Les travaux présentés dans ce manuscrit porte sur le développement d’un modèle microphysique (aérosols et nuages) utilisant un schéma à deux moments. La méthode est développée dans le cas spécifique de Titan et a pour but l’intégration de modèles microphysiques sophistiqués dans les modèles climatiques (GCM). Le premier chapitre présente l’atmosphère du satellite de Saturne et plus particulièrement les aérosols la composant. Les deux chapitres suivant sont consacrés respectivement aux lois microphysiques (coagulation, sédimentation, nucléation et condensation) ainsi que l’adaptation de ces lois à la représentation en moments. Le quatrième chapitre est dédié à la modélisation de ce schéma à deux moments dans le cadre de la microphysique des nuages. Des comparaisons sur les principaux champs d’intérêt (opacité et température) sont effectués entre la représentation « classique » et la représentation en moments. Le dernier chapitre de cette thèse présente différentes études menées avec le Modèle de Climat Global (GCM) de Titan développé à l’IPSL. / This thesis work is devoted to the development of a microphysics model (aerosols and clouds) using a two-moment scheme. The method is developed in the specific case of Titan and its final purpose is the integration of sophisticated microphysics models in climate models (GCM). The first chapter introduces the atmosphere of Saturn’s moon, and especially its aerosols. The next two chapters are devoted respectively to microphysical laws (coagulation, sedimentation, nucleation and condensation) and the adaptation of these laws to the moment scheme. The fourth chapter is dedicated to the modeling of this two-moment scheme for cloud microphysics. Comparisons on specific atmospheric fields (opacity and temperature) are mad between the “classical” scheme and the two-moment scheme. The final chapter of this thesis presents different studies with the Global Climate Model (GCM) of Titan developed at IPSL.

De par l'influence radiative globale et permanente des poussières en suspension, la caractérisation microphysique de l'atmosphère martienne est un enjeu scientifique majeur. De plus, malgré un contenu humide restreint, des nuages de glace d'eau similaires aux cirrus terrestres se forment régulièrement. Au cours de cette thèse, le développement d'un modèle de microphysique a permis d'étudier la nature du couplage entre poussières, cristaux et vapeur d'eau. Essentiellement axés sur la structure verticale des brumes martiennes, nos travaux ont permis d'interpréter un jeu de données photométriques ayant abouti sur une estimation de la granulométrie de la poussière et des cristaux de glace. La conclusion de cette étude remet en cause le type de fonction jusqu'alors employée pour décrire le spectre en taille de la poussière, une hypothèse étayée par la structure des spectres de poussière observée dans les déserts sahariens. Par ailleurs, nous avons pu effectuer une analyse approfondie de l'impact de la nébulosité sur le cycle hydrologique martien. Notre introduction d'un schéma de nuages simplifié au sein d'un modèle de circulation générale a permis de quantifier le rôle considérable du transport de la glace atmosphérique sur la distribution géographique de l'eau. Cette étude s'inscrit dans la volonté actuelle de comprendre l'évolution de l'eau sur Mars. Liée à cette thématique, l'étude du cycle du deutérium est primordiale pour estimer la quantité d'eau s'étant échappée vers l'espace par le passé. Ce cycle est en partie contrôlé par un effet de fractionnement se produisant au sein des nuages qu'il nous a été possible d'étudier grâce à notre modèle microphysique. Nos résultats permettent de mieux comprendre la faible concentration en deutérium de la haute atmosphère dont l'observation a longtemps posé problème aux études théoriques passées.

