Les moyennes mensuelles des fréquences d'occurrence des nuages de mi-niveau obtenues à partir des modèles de climat sont illustrées sur la figure 7.1. Comme pour les données sol, nous avons appliqué un critère de sélection sur les mailles nuageuses : la fraction nuageuse doit être supérieure à 2% dans la maille. En effet, certains modèles semblent dans l’incapacité de simuler des valeurs nulles de fraction nuageuse. Comme dans nos travaux précédents, nous avons appliqué une classification en quatre types nuageux. Les profils mensuels des fréquences d'occurrence de ces autres types : convection, convection peu profonde, cirrus et autres sont illustrés dans l'annexe (C).
Figure 7.1: Evolution annuelle de la fréquence d'occurrence mensuelle des nuages de mi- niveau à Niamey obtenue à partir (a) des modèles de climat du projet CMIP5 en configuration AMIP et (b) des différentes configurations du modèle CNRM-CM.
D'après la figure 7.1, l'ensemble des modèles génère des nuages de mi-niveau, majoritairement durant la période de mousson. Peu de modèles parviennent à simuler ce type de nuages en hiver. Toutefois, en janvier, février et mars, le modèle HadGEM2-A présente une forte occurrence de nuages de mi-niveau ; il en présente même davantage en mars comparé à certains mois pendant la période de mousson. Pendant la période de mousson, les fréquences d'occurrence entre les modèles peuvent varier du simple au double. Les modèles CNRM-CM6 et IPSL-CM5A-LR possèdent les plus fortes occurrences. Roehrig et al. (2013) mentionnent
également que le modèle IPSL-CM5A-LR est parmi ceux qui possèdent une des plus fortes occurrences vers 6 km d'altitude par rapport aux autres modèles de climat en août pour la période 1979-2008 sur ce même site. Dès le mois de juillet, les modèles ont tendance à tous générer des nuages de mi-niveau avec une fréquence d'occurrence supérieure à 2%. Cette valeur grimpe à 5% en août. On note toutefois qu'en septembre voire octobre l'occurrence dans certains modèles (CanAM4, CNRM-CM6, HadGEM2-A et IPSL-CM5A-LR) est la plus importante de l'année. En novembre, CNRM-CM6 produit encore un grand nombre de nuages de mi-niveau tout comme MPI-ESM-LR en décembre. Notons également que les pics d'occurrence de ces nuages varient entre 3 (CNRM-CM5) et 7 (IPSL-CM5A-LR) km d'altitude. En conclusion, on note une grande variété de la fréquence d’occurrence d’un modèle à un autre ainsi que du niveau vertical de maximum d’occurrence.
Au travers de la figure 7.1 (b), nous pouvons voir l'évolution en termes de fréquences d'occurrence des nuages de mi-niveau lors du changement des paramétrisations physiques du modèle CNRM-CM ((i) CNRM-CM5 et (ii) CNRM-CM6 non-nudgé et nudgé). On observe une forte augmentation de l'occurrence de ces nuages dans CNRM-CM6 par rapport à CNRM-CM5 qui est quasiment doublée voire triplée suivant les mois. La configuration nudgée du modèle CNRM-CM6 produit des résultats contrastés avec parfois davantage de nuages que CNRM-CM6 non-nudgé notamment pendant la période de mousson. Pendant l'hiver, elle tend à diminuer l'occurrence de ces nuages qui sont générés en très grand nombre dans la configuration non-nudgée. Le pic d'occurrence observé vers 3 km d'altitude pour CNRM-CM5 est maintenant situé plus haut vers 5-6 km d'altitude ou parfois légèrement en dessous comme en octobre et novembre pour les deux configurations du modèle CNRM- CM6.
