramètres atmosphériques simulés par les différents modèles numériques du climat présentement utilisés par les plus grands centres de recherche au monde avec les observations est indispensable pour mieux connaître et, par conséquent, mieux paramétriser ces processus complexes. Le nouveau Modèle Canadien Régional du Climat GEM-LAM (une version à aire limitée du modèle Global Environnemental à Multi-échelle) a été évalué pour la période de septembre 1997 à octobre 1998 au-dessus de l'océan Arctique Ouest. Cette période coincide avec la campagne de mesures du projet SHEBA (Surface Heat Budget of the Arctic Ocean). Les versions 3.2.2 et 3.3.0 du modèle sont évalués dans cette étude. La radiation solaire et terrestre vers le bas à la surface, l'albédo de surface, la vapeur d'eau dans la verticale, les contenus en eau liquide et solide et la couverture nuageuse simulés par GEM-LAM sont évalués avec les données d'observation SHEBA et comparés aux résultats des modèles participants à l'expérience d'inter-comparaison de modèles climatiques régionaux ARCMIP. Une comparaison plus poussée entre les moyennes journalières a été faite et les biais des modèles, le RMSE et le coefficient linéaire de corrélation sont calculés pour plusieurs champs radiatifs et microphysiques. Sur une base mensuelle, les modèles représentent la radiation des longues et courtes longueurs d'onde vers le bas à la surface raisonnablement bien, mais le décalage entre les simulations suivant les différents modèles est plus grand pour les SWD que pour les LWD à la surface. GEM-LAM surestime l'albédo de la surface pendant toutes les saisons dans cette expérience. De plus, le modèle GEM se comporte similairement aux autres modèles participant à cette expérience et tend à sous-estimer la quantité de vapeur d'eau intégrée verticalement pendant l'hiver, tandis que le GEM la surestime durant l'été. La majorité des modèles surestime la couverture nuageuse hivernale, par contre, ils simulent plus ou moins correctement la couverture nuageuse durant l'été. Sur une base quotidienne, tous les modèles participant à l'expérience ARCMlP simulent relativement bien la radiation des courtes longueurs d'onde vers le bas à la surface, mais les valeurs quotidiennes de l'eau liquide intégrée à la verticale sont légèrement moins bien simulées. Les deux versions du modèle GEM-LAM (v3.2.2 et v3.3.0) ont aussi de la difficulté à bien simuler la couverture nuageuse sur une base quotidienne comme les autres modèles participant à cette expérience. Les nuages optiques minces sont l'une des raisons permettant d'expliquer le grand écart entre la couverture des nuages simulée par les modèles et les observations. Pour éliminer ce problème dans notre analyse, un filtre des nuages optiquement minces a été appliqué en sortie du modèle GEM -LAM. Après filtrage des nuages optiquement minces dans le modèle GEM, pour chaque filtre sélectionné (0,5, 1, 1,5, 2), la couverture nuageuse décroit significativement durant la saison hivernale. Par contre, la couverture nuageuse est insensible au filtre durant la saison estivale. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Arctique, Modélisation, GEM-LAM, SHEBA, ARCMIP, Radiation, Couverture nuageuse.