La formation des systèmes convectifs est un processus complexe qui s'étend de l'échelle synoptique, avec la mise en place de circulations favorisant la convection, à la micro-échelle, avec les processus de formation et de croissance des hydrométéores. C'est aux échelles les plus fines que se concentre cette thèse dont l'objectif est d'étudier l'apport d'une microphysique complexe sur l'occurrence et la morphologie d'évènements fortement précipitants. La microphysique évaluée est celle du schéma LIMA, de type bulk à deux moments, capable de prendre en compte l'évolution d'une population d'aérosols multimodale et le traitement pronostique de son interaction avec les nuages et les précipitations. Dans un premier temps, l'apport de la microphysique de LIMA est évalué en comparaison à la microphysique bulk à un moment du schéma ICE3, moins sophistiqué et actuellement opérationnel à Météo-France dans le modèle AROME. Afin de mesurer l'apport de ce nouveau schéma sur la simulation de cas fortement précipitants tels que ceux qui touchent régulièrement le sud-est de la France à l'automne, deux cas d'étude de la campagne HyMeX ont été simulés avec Meso-NH et comparés aux nombreuses observations disponibles. Si l'évaluation des cumuls de précipitations montre un impact modéré de l'un ou l'autre des schémas microphysiques, l'écart est plus marqué en terme de composition et de structure des systèmes convectifs : la microphysique à 2 moments développe une structure verticale plus réaliste et introduit plus de variabilité sur les champs microphysiques. L'évaluation a aussi identifié des biais dans le schéma, notamment une surestimation des diamètres de gouttes de pluie. Des pistes d'amélioration de la microphysique de LIMA ont alors été proposées et évaluées sur les mêmes cas. Des tests de sensibilité à l'initialisation de la population d'aérosols ont ensuite été menés. Il s'avère que les aérosols n'affectent pas uniquement les hydrométéores primaires (gouttelettes d'eau nuageuse et cristaux de glace) mais aussi les autres hydrométéores, engendrant des impacts sur le développement des systèmes convectifs simulés, en termes de composition nuageuse et de précipitations. Les simulations avec une population d'aérosols réaliste initialisée à partir des analyses CAMS ont montré un impact modéré sur les cumuls de précipitations mais une amélioration plus significative de l'évolution temporelle du système (intensification, dissipation) et de la composition nuageuse, réduisant le diamètre des gouttes de pluie sur les cas d'étude. / The triggering and growth of Convective systems is a complex process that extends from the synoptic scale, with the establishment of atmospheric circulations promoting convection, to the microscale, with the formation and growth processes of hydrometeors. This PhD focuses on these finest scales and investigates the contribution of complex cloud-microphysics to the occurrence and morphology of heavy precipitation events. The two-moment microphysical scheme LIMA evaluated in this study takes into account the evolution of a multimodal aerosol population and the prognostic treatment of its interaction with liquid and ice clouds and precipitation. First, the contribution of LIMA is evaluated in comparison to the ICE3 one-moment bulk microphysical scheme, which is less sophisticated and currently operational in the AROME model at Météo-France. In order to measure the performance of this new scheme, two case studies of the HyMeX campaign were simulated with the Meso-NH model and compared to a wide variety of available measurements. The assessment of cumulative precipitation shows a moderate impact of each of these microphysical schemes, but the difference is more pronounced in terms of convective systems composition and structure: the two moment microphysics develops a more realistic vertical structure and introduces more microphysical variability. The evaluation also identified biases in the scheme (such as an overestimation of rain drop diameters). Some improvements to the implementation of LIMA were proposed and evaluated on the same cases. Then, the scheme is used to perform a sensitivity test to the aerosol population on the same case studies. Tests on the concentration of idealized populations have shown that aerosols do not only affect primary production of cloud droplets and ice crystals but also precipitating hydrometeors, causing impacts on the development of simulated convective systems in terms of cloud composition and generated precipitation. Simulations based on a realistic aerosol population initialized from CAMS analyses also showed a moderate impact on cumulative precipitation, but a more significant improvement on the temporal evolution of the system (intensification, dissipation) and cloud composition, leading to a reduction of rain drop diameters in the studied cases.

D’une part, les instruments permettant de mesurer les précipitations (pluviomètres, radars, etc.) effectuent des mesures de natures différentes et à différentes échelles. Leurs données sont difficilement comparables. D’autre part, les modèles décrivant l’évolution des précipitations sont eux complexes et difficiles à paramétrer et à valider. Dans cette thèse, nous utilisons l’assimilation de données afin de coupler des observations hétérogènes des précipitations et des modèles, pour étudier les précipitations et leur variabilité spatiotemporelle à différentes échelles (macrophysique, qui s’intéresse aux cellules de pluie, et microphysique, qui s’intéresse à la distribution en taille des gouttes – DSD – qui les composent). Tout d’abord, nous développons un algorithme permettant de restituer des cartes de précipitations à partir de mesures de l’atténuation causée par la pluie à des ondes provenant de satellites de télévision. Nos restitutions sont validées par rapport à des données radar et pluviomètres sur un cas d’étude dans le sud de la France. Ensuite, nous restituons, toujours par assimilation de données, des profils verticaux de DSD et de vents verticaux à partir de mesures de flux de gouttes au sol (par disdromètres) et de spectres Doppler en altitude (par radar). Nous utilisons ces restitutions sur 3 cas d’étude pour étudier les phénomènes physiques agissant sur les gouttes de pluie durant leur chute et pour évaluer la paramétrisation de ces phénomènes dans les modèles. / On the one hand, the instruments designed to measure rainfall (rain gages, radars, etc.) perform measurements at different scales and of different natures. Their data are hard to compare. On the other hand, models simulating the evolution of rainfall are complex. It is not an easy task to parameterize and to validate them. In this thesis, we use data assimilation in order to couple heterogeneous observations of rainfall and models for studying rain and its spatiotemporal variability at different scales (macrophysical scale, which is interested in rain cells, as well as microphysical scale, which is interested in the drop size distribution – DSD). First, we develop an algorithm able to retrieve rain maps from measurements of attenuation of waves coming from TV satellites due to rainfall. Our retrievals are validated by comparison with radar and rain gages data for a case study in south of France. Second, we retrieve – again with data assimilation – vertical profiles of DSD and vertical winds from measurements of rain drop fluxes on the ground (using a disdrometer) and of Doppler spectra aloft (using a radar). We use these retrievals for 3 case studies to study the physical phenomena acting on rain drops during their fall and to evaluate the parameterization of these phenomena in models.