Afin de comparer les simulations des nuages obtenues à partir des modèles de climat aux observations des données sol obtenues sur le site de Niamey en 2006, nous prenons en compte la limitation en sensibilité du radar de l’AMF qui est estimée à -56 dBZ à 1 km. Une maille est donc considérée nuageuse et observable par la combinaison radar-lidar de ce site si le contenu en eau liquide est supérieur à 10-5 kg.kg-1; ce seuil est identique à celui utilisé dans les LES (Large Eddy Simulation) (vanZanten et al. 2011). Le contenu en glace a quant à lui été transformé en réflectivité selon la relation proposée par Liu and Illingworth (2000) : IWC = 0.137*Z0.643 à 94 GHz avec IWC en g.m-3. Une maille du modèle est donc considérée comme nuageuse si sa réflectivité déduite de son contenu en glace est supérieure à la sensibilité du radar à cette altitude. En appliquant un tel seuil, on ne considère pas les situations où le modèle génère un nuage qui aurait été trop fin pour être observé par le radar. On notera que ces mêmes critères ont été retenus y compris pour la période où seul le lidar opérait. L’altitude de la possible extinction du signal lidar n’ayant pas été calculée. La prise en compte des effets instrumentaux du lidar dans le modèle aurait tendance à abaisser l’altitude du sommet des nuages lorsque seul cet instrument est disponible mais pourrait permettre de conserver dans notre échantillonnage des situations de nuages très fins non observables par le radar.
La comparaison des profils mensuels de fréquences d'occurrence des nuages de mi- niveau issus des modèles de climat et des observations est montrée sur la figure 7.2. Globalement, les résultats sont similaires à ceux obtenus sur la figure 7.1. Toutefois, on notera une forte diminution de l'occurrence de ces nuages dans le modèle HadGem2-A provenant du fait que ce modèle simule des contenus en eau et glace très faibles correspondant à des situations nuageuses qui ne seraient pas détectés par le radar. Durant la période de mousson, peu de modèles parviennent à générer un pic d'occurrence aussi haut que celui des observations ; seul CNRM-CM6 et les deux modèles IPSL-CM5 présentent cette augmentation de l’occurrence en altitude. Toutefois, l'amplitude de ce pic est parfois
surestimée : en août pour CNRM-CM6 et très fortement en septembre pour IPSL-CM5A-LR. Par rapport au modèle IPSL-CM5A-LR, le modèle IPSL-CM5B-LR produit moins de nuages de mi-niveau. Cette particularité a également été notée durant le mois d'août sur ce même site dans la figure 18 de Roehrig et al. (2013). De plus, dans ces deux modèles nous notons de fortes variabilités inter-mensuelle durant la période de mousson. Le modèle MPI-ESM-LR sous-estime l’apparition de ces nuages en période de mousson. Toutefois, il présente une occurrence substantielle durant le mois de décembre alors qu’il n’y a pas durant ce mois de nuages observés sur le site sol. Les modèles CanAM4 et CNRM-CM5 présentent un pic d'occurrence situé en-dessous de celui des observations.
Figure 7.2: Evolution annuelle de la fréquence d'occurrence mensuelle des nuages de mi- niveau obtenue à partir (a) des modèles de climat du projet CMIP5 en configuration AMIP et (b) des différentes configurations du modèle CNRM-CM. Le profil déduit des observations obtenues sur le site ARM de Niamey en 2006 est représenté en noir.
La figure 7.2 (b) montre clairement que CNRM-CM5 génère de faibles occurrences, situées plus bas, comparées à CNRM-CM6. La configuration nudgée de CNRM-CM6 présente des occurrences encore plus proches de celles des observations, suggérant une amélioration de la représentation des processus nuageux entre les deux versions du fait d'une meilleure représentation de la dynamique. On notera toutefois une surestimation des nuages de mi-niveau aux mois d’avril et mai par rapport aux observations dans les deux configurations de CNRM-CM6. Le pic d'occurrence de CNRM-CM6 se situe également à la même altitude que celui des observations.
On note donc en conclusion que les modèles génèrent tous des nuages de mi-niveau. Cependant, l'occurrence est pour une bonne part des modèles très faible comparée aux observations lorsque la sensibilité instrumentale est considérée. Roehrig et al. (2013) avaient également noté en Afrique de l'Ouest [-10°S-30°N, 10°W-10°E] que les modèles (sur 21 modèles) arrivaient difficilement à reproduire l'occurrence des nuages de mi-niveau observés à partir de CloudSat-CALIPSO même si certains capturaient partiellement leur occurrence tels que les modèles CanAM4 et IPSL-CM5B-LR. Toutefois, les développements récents dans la physique du modèle CNRM-CM montrent une amélioration de la représentation de ces nuages.