Les aérosols sont une composante atmosphérique dont l’impact climatique figure parmi les plus incertains (IPCC, 2013). Cette incertitude est particulièrement forte lorsque ces particules sont localisées au-dessus et en contact avec les nuages, où elles interagissent à la fois avec le rayonnement et les nuages. Ce constat nous impose d’améliorer la représentation des aérosols et des nuages dans les modèles climatiques. Si les capteurs satellitaires passifs jouent un rôle important dans l'observation des aérosols, les algorithmes de restitution de leurs propriétés sont jusqu’à présent limités à l’atmosphère sans nuage. De plus, les aérosols au-dessus des nuages altèrent la restitution des propriétés optiques et microphysiques des nuages par ces mêmes capteurs. Notre effort a porté sur la détection et la caractérisation des aérosols au-dessus des nuages d’eau liquide en s’appuyant sur le capteur satellitaire POLDER/PARASOL. Nous avons mis en place une nouvelle méthode d’inversion des luminances totales et polarisées pour restituer les propriétés clefs des aérosols et des nuages. Ensuite, nous avons développé une procédure de calcul de l’ "effet direct" des aérosols en utilisant les propriétés issues de notre méthode d’inversion. Les flux radiatifs ainsi calculés ont été comparés avec succès à ceux déduits plus directement des mesures du capteur CERES. Ces propriétés ont également été utilisées, régionalement, pour évaluer la fiabilité de la représentation des aérosols au-dessus des nuages dans les modèles AeroCom. Enfin, nous présentons une première analyse de la distribution planétaire annuelle des propriétés des aérosols au-dessus des nuages et de leur effet direct. / Aerosols remain one of the atmospheric components associated with the highest uncertainty on the climate impact (IPCC, 2013). This uncertainty is especially large for aerosols located above or within the clouds, where they can interact with both radiations and clouds. This statement highlights the need to improve the representation of aerosols and clouds in climate models.Passive satellite instruments play a key role in the aerosol monitoring. However, current aerosol retrieval algorithms are restricted to cloud-free atmosphere. Moreover, aerosols overlaying clouds affect the retrieval of cloud optical and microphysical properties from those same sensors. In the first place, the aim of this work was to detect and characterize aerosols above liquid clouds using the satellite instrument POLDER/PARASOL. We have set up a new method to retrieve key aerosol and cloud properties using a combination of radiance and polarization measurements. Then, we have developed a procedure to compute the aerosol "direct effect" which relies on the aerosols properties deduced from our retrieval methodology. The radiative fluxes calculated with this method have been successfully compared to the ones deduced more directly from the measurements of the CERES sensor.The aerosol properties have also been used to assess the ability of the models from the AeroCom community to represent above-cloud aerosols regionally. Finally, we present a first analysis of the annual distribution at global-scale of aerosol properties above clouds and their direct effect.

Cette recherche concerne un effet radiatif indirect d'aérosol sur le nuage d'hiver et le climat arctique, c'est-à-dire la rétroaction de déshydratation-effet de serre, qui a été originalement formulée par Blanchet et Girard (Nature, 1994). Les activités anthropiques et biogéniques produisent l'acide sulfurique, une prolongation vers le nord du problème de précipitation acide de moyennes latitudes, qui couvrent la plupart des aérosols existants. Les études précédentes ont prouvé qu'une concentration plus grande de l'acide sulfurique diminue la pression des vapeurs saturantes au-dessus de l'aérosol et abaisse le point de congélation. Aux basses températures, ce processus empêche la production de cristaux de glace et favorise la formation d'un nombre réduit de plus grands cristaux de glace au lieu de beaucoup des plus petites. Dans la pratique, on augmente la formation de précipitation des cristaux de glace de bas niveau et en défaveur d'un brouillard de glace ou d'un stratus plus persistant. La déshydratation de la basse atmosphère diminue l'effet de serre et produit un refroidissement de la surface. La rétroaction déshydratation-effet de serre est étudiée en utilisant un modèle régional du climat 3D. Deux ensembles de 12 simulations de février 1990 sont comparés: le cas de référence, pour un scénario d'aérosols naturels et le cas perturbé, pour un scénario d'aérosols acides. Les résultats montrent que la rétroaction déshydratation effet serre est plus important au-dessus de l'Arctique central avec un refroidissement en surface jusqu'à 3.3 K. Le refroidissement en surface dans l'Arctique renforce la zone barocline au-dessus de l'Europe nordique en produisant une rétroaction positive sur la circulation. En conséquence, la couverture de nuage et la précipitation au-dessus de l'Europe nordique sont augmentés, le transport d'aérosols anthropiques de moyenne latitudes vers l'Arctique est plus efficace et le refroidissement de la basse atmosphère dû à la diminution résultante des noyaux de glace (liés à l'augmentation de la concentration d'aérosol d'acide sulfurique) est augmenté.