La question de la prévision des évènements fortement précipitants se produisant sur le bassin Méditerranéen est au coeur du programme international HyMeX (Hydrological cycle in Mediterranean EXperiment, http://www.hymex.org/) dont l'un des objectifs est d'améliorer la prévision et la prévention des risques hydrométéorologiques du bassin méditerranéen dans le contexte du changement climatique. Durant l'automne 2012, une campagne de mesures de deux mois dite "Période d'Observation Spéciale" (SOP1) a été menée afin de documenter les conditions propices à la formation et au développement des évènements convectifs de type cévenol souvent responsables de crues dévastatrices. Pendant cette SOP1 un dispositif instrumental sans précédent a été déployé avec notamment pour la première fois sur le sol français un imageur à haute résolution spatio-temporelle permettant d'observer les décharges électriques en trois dimensions : le Lightning Mapping Array (LMA). Cet instrument a été combiné aux radars du réseau ARAMIS de Météo-France, et plus précisément aux radars Doppler à diversité de polarisation dans le Sud-Est de la France qui offrent la possibilité d'obtenir des informations sur le type et la distribution des hydrométéores au sein des systèmes précipitants. La production d'éclairs étant le résultat d'une électrisation issue des interactions microphysiques (collisions entre graupels et cristaux de glace en suspension), une description détaillée des différents types d'hydrométéores présents dans les nuages convectifs est essentielle. Dans cette optique, les algorithmes d'identification des hydrométéores développés par Météo-France ont été évalués puis améliorés. Les résultats de cette étude ont montré que les restitutions entre les différents radars étaient plutôt cohérentes, à condition que l'information sur l'altitude de l'isotherme 0°C soit correcte. Ce travail a ensuite été complété par la création, via une méthode originale, de composites 3D d'hydrométéores permettant de décrire la microphysique majoritairement présente dans les systèmes convectifs observés pendant la campagne HyMeX. La deuxième partie de ce travail s'est basée sur l'exploitation de la synergie radar-LMA sur une ligne de grain observée durant la SOP1 de HyMeX. Les principales informations déduites de ce couplage ont mis en exergue l'importance des processus microphysiques intervenant dans l'électrisation du nuage d'orage, ainsi que l'impact du relief sur l'activité électrique globale du système convectif. Sur les quatre heures de données analysées du 24 Septembre 2012, le déclenchement et la propagation des éclairs ont majoritairement été observés dans les espèces microphysiques que sont le graupel, les cristaux de glace et dans une moindre mesure la grêle. Cette étude souligne également le rôle important de la topographie sur l'activité électrique et montre que le passage d'un faible relief peut dramatiquement influencer la distribution et l'intensité des éclairs dans les régions convectives. / The Hydrological cycle in Mediterranean Experiment (HyMeX, http://www.hymex.org/) is a 10-year research program focusing on the quantification and understanding of the water cycle in the Mediterranean at various time and spatial scales with particular emphasis on high-impact weather events. This study takes place within the framework of the first HyMeX field phase (HyMeX-SOP1), which was conducted in the autumn 2012. The unique and extensive dataset collected during this field campaign offers the possibility to further investigate the complex relationships between cloud microphysics and lightning at play within mesoscale convective systems observed in southern France. With this regard, the present study make the use of a Lightning Mapping Array (LMA) along with operational dual-polarization weather radar. The first instrument allows documenting the three-dimensional lightning activity, whereas the second has the ability to determine the type of hydrometeors within cloud systems. Since the production of lightning is the result of an electrification created by microphysical collisions between graupels and ice crystals in suspension, a highly detailed description of hydrometeor types within convective clouds is needed. With this respect, an improved version of Météo-France hydrometeor classification algorithm was developed and evaluated so as to be able to discriminate between a large number of microphysics species. Overall hydrometeor species retrieved from a pair of neighbouring radars within a common sampling area are consistent from one to another. This study has however pointed out the need to check the consistency related to the identification of 0°C isotherm derived from numerical weather prediction model outputs before to perform hydrometeor identification. As a follow up to this work, a novel interpolation method allowing the remapping of single-radar hydrometeor fields onto a common Cartesian grid was developed in order to get access the three-dimensional hydrometeor distribution within HyMeX convective systems. Another part of this work aims at combining LMA and polarimetric radar observations to infer relationships between the total lightning activity, microphysics, and kinematics within the intense bow-echo system observed above the complex terrain of southern France during HyMeX. Using the synergy between LMA and polarimetric radar data, it is underlined that microphysical processes involved in cloud electrification, along with the impact of the topography play at part onto the global lightning activity. Based on a 4h analysis on the 24 Setptember 2012, it is found that lighting initiation and propagation take preferentially place within graupel, ice and to a lesser extent hail regions. This study also highlights the important role of topography on lightning activity and shows that even a small hill can dramatically influence the distribution and intensity of lightning within convective areas.

