ANR-DFG - Appel à projets générique 2020 - DFG

Concentration en nombre des gouttelettes – restitutions satellitaires améliorées par modélisation atmosphérique pour l’analyse des interactions aérosols-nuages – CDNC4aci

Concentration en nombre des gouttelettes – restitutions satellitaires améliorées par modélisation atmosphérique pour l’analyse des interactions aérosols-nuages

Amélioration de la quantification du forçage radiatif anthropique lié aux interactions entre aérosols et nuages, par une méthode synergique utilisant observations satellitaires et modélisation à haute résolution spatiale pour de meilleures estimation du nombre de gouttelettes nuageuses.

Motivations et objectifs scientifiques

CDNC4aci a pour objectif principal de mener à une amélioration de nos connaissances des interactions entre les aérosols et les nuages, à travers le développement d’une méthode dédiée à l’estimation de la concentration en gouttelettes d’eau dans les nuages liquides à partir de mesures satellitaires.<br /><br />Les interactions entre aérosols et nuages sont aujourd’hui responsables des plus grandes incertitudes sur nos quantification du forçage radiatif liés aux émissions anthropiques d’aérosols, et ainsi donc sur les prévisions du changement climatique future. Un paramètre clé à la compréhension des ces interactions est la concentration en nombre de goulettes, puisque celui-ci est directement lié à la quantité d’aérosols dans l’atmosphère. Une augmentation anthropiques des aérosols mène donc à une augmentation du nombre de gouttelettes, ce qui rend les nuages plus réfléchissant (augmentation de la section efficace de diffusion du rayonnement solaire incident) et provoque un refroidissement de la surface par effet d’albedo. Cet effet, appelé forçage radiatif lié aux interactions entre aérosols - nuages, constitue d’après le GIEC une des incertitudes majeur sur nos prévisions climatiques. Cependant, il n’existe aujourd’hui aucun produit satellitaire dédié à l’estimation du nombre de gouttes. Les produits existants sont très approximatifs, ce qui mène à de fortes incertitudes sur la compréhension de ces effets.<br /><br />CDNC4aci propose, par une méthode synergique novatrice entre modélisation et observations satellitaires, de développer une base de donnée nouvelle et précise fournissant de façon globale la concentration en gouttelettes d’eau. Des estimations analytiques de cette quantité vont êtres obtenues à partir de des sorties de modèles à très haute résolution spatiale (fournies par le partenaire à Uni. Leipzig) afin de tester les capacité et limitations de notre nouvel algorithme de restitution. Ensuite, cet algorithme sera appliqué à des mesures satellitaires afin de créer une base de donnée qui sévira, en fin de projet, à estimer le forçage radiatif lié aux interactions aérosols-nuages.

CDNC4aci va améliorer nos connaissances actuelles sur la répartition globale de la concentration en nombre de gouttelettes d'eau par le développement et l'exploitation des résultats d'une méthode permettant des restitutions dédiées et précise de cette propriété par observations satellitaires.

Le développement de cette nouvelle méthode sera faite en synergie entre observations satellitaires et simulations de structures nuageuses à très haute résolution spatiale (environ 150 m) par des modèles numériques.

Des mesures analytiques («fausses«) d'instruments satellitaires seront obtenues à partir de ces simulations de structures nuageuses et des estimations du nombre de gouttelettes d'eau correspondantes pourront être obtenues. Ces estimations pourront ensuite être comparées à la «réalité« du modèle à haute résolution, et des biais pourront être estimés et réduits. Ce projet visera a utiliser cette méthode afin de tendre vers des estimations les plus précises possibles de cette quantité, pour différents types de nuages et en différentes configuration atmosphériques.

Une fois cette méthode de restitution considérée comme optimale, celle-ci sera appliquée à un grand nombre de données satellitaires (sur une longue période) pour créer une base de donnée nouvelle de la concentration en nombre de gouttelettes d'eau dans les nuages.

A partir de cette base de donnée, combinée avec des bases de donnée de propriété en aérosols, nous pourrons proposer une nouvelle estimation du forçage radiatif lié aux interactions aérosols nuages. Cette estimation devrait être plus précise que les précédentes mais aussi plus cohérente avec les estimations similaires obtenues à partir de la modélisation uniquement .

La première année de travaux de CDNC4aci, en accord avec les prévisions établies, a focalisé sur deux aspects: i) la caractérisation d’un algorithme permettant l’estimation directe du nombre de gouttelettes d’eau dans les nuages et ii) la simulation de mesures satellitaires analytiques réalistes à partir de sorties de modèles à haute résolution spatiale. Un travail collaboratif conséquent de développement algorithmique a donc été mené pour mener à bien cet objectif. Nous avons d’une part formalisé cet algorithme dit de restitution (doté d’un modèle de nuage adapté), et d’autre part connecté de façon adéquate l’algorithmes aux simulations de champs nuageux du modèle ICON. Notamment, une scène spécifique simulée par ICON et représentant un ensemble de nuages stratiformes et convectifs a été sélectionnée pour cette partie de développement.

L’un des résultats majeur de cette période est donc la création d’un algorithme capable de simuler de façon réaliste les observations d’un très grand nombre de satellites passifs à partir de simulations de champs nuageux de ICON. Un travail important de validation de ces simulations d’observations satellitaires, à travers des comparaisons à des observations réelles, a été mené durant cette période (ces travaux ont été présentés durant le symposium IRS). Cet algorithme, nommé S3COM (Satellite Simulator and Sandbox for Cloud Observation and Modelling) est maintenant publié sous license libre sur la plateforme GitHub (en accord avec les prévisions du plan de gestion de données) et est donc déjà accessible pour l’ensemble de la communauté.

