Investigating cirrus cloud formation and evolution combining satellite observations and Lagrangian microphysical modelling

Les nuages influencent le climat terrestre en modulant la température, les précipitations et le bilan radiatif. Les cirrus, composés de cristaux de glace, apparaissent à des températures inférieures à 235 K. Ils jouent un rôle clé dans le bilan radiatif, dont le signe dépend de leurs propriétés macro- et microphysiques. Leur impact sur le climat reste une incertitude majeure dans les projections actuelles.Les cirrus posent un défi en raison de leur microphysique complexe et des processus de formation et de croissance associés. Les contraintes d'observation ont longtemps limité notre compréhension, car les observations satellitaires ne capturent que l'état actuel des cirrus, sans informations sur leur histoire. Cette thèse comble cette lacune en introduisant de nouveaux indicateurs sur l'origine et l'évolution des cirrus, conçus pour être associés aux produits satellitaires opérationnels.Ce travail présente DC-Ice, une méthode innovante de modélisation lagrangienne pour caractériser les processus microphysiques au sein des parcelles d'air formant les cirrus observés par satellite. Le modèle CLaMS est utilisé pour obtenir des rétrotrajectoires associées aux profils verticaux de propriétés microphysiques fournis par le produit DARDAR-Nice. Le modèle microphysique CLaMS-Ice simule ensuite la formation et l'évolution des cirrus le long de ces trajectoires, incluant la nucléation homogène et hétérogène, la croissance par diffusion, la sublimation et la sédimentation. La méthodologie inclut des fluctuations de température haute fréquence, la sédimentation des cristaux de glace et des simulations en ensemble pour représenter la variabilité stochastique. Des indicateurs basés sur l'origine sont définis, comme les modes de formation (homogène ou hétérogène), l'origine des cristaux (phase liquide ou in situ) et le temps écoulé depuis la formation de la glace.DC-Ice a été appliqué à trois études de cas représentatives de conditions météorologiques typiques aux moyennes latitudes. Une analyse des trajectoires spécifiques a permis d'identifier les principales phases du cycle de vie des cirrus et d'évaluer les performances de la méthode. Ensuite, des profils verticaux de nuages ont été reconstruits le long de la trace satellitaire, offrant des informations sur la répartition des indicateurs d'origine au sein des couches nuageuses. Les résultats montrent que les cirrus d'origine liquide prédominent à basse altitude, tandis que les cirrus formés in situ dominent en altitude. Les modes de nucléation varient selon l'âge du nuage et les conditions environnementales.La performance de DC-Ice a été évaluée par comparaison avec des observations issues de mesures in-situ et de produits satellitaires. Le modèle reproduit correctement les concentrations de cristaux de glace (Ni) et les processus de nucléation, mais sous-estime la teneur en eau glacée (IWC), notamment dans les cirrus orographiques. Des tests de sensibilité ont permis d'identifier que les processus de sédimentation sont critiques pour la simulation précise de l'IWC, et que les fluctuations de température influencent fortement Ni. Malgré des ajustements, la sous-estimation de l'IWC persiste dans les cirrus orographiques, mais les indicateurs d'origine restent relativement stables, sauf dans des conditions extrêmes.Cette thèse démontre la faisabilité de DC-Ice pour associer des indicateurs d'origine aux observations satellitaires. Cette approche constitue une étape essentielle vers une compréhension globale de l'origine des cirrus et de leur rôle dans le système climatique. Les résultats soulignent leur potentiel pour améliorer la précision des modèles climatiques et affiner la précision des modèles climatiques. Des travaux futurs devront se concentrer sur l'amélioration de la représentation des processus de sédimentation par une implémentation 3D de CLaMS-Ice et sur l'extension de l'approche aux régions tropicales.