Ce manuscrit est structuré en quatre parties : une partie introductive (I) qui se conclura à l’occasion du prochain chapitre par quelques rappels théoriques concernant les méthodes de Monte Carlo et les simulations de couche limites convectives à haute résolution ; une partie
II exposant les outils mis en place pour répondre au besoin de réappropriation des questions radiatives par les physiciens modélisateurs de l’atmosphère ; une partie III proposant des études du transfert radiatif en atmosphère nuageuse, utilisant la chaine d’outil préalablement décrite ; une partie IV de conclusions et perspectives. Cette thèse est évidemment un tout, mais pour que chaque chapitre puisse être lu indépendamment des autres et potentiellement par des lecteurs issus d’horizons différents, ils possèdent le plus souvent une introduction, un résumé des contributions principales et une section de références.
2.3.1 Développement et utilisation d’outils de référence
La partieIIdécrit la chaine d’outils permettant d’attaquer les questions scientifiques liées aux effets radiatifs 3D des nuages de couche limite. Comme je l’ai écrit ici, ces outils ainsi que les réflexions qui ont motivé leur développement font partie intégrante de mes problématiques de thèse. Le Chapitre 4 est introduit par quelques paragraphes permettant de donner plus précisément la largeur du contexte scientifique dans lequel s’inscrivent les développements Monte Carlo qui font l’objet du chapitre. Les deux branches de développement sont ensuite exposées : dans un premier temps les algorithmes de Monte Carlo effectivement utilisés dans le reste du manuscrit sont décrits, discutés et illustrés ; dans un second temps, la publication qui décrit les bibliothèques Monte Carlo mentionnées ci-avant et illustre leur mise en oeuvre pour le transfert radiatif atmosphérique est donnée dans sa version originale et suivie de quelques remarques supplémentaires. A l’issue de ce chapitre, la chaine d’outils radiatifs est en place. Le Chapitre 5 présente la partie de la chaine qui correspond à la production de la donnée nuageuse. Ayant investi beaucoup de temps dans cette partie, elle débute par un état de l’art des modèles atmosphériques à haute résolution (LES), puis décrit le modèle français Meso-NH, utilisé dans nos travaux. Cette description est loin d’être exhaustive mais permet d’appréhender la suite du chapitre. Avant de présenter les différentes simulations nuageuses, les outils d’identification, segmentation et caractérisation d’objets sont décrits et illustrés. Afin d’évaluer la robustesse du modèle dans sa représentation des cumulus, diverses simulations ont été réalisées avec des configurations perturbées du modèle, pour quatre cas de cumulus dont deux continentaux et deux marins. Ces simulations sont décrites et analysées
en détail, c’est-à-dire en termes de caractéristiques des populations nuageuses. J’aime l’idée défendue, entre autres, par W. J. Wiscombe dansMarshak et Davis [2005], selon laquelle la science avance grâce aux outils, plus que par l’émergence de grandes idées originales. Sans outils adaptés, les idées ne pourraient pas s’exprimer dans toute leur complexité. Dans les développements présentés aux chapitres 4 et 5, les approches sont basées sur les processus physiques et sous-tendent une vision intégrée de leur analyse : les simulations Monte Carlo de suivi de chemin intègrent naturellement la complexité des processus et du milieu dans lequel l’énergie se propage, tout en étant fondamentalement basées sur la physique du transport ; l’identification d’objets dans les champs explicites doit être basée sur un critère physique qui définit finement les structures à analyser et permet l’étude des caractéristiques intégrées sur une population.
2.3.2 Caractérisation des interactions nuages–rayonnement
Le premier chapitre de la partie III propose une analyse du transfert radiatif en milieu nuageux, utilisant les méthodes de Monte Carlo et les champs de cumulus produits et analysés préalablement. Les flux sont calculés en 3D et en 1D afin d’estimer l’effet du transport hori- zontal entre les colonnes du domaine nuageux sur les flux totaux intégrés en surface, c’est-à- dire sur les effets radiatifs 3D des nuages. Etant donné la connaissance des caractéristiques nuageuses acquise par l’analyse des populations de cumulus dans les différentes simulations effectuées, les liens de corrélation entre ces caractéristiques et les effets 3D en surface sont analysés, en fonction de l’angle solaire. Pour essayer d’aller plus loin dans l’analyse des pro- cessus radiatifs en jeu, les effets 3D sont décomposés en parties directe et diffuse. Plutôt que d’investir dans des outils statistiques qui permettraient de tirer plus d’information des métriques radiatives estimées dans cet ensemble de scènes de cumulus, une stratégie dif- férente est adoptée. Un champ de cumulus typique est sélectionné et modifié de façon à isoler l’impact de quelques caractéristiques choisies à l’avance sur les effets radiatifs 3D des nuages : l’hétérogénéité horizontale du champ d’extinction, le rapport d’aspect des nuages, l’orientation du champ par rapport au soleil. Pour cette troisième expérience, un nouveau champ nuageux est introduit afin d’étudier l’effet de l’orientation d’une scène nuageuse or- ganisée en rouleaux, contrastant avec l’organisation plus aléatoire des cumulus convectifs. En dernier lieu, étant donné que les effets radiatifs 3D des nuages peuvent changer de signe avec l’angle solaire, un calcul intégré sur un cycle diurne, à différentes latitudes, est présenté pour les champs étudiés dans la section précédente : le champ d’origine et deux champs modifiés qui ont les mêmes profils moyens mais des caractéristiques 3D différentes (en termes d’hétérogénéité horizontale de l’eau liquide et de taille de nuages).
2.3.3 Évaluation de la représentation des interactions nuages–rayonnement
Le second chapitre de la partie IIIdécrit des travaux autour d’une paramétrisation récente des effets 3D pour les modèles de grande échelle, SPARTACUS [Hogan et collab.,2019,2016; Hogan et Shonk,2013;Schäfer et collab.,2016]. Une partie de ces travaux est de l’ordre du développement, ou comment j’ai pu utiliser les outils décrits aux chapitres 4 et 5 pour aider au développement d’une composante de la paramétrisation des effets radiatifs 3D des nuages. Une deuxième partie est de l’ordre de l’évaluation : de l’estimation des composantes directe et diffuse à l’aide d’observations et de calculs de référence dans un premier temps, et de l’impact des paramètres qui permettent de décrire le milieu nuageux sur les effets 3D à la surface, à l’aide de calculs Monte Carlo, dans un second temps. Une troisième partie propose une exploration du comportement de SPARTACUS à l’aide d’outils de calibration automatique. On cherche ainsi à caractériser la sensibilité du modèle à la représentation du milieu nuageux, et à déterminer si la paramétrisation des effets 3D est complète : tous les processus 3D sont-ils représentés explicitement dans cette paramétrisation, auquel cas il doit exister un jeu de paramètres permettant de reproduire fidèlement les calculs radiatifs de
référence pour un ensemble de scènes nuageuses ? Ou bien l’espace des paramètres exploré ne donne-t-il jamais de résultats satisfaisants ce qui signifierait que certains processus ne sont pas encore représentés dans SPARTACUS ?
2.3.4 Conclusions et perspectives
Du développement de nouveaux outils d’une part, et de ma tentative de répondre aux ques- tions scientifiques de la communauté du rayonnement atmosphérique de grande échelle d’autre part, ont découlé de nouveaux questionnements plus que de fermes réponses : des perspec- tives se dessinent à l’horizon. Chaque chapitre se termine déjà par un résumé des conclusions principales à tirer des travaux qu’il décrit. Les conclusions données dans la partie IV sont donc très brèves et j’y propose plutôt une tentative de prise de recul sur ce qu’est cette thèse. Vous y trouverez ensuite un texte présentant une partie des questions qui se sont ouvertes sous mes pieds à mesure que j’avançais, les endroits que j’aurais voulu visiter plus en avant, les pistes que j’envisage d’explorer dans les années à venir, et celles qui ne m’appartiennent pas mais qui découlent naturellement d’un engagement collectif dans lequel je me suis inscrite, le temps de ces recherches.
Eléments théoriques sur les outils
et concepts majeurs de la thèse
“Big whorls have little whorls ” Lewis Richardson, 1922
Sommaire
3.1 Méthodes de Monte Carlo . . . 36