Le rayonnement solaire incident (lSR) (direct et diffus) et le rayonnement atmosphérique de longue longueur d'onde (DLR) sont les paramètres qui déterminent le bilan de la radiation à la surface (SRB) et jouent un rôle très important dans l'échange d'énergie entre la Terre et l'atmosphère. La représentation exacte de ces composantes dans les modèles climatiques est donc cruciale. Dans ce travail, nous évaluons les composantes de l'ISR, du DLR et de la couverture nuageuse des trois modèles suivants: 1. le Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC), 2. la version régionale du Modèle Global Environnemental à Multi-échelle (GEM-LAM) et 3. le modèle atmosphérique du centre Rossby (RCA3) sur un domaine couvrant l'Amérique du Nord. Premièrement, les trois modèles sont comparés avec les observations de surface fournies par le réseau SURFRAD afin d'identifier les conditions dans lesquelles ils ne performent pas correctement. Puisque ces observations ne fournissent pas une couverture spatiale adéquate, trois bases de données différentes sont comparées à trois bases de données disponibles sur l'ensemble du territoire. Les substituts aux observations que nous évaluons sont: les ré-analyses ERA40 de ECMWF couvrant 40 années, les ré-analyses régionales d'Amérique de Nord (NARR) et les composantes du SRB provenant du Projet International de Climatologie Satellitaire des Nuages (ISCCP). La base de donnée la plus représentative est utilisée comme substitut aux observations afin de la comparer avec le SRB simulé par les modèles sur tout le domaine d'Amérique du Nord. Les comparaisons entre les modèles et les observations montrent que les biais les plus importants sont présents pour des conditions atmosphériques froides et sèches ce qui nous indique soit une mauvaise représentation de l'émission de la vapeur d'eau pour des conditions atmosphériques sèches, soit un biais négatif dû aux omissions des contributions des gaz traceurs dans le DLR pour les conditions de ciel clair. Les biais du ISR constatés dans cette étude viennent surtout de la mauvaise représentation des nuages dans les modèles qui ne sont pas assez opaques pour le rayonnement solaire incident. La comparaison avec six sites d'observations différents a confirmé qu'ERA40 est le meilleur substitut aux observations pour les composantes ISR et DLR sur l'Amérique du Nord. La comparaison des modèles avec ERA40 sur toute l'Amérique du Nord apporte des conclusions similaires à celles obtenues lors de la comparaison des modèles directement avec les sites d'observations. Ces résultats confirment que les biais trouvés dans cette étude proviennent de l'imperfections des modèles ce qui influence les composantes du SRB pour les différents régimes climatiques d'Amérique du Nord. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Rayonnement, Modèles régionaux du climat, Ré-analyses, Forçage radiatif des nuages.

L'objectif principal de ce projet est de déterminer quels sont les processus physiques (forçages) responsable de la dynamique des fronts froids, ce qui n'a jamais été fait quantitativement. En premier lieu, une étude diagnostique est effectuée sur un échantillon de dix fronts froids continentaux nord-américains pour vérifier s'il existe une dynamique propre à ces fronts. Une étude semblable est faite sur dix fronts froids maritimes ouest-européens et les résultats pour chacun des groupes sont comparés. Les diagnostics portent sur le déplacement des fronts (tendances de tourbillon) et sur le mouvement vertical qui leur est associé. Nous utilisons l'outil DIONYSOS pour effectuer ces diagnostics. Les résultats obtenus ont révélé des différences fondamentales entre les dynamiques des fronts continentaux nord-américains et maritimes ouest-européens. Le Laplacien de l'advection de température est le forçage dominant sur la dynamique nord-américaines alors que c'est l'advection de tourbillon qui régie une grande partie de la dynamique des fronts ouest-européens. Cette différence importante s'explique par des gradients de température en bas niveau beaucoup plus prononcés sur le continent nord-américain que sur les régions côtières de l'ouest de l'Europe. La très faible variabilité observée dans la dynamique de chaque groupe laisse supposer une dynamique propre à chacune des deux populations frontales. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Fronts froids, Déplacement, Mouvement vertical, Diagnostique, DIONYSOS, Forçage, Météorologie.

