Cloud subgrid-scale variability parameterizations in the GEMCLIM model with the McICA methodology

Paquin-Ricard, Danahé (2014). « Cloud subgrid-scale variability parameterizations in the GEMCLIM model with the McICA methodology » Thèse. Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Doctorat en sciences de la Terre et de l'atmosphère.

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Résumé

La représentation des processus sous-maille reliés aux nuages demeure une source importante d'incertitudes dans les modèles climatiques. Plus particulièrement, l'interaction nuage-rayonnement dépend fortement de la manière dont est représentée la variabilité sous-maille des nuages dans les modèles. La méthode McICA a été proposée par Barker et al. (2002) et Pincus et al. (2003) afin de remplacer les hypothèses fixes des nuages implémentées dans les schémas de transfert radiatif par une représentation stochastique de la variabilité sous-maille des nuages. Cette méthode permet de relier beaucoup plus aisément les paramètres sous-mailles des nuages aux observations ou aux variables du modèle. Par contre, puisque les modèles sont souvent ajustés afin d'obtenir un bon budget radiatif au sommet de l'atmosphère, enlever les corrections constantes des nuages pourrait révéler d'autres biais, auparavant cachés. Cette thèse présente l'implémentation de la méthode McICA dans le modèle GEMCLIM ainsi qu'une analyse détaillée de ses impacts sur les différentes composantes du budget radiatif et sur la structure de l'atmosphère simulée. Les dépendances fondamentales des effets radiatifs de la variabilité sous-maille sont aussi analysées en parallèle avec les possibilités de paramétrages, basées sur les observations ou les variables du modèle, qui s'offrent avec cette méthode. Le cadre général de cette thèse est composé de simulations globales dont les mailles de la grille horizontale sont de 0.5° afin d'échantillonner le plus d'états possibles de nuages. Les simulations varient de 48 h à trois ans, limitées par le grand nombre de simulations requises pour tester les différents paramétrages. Seulement quelques simulations ont été étendues jusqu'à trois ans afin d'observer la réponse du modèle à plus long terme à la méthode McICA. Les effets radiatifs des différentes composantes la méthode McICA et des différents paramètres, sont étudiés sous plusieurs angles : des moyennes globales et zonales au sommet de l'atmosphère et à la surface, des profils verticaux moyens zonaux et des cartes de 0.5° de résolution horizontale. Les données satellites de CERES-EBAF, CERES-SYN1deg et SSM/I sont utilisées pour fin de comparaison et de validation des différentes simulations. Les résultats montrent que la méthode McICA, par l'introduction de l'inhomogénéité horizontale, réduit généralement l'albédo des nuages et leur émissivité, en comparaison au traitement homogène des nuages. Quant au changement d'hypothèse de recouvrement vertical, il produit des effets radiatifs opposés mais de second ordre, avec comme résultats, une tendance générale d'atténuation des effets radiatifs de l'inhomogénéité horizontale. Puisqu'un biais important dans le contenu en eau liquide des nuages simulés a été établi, l'implémentation de la méthode McICA dans le modèle GEMCLIM dégrade les performances du modèle en comparaison aux flux observés par CERES, autant à la surface qu'au sommet de l'atmosphère, puisque cette méthode n'est pas conçue pour corriger les biais des nuages simulés. Lorsqu'on compare aux corrections d'inhomogénéité existantes, l'introduction d'inhomogénéité horizontale par McICA est bien plus faible quant à sa réduction de l'albédo et de l'émissivité des nuages. La surestimation du contenu en eau liquide amplifie ces résultats puisque les effets McICA sont plus faibles pour des valeurs élevées de contenu en eau, alors que les effets des corrections existantes sont plus importants. Une fois la méthode implémentée dans le modèle, de petites modifications quant aux nuages bas sont visibles dans la structure atmosphérique simulée et ce, pour toutes les échelles de temps. Une fraction nuageuse et un contenu en eau réduits sont discernables, ce qui atténue les effets radiatifs totaux de McICA, excepté pour les flux de longues longueurs d'onde au sommet de l'atmosphère qui sont moins sensibles aux variations des nuages bas. D'un point de vue plus général, il est démontré que l'inhomogénéité horizontale de McICA varie en fonction de l'épaisseur optique des nuages, produisant plus d'effets à de faibles valeurs, comme la théorie le suggérait. De plus, les nuages de glace montrent un effet opposé pour les courtes longueurs d'ondes avec une augmentation de leur albédo, ce qui était aussi expliqué par la théorie. Les effets sont plus importants pour les courtes longueurs d'ondes que les longues longueurs d'ondes. Ceci s'explique par la relation de l'émissivité des nuages en fonction du contenu en eau qui sature plus rapidement que la relation de l'albédo des nuages en fonction du contenu en eau. Finalement, les effets McICA augmentent avec la fraction nuageuse puisque plus de nuages peuvent alors contribuer aux flux modifiés. Cette thèse porte aussi sur la comparaison de paramétrages de différentes complexités, autant pour l'inhomogénéité horizontale que pour le recouvrement vertical des nuages. Il est démontré que, pour le modèle GEMCLIM, l'inhomogénéité horizontale a plus de potentiel radiatif que le recouvrement vertical. De plus, dans la plupart des cas, les différentes combinaisons de paramètres produisent les effets attendus, excepté quelques cas où des interactions non-linéaires sont révélées. Les paramétrages qui dépendent de la phase des nuages ou de leur type (e.g. en fonction du déclenchement de la convection) sont prometteurs puisqu'ils sont plus physiquement réalistes (ils peuvent être basés sur des observations ou reliés aux processus nuageux simulés) et qu'ils produisent des effets radiatifs significatifs. Enfin, ces paramétrages permettront de relier les différents schémas de nuages d'un modèle de manière plus cohérente autant par les échelles sous-mailles que résolues.

Type: Thèse ou essai doctoral accepté ()
Informations complémentaires: La thèse a été numérisée telle que transmise par l'auteur.
Directeur de thèse: Laprise, René
Mots-clés ou Sujets: Nuages, Climat. Modèles mathématiques, Rayonnement atmosphérique, Monte Carlo Independent Column Approximation (McICA), Global Environmental Multi-scale Climate model (GEMCLIM)
Unité d'appartenance: Faculté des sciences > Département des sciences de la Terre et de l'atmosphère
Déposé par: Service des bibliothèques
Date de dépôt: 27 nov. 2015 19:27
Dernière modification: 27 nov. 2015 19:27
Adresse URL : http://www.archipel.uqam.ca/id/eprint/7497

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