Les travaux prévus pour le prochain trimestre focalisent sur l’amélioration de S3COM et notamment sa représentation optique des nuages liquides. En effet, S3COM utilise les simulations du code de transfert radiatif RTTOV (développements de EUMETSAT) qui ne traite que de façon approximative les nuages liquides. En collaboration avec le Centre d’Études en Météorologie Satellitaire (CNRM) nous allons, dans le cadre de CDNC4aci, proposer une amélioration significative de la représentation de ces nuages dans RTTOV. Ensuite, la sensibilité des mesures satellitaires aux paramètres atmosphériques sera calculée, ce qui mènera aux premières restitutions de la concentration en gouttelettes à partir de 2023.

Publication de l’algorithme S3COM sur GitHub : github.com/odrans/S3COM. Pour le moment en version v0.9-beta, la version 1.0 est prévue pour octobre 2022. Une library R permettant à la communauté d’utiliser et d’exploiter les résultats de S3COM de manière aisée est également publiée : https:// github.com/odrans/Rs3com . L’ensemble des développement techniques de CDNC4aci sont ici publiés sous license libre BSD-3 en cohérence avec une politique de science libre et permettant une collaboration proche, transparente et facilitée avec la communauté scientifique.

Amélioration de la représentation des nuages liquide dans le code de transfer radiatif de EUMETSAT, RTTOV. Ces améliorations pourraient être implémentée dans la version opérationnel.

Utilisation de S3COM dans le projet européen FORCeS (https://forces-project.eu/) pour calculer la sensibilité des mesures satellitaires aux champs nuageux, en vue de développement en applications d’intelligence artificielle.

Il est planifié que les résultats de CDNC4aci bénéficieront à des travaux d’un stage Master ainsi qu’une thèse à Uni. Lille prévue pour octobre 2023. L’algorithme S3COM sera ici utilisé pour estimer l’impact radiatif des couches d’aérosols situées au dessus des nuages (aspect non prévu dans CDNC4aci).

Deux publications référençant CDNC4aci sont en cours de révision:
- S. Dipu, M. Schwarz, A. Ekman, E. Gryspeerdt, T. Goren, O. Sourdeval, J. Mülmenstädt, J. Quaas: Exploring satellite- derived relationships between cloud droplet number concentration and liquid water path using a large-domain large- eddy simulation, TellusB, in revision.
Goren, T., G. Feingold, E. Gryspeerdt, J. Kazil, H. Jia, J. Kretzschmar, J. Quaas, Aerosol Tune the Stratus-to-Cumulus Transition, GRL, revised

Les interactions entre nuages et aérosols impliquent un forçage radiatif effectif qui constitue une incertitude clé dans la compréhension et l'interprétation du changement climatique observé. Des observations globales sont nécessaires à la quantification des processus liés à ces interactions, mais une quantité essentielle - la concentration en nombre de gouttelettes (CDNC, Nd) - n'est toujours pas disponible à partir des produits opérationnels satellitaires actuels. En construisant sur des avancées préliminaires des proposants, CDNC4aci travaillera vers des restitutions plus fiables de Nd à partir d'observations spatiales, notamment grâce à une interaction étroite entre observations et données issues de modèles numériques de prévisions. En effet, de nouvelles simulations réalistes de scenes nuageuses à haute résolution spatiale aideront au développement et au raffinement de la méthode de restitution de Nd et, en contrepartie, ces restitutions seront utilisées afin d'améliorer les processus d'interactions nuages-aérosols dans les simulations numériques. Pour ce faire, CDNC4aci combinera des mesures spatiales multi-spectrales avec des observations multi-angulaires et polarimétriques, afin d'améliorer de manière significative les restitutions existantes de Nd. Ce projet révisera également les approches actuelles de part l'utilisation de profiles verticaux de propriétés nuageuses réalistes, issues des modèles numériques, et ce pour une multitude de régimes nuageux. L'utilisation combinée d'observations et de modélisation numérique permettra de quantifier et de corriger les erreurs et biais associés aux restitutions de Nd. Ce projet évaluera aussi l'information des processus nuageux contenues dans les restitutions en utilisant des analyses basées sur la sensibilité du modèle numérique à haute résolution. Pour cela, les observations et les simulations numériques seront rendues comparables, grâce à la mise en place de simulateurs de données satellitaires pour les radiances polarisées et pour les produits de restitution. Les interactions aérosols-nuages seront alors quantifiées par des simulations de modèles climatiques globaux, qui auront au préalable été évalués par les nouvelles restitutions ainsi que par les simulations à haute résolution. Le but final de CDNC4aci est alors de proposer une quantification consistante du forçage lié aux interactions aérosols-nuages entre la modélisation et l'observation.

Coordination du projet

Odran SOURDEVAL (Laboratoire d'optique atmosphérique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LIM University of Leipzig / Institute for Meteorology
LOA Laboratoire d'optique atmosphérique

Aide de l'ANR 208 192 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2021 - 36 Mois

Liens utiles

Explorez notre base de projets financés

 

 

L’ANR met à disposition ses jeux de données sur les projets, cliquez ici pour en savoir plus.

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter