Phase thermodynamique des nuages : observations avec CALIPSO et évaluation du modèle LMDZ5B

Au cours de cette these, nous avons tire profit du lidar CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization), instrument de teledetection active embarque a bord du satellite CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation), pour documenter la structure verticale de la phase des nuages a l’echelle globale. A ce titre, nous avons utilise le jeu de donnees « The GCM-Oriented CALIPSO Cloud Product » (CALIPSO-GOCCP), concu pour evaluer la description des nuages dans les GCMs. Une approche basee sur la polarisation lidar a ete implementee dans CALIPSO-GOCCP pour discriminer les nuages liquides des nuages glaces. En effet, le changement d’etat de polarisation du faisceau lidar retrodiffuse permet de differencier les gouttelettes d’eau des cristaux de glace en fonction de leurs formes. Contrairement aux methodes utilisees par les instruments de teledetection passive, CALIPSO-GOCCP donne acces a la structure verticale de la phase des nuages (niveaux de 480m) de facon independante de la temperature. Nous avons ensuite evalue la phase CALIPSO-GOCCP a partir de mesures in situ aeroportees au moyen d'un nephelometre polaire et compare celle-ci a d’autres produits satellites (CALIPSO-ST/NASA, CALIPSO-JAXA, Satellites du GEWEX-CA). La restitution de la phase glacee dans les hautes couches est validee par les mesures du nephelometre polaire aeroporte plus de 94% des cas. La restitution de la phase des nuages de basses couches comporte plus d’incertitudes (jusqu’a 31% de desaccords) dues a la difference de resolutions verticales entre CALIOP et le nephelometre combinee a l’attenuation du faisceau lidar. Par la suite, nous avons evalue la description de la phase du modele de circulation generale de l’IPSL (LMDZ5B) a partir des donnees CALIPSO-GOCCP. L’approche basee sur la polarisation lidar a ete implementee dans un simulateur de lidar afin de reproduire le signal polarise qui serait mesure par le lidar CALIOP au-dessus de l’atmosphere simulee par le modele. La comparaison de l’ensemble « LMDZ5B+simulateur » avec CALIPSO-GOCCP, a permis de mettre en evidence un biais dans la relation phase-temperature utilisee dans le modele. Il resulte une sous-estimation des nuages liquides et surestimation des nuages glaces dans le modele. L’utilisation d’une relation phase-temperature dans LMDZ5B plus en accord avec CALIPSO-GOCCP entraine un effet radiatif net des nuages au sommet de l’atmosphere encore plus refroidissant (-25 Wm-2 contre -18. 3 Wm-2 dans les observations) que pour l’ancienne relation (-22. 8 Wm-2). Enfin, nous avons prete une attention particuliere a la region arctique, qui, de part ses surfaces reflechissantes, etait difficilement observable dans son ensemble avant CALIPSO. A partir d’une etude climatologique des donnees CALIPSO-GOCCP, nous avons pu mettre en evidence la presence continue de nuages liquides au-dessus de toutes les mers arctiques a des temperatures comprises entre -25°C et 0°C. Puis, dans une comparaison multi modeles CMIP5 avec CALIPSO-GOCCP, nous avons montre que les modeles simulaient assez bien les nuages bas arctiques sans toutefois reussir a reproduire leur cycle saisonnier. Par ailleurs, l’evaluation de la phase de LMDZ5B avec CALIPSO-GOCCP a revele un deficit de nuages liquides simules generant un biais dans les flux net ondes longues de surface (effet refroidissant). L’amelioration de la representation des nuages liquides simules dans le modele a permis de reduire ce biais.