Les sulfates issus de la pollution industrielle d'Eurasie et transportés à travers la basse troposphère arctique durant l'hiver sont soupçonnés d'altérer les propriétés des nuages au point d'affecter significativement le climat de cette région. Un de leurs effets potentiellement importants est l'inhibition du gel des gouttelettes en cristaux de glace (effet IGIS), qui favoriserait les nuages formés de cristaux à grande taille et déclencherait un mécanisme associé à une anomalie de refroidissement à la surface. Grâce à de récentes données satellitaires, issues des missions CloudSat et CALIPSO, les implications escomptées de l'effet IGIS peuvent être testées à l'échelle de l'Arctique. La superposition des observations quasi-simultanées du radar de CloudSat et du lidar de CALIPSO a permis de développer une nouvelle classification des nuages arctiques centrée sur le rayon effectif des cristaux de glace. Un proxy de la concentration en sulfates dans les parcelles d'air non-nuageuses a aussi été élaboré à partir des mesures du lidar, et validé à partir de mesures in situ. Différents tests de corrélation entre d'une part les propriétés des nuages glacés censés êtres les plus affectés par l'effet IGIS (nommés TIC-2B) et d'autre part le proxy de la concentration en sulfates ont été conduits afin d'approfondir notre compréhension de cet effet. Des limites méthodologiques, entre autres l'impossibilité d'estimer les concentrations en sulfates à l'intérieur des nuages, ont empêché l'atteinte de conclusions définitives. Cependant, les distributions géographiques des TIC-2B el du proxy sont cohérentes avec un effet IGIS ayant lieu durant le transport de la pollution eurasienne vers les mers de Chukchi et de Beaufort. Enfin, les propriétés macrophysiques des nuages stratiformes en phase mixte, potentiellement affectés eux aussi par l'effet IGIS, ont été caractérisées. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : climat arctique, sulfates, nuages, effet indirect des aérosols, données satellitaires.

Les stratus arctiques en phase-mixte sont fréquemment observés en Arctique, particulièrement lors des saisons de transition. Les observations ont montré qu'ils ont un impact considérable sur le bilan énergétique en surface. Ces nuages sont caractérisés par une instabilité colloïdale et par des interactions complexes avec les aérosols qui compliquent la simulation numérique de ces nuages. Des études antérieures ont montré que les modèles ont tendance à sous-estimer la quantité d'eau liquide et à prédire une quantité de glace supérieure à celle observée. Cette mauvaise partition des phases dans les nuages simulés fausse la simulation de la durée de vie des nuages ainsi que le forçage radiatif en surface. Les procédés microphysiques responsables de la partition de l'eau liquide et de la glace dans les stratus arctique en phase-mixte ne sont pas encore totalement compris et nécessitent des études plus approfondies. L'objectif de ce projet de recherche est d'évaluer la performance de quatre schémas microphysiques pour la simulation des nuages arctiques en phase-mixte observés lors de la campagne Mixed-Phase Arctic Clouds Experiment (M-PACE) qui a eu lieu sur la côte nord de l'Alaska à l'automne 2004. Les schémas ont été implantés dans le modèle canadien Global Environnemental Multi Échelle à aire limitée (GEM-LAM) et les simulations sont faites à une résolution horizontale de 2,5km. Les quatre schémas sont de complexité différente, deux sont à simple moment et deux sont à double moment. Les résultats montrent que tous les schémas surestiment la quantité d'eau liquide et ont de la difficulté à reproduire les nombreuses couches nuageuses observées. L'analyse des résultats a montré que tous les schémas ont de la difficulté à bien partitionner les phases liquide et solide. De plus, l'implantation de paramétrage plus complexe pour la nucléation hétérogène de la glace permet d'améliorer les résultats pour les schémas à simple moment, mais a peu d'effets pour les schémas à deux moments. Les schémas à double moment comporte un plus grand nombre de procédés qui peuvent influencer les résultats. Il en ressort que modifier les paramétrages de nucléation primaire dans ce type de schéma a des effets limités sur les résultats. La modification du paramétrage du gel par déposition dans le schéma de Morrison et al. par un paramétrage plus complexe basé sur les travaux de Eastwood et al. (2009) a eu très peu d'influence sur les résultats et n'a pas permis d'augmenter la quantité de glace simulée. Par contre, l'implantation de ce même paramétrage combiné à l'implantation de paramétrages plus performants pour le gel par immersion et par contact dans le schéma de Kong et Yau a permis d'augmenter la quantité de glace simulée dans les nuages en phase-mixte et d'améliorer la simulation de la structure verticale du contenu en eau liquide. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Microphysique des nuages, Modélisation numérique, Climat arctique, GEM-LAM.