La prévision d'anomalies saisonnières et intrasaisonnières des précipitations est utile dans des domaines tels que l'agriculture et la gestion de l'eau, ainsi que dans la prévention des catastrophes climatiques dans les pays tropicaux. Les anomalies de température de la surface de la mer (Sea Surface Temperature; SST) associées au forçage El Nino/Southern Oscillation (ENSO) constituent une source majeure de prévisibilité dans les tropiques. En effectuant une mise à l'échelle dynamique des prévisions de modèles de circulation générale (MCG), les modèles régionaux du climat (MRC), grâce à leur résolution accrue, pourraient permettre une bonne prévision de ces anomalies saisonnières et intrasaisonnières dans les tropiques. Cette étude constitue une évaluation de l'habilité d'un MRC (le Rossby Center Regional Atmospheric Model version 3; RCA) à effectuer une mise à l'échelle des anomalies de SST et circulation de grande échelle associées au forçage ENSO. RCA est configuré sur un domaine comprenant l'est de l'Océan Pacifique tropical et les tropiques américaines, et il est exécuté pour 27 années différentes pour la période 1979-2005. Le modèle utilise comme conditions aux frontières les SST observées et les réanalyses du European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) pour la circulation de grande échelle. Nous étudions la performance de RCA à représenter les patrons régionaux de précipitation dans les tropiques américaines, en se concentrant sur la climatologie et la variabilité saisonnière et intrasaisonnière associée à ENSO. Les statistiques intrasaisonnières à l'étude sont la distribution de l'intensité de précipitation ainsi que les moments de transition entre les saisons sèches et humides. Deux articles acceptés pour publication dans la revue Tellus Series A : Dynamic Meteorology and Oceanography sont présentés ici, le premier se concentrant sur l'échelle saisonnière et le second sur l'échelle intrasaisonnière. Il est démontré que le modèle RCA reproduit la majorité des caractéristiques régionales de la précipitation ainsi que la variabilité de la précipitation associée à ENSO. Cette étude est une évaluation préliminaire pour le modèle RCA, qui devrait être suivie par une analyse plus poussée qui utiliserait des conditions aux frontières provenant d'un MCG. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modèle Régional du Climat, ENSO, Variabilité interannuelle, Précipitation, Tropiques américaines.

La brume arctique est caractérisée par des concentrations élevées en acide sulfurique et provient du transport à grande échelle des polluants depuis les latitudes moyennes durant l'hiver et le printemps. Des observations révèlent une diminution de un à quatre ordres de grandeur de la concentration en noyaux de glaciation (NG) lors de ces épisodes de pollution. L'acide sulfurique a ainsi le potentiel de modifier la nucléation hétérogène de la glace dans l'atmosphère en diminuant la concentration de NG. Aussi les cristaux de glace sont moins nombreux mais plus gros. Cela favorise une précipitation accrue et augmente le flux d'eau vers la surface. Cette déshydratation de la basse troposphère, produit aussi un refroidissement de la masse d'air par une diminution de l'effet de serre. Selon Girard et al. (2005), cet effet radiatif indirect des aérosols (effet de la RDES) représente un forçage radiatif de -9 W/m² en hiver dans le Nord canadien. Bien que située plus au sud que l'Arctique canadien, la baie d'Hudson est une région qui s'apparente à l'Arctique durant l'hiver. Elle est notamment envahie par la brume arctique dans sa partie nord du fait des vents dominants provenant de l'Arctique. L'objectif du projet est de déterminer l'applicabilité probable de l'effet de la RDES dans le secteur de la baie d'Hudson. Pour ce faire, nous avons effectué un test de sensibilité avec le simulateur numérique NARCM 3D. Ce dernier permet de simuler l'impact de la pollution atmosphérique sur le climat régional des moyennes et hautes latitudes. Il inclut les émissions des aérosols et/ou de leurs gaz précurseurs, les transformations physico-chimiques, la nucléation, la condensation et la coagulation, les interactions des aérosols avec les nuages et la radiation, de même que les processus de dépôt. Deux ensembles de simulations ont été réalisés, soit une première avec une concentration naturelle d'aérosols et une seconde avec une concentration acide. Le scénario acide produit un forçage radiatif négatif dans l'infrarouge de 3,2 W/m² (refroidissement) dans le secteur de l'Île de Baffin et semble associé à l'effet de la RDES. À l'inverse des résultats anticipé, le secteur de la baie d'Hudson et du Nord du Québec subit un réchauffement moyen de près de 2,7 °C en surface durant le mois de janvier et une augmentation de 12,8 W/m² du bilan radiatif à la surface. Le réchauffement s'explique par un transport accru de la chaleur depuis les régions sud-canadiennes mais surtout par une augmentation du couvert nuageux. En effet, il y a une augmentation de l'activité cyclonique au-dessus du domaine d'intérêt. Cette dernière permet un transport accru du sulfate vers le Nord du Québec et une réduction de la charge d'aérosols atteignant l'Atlantique. L'effet de la RDES identifié dans le secteur de l'Ile de Baffin pourrait affecter la circulation des latitudes moyennes et expliquer l'anomalie de la circulation constaté au-dessus du domaine d'intérêt. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Arctique, Acide sulfurique, Aérosols, Noyaux de glaciation, Baie d'Hudson, Effet indirect de la rétroaction, Déshydratation, Effet de serre.