Dans le cadre du projet international AMMA, visant à documenter la variabilité de la Mousson Africaine de l'Ouest (MAO), le radar polarimétrique Doppler en bande-C, RONSARD, ainsi qu'un récepteur bistatique Doppler ont été déployés dans le nord du Bénin durant l'été 2006 pour appréhender la dynamique et la microphysique des systèmes convectifs caractéristiques de la Mousson.<br /> La phase de préparation de cette campagne a été l'occasion de proposer une solution au problème posé par un réseau de radar Doppler monostatique-bistatique : la contamination des données bistatiques par les lobes secondaires de la fonction d'antenne du radar monostatique. Cette solution basée sur l'analyse variationnelle permet de s'affranchir du rejet systématique de données bistatiques contaminées, pratiqué jusqu'alors. Testée avec des données synthétiques, puis réelles, cette méthode permet d'utiliser l'ensemble des données échantillonnées et donc d'assurer des restitutions 3D de champs de vent sur des domaines plus importants avec des méthodes Dual-Doppler classiques.<br /> Durant la campagne, le récepteur bistatique n'a pas fonctionné, et, seul le radar RONSARD a assuré une acquisition de mesures exploitables sur le nord du Bénin. Aussi, l'étude de la ligne de grains du 28 juillet 2006, qui fait suite à la phase expérimentale, sera principalement basée sur ces données. La dynamique et la microphysique de ce système ont pu être détaillées à l'échelle convective et à la mésoéchelle. Sa dynamique, comparable à des études antérieures sur le même thème, nous a permis en la comparant à sa distribution particulaire de mieux comprendre les processus microphysiques mis en jeu dans les différentes régions d'intérêt. Les restitutions microphysiques sont cohérentes avec les descriptions de la dynamique du système avec une évidente organisation des classes d'hydrométéores de la phase liquide en pluie fine, modérée et forte dans la partie convective, et en pluie fine à modérée dans la partie stratiforme. A proximité de l'isotherme 0°C, une couche de mélange composée de neige mouillée a été identifiée. Concernant la région convective, la phase solide nous a montré une structure mixte de neige roulée et de grêle, piégée dans un environnement de cristaux de glace et de neige sèche. La fonte des particules solides et la coalescence de particules fines de pluie contribuent au renforcement des précipitations en pluie moyenne. A la mésoéchelle, l'analyse composite a fait apparaître le lien entre les panaches de mélange de neige roulée et de grêle avec le renforcement de la pluie moyenne ainsi que le rôle joué par l'évaporation sous la partie stratiforme de la ligne de grains.

Les nuages jouent un rôle important dans l'évolution de l'atmosphère météorologique et dans le contrôle du climat. Or leur représentation paramétrique dans les modèles numériques de prévision météorologique et climatologique n'est toujours pas validée à ce jour. La préoccupation de la communauté scientifique internationale d'être à même de mieux contrôler à l'échelle globale l'effet radiatif des nuages a stimulé plusieurs programmes spatiaux mettant en œuvre une combinaison radar-lidar (CLOUDSAT/CALIPSO et EarthCare). De telles expériences spatiales ont besoin de démonstrateurs aéroportés tels que RALI (système synergique RAdar nuage - LIdar), qu'il s'agisse de la mise au point des algorithmes de traitement de données, ou de la validation des produits de la mission spatiale. Ainsi, le projet RALI vise le développement et l'exploitation d'une combinaison instrumentale radar-lidar aéroportée ou au sol, pour documenter les profils verticaux des propriétés microphysiques, dynamiques et radiatives des nuages glacés non précipitants. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse. Dans un premier temps, un modèle inverse reliant les paramètres de télédétection aux paramètres nuageux a été construit. Ce modèle permet de s'affranchir de la forme de la distribution dimensionnelle des particules; il sert de base à l'application de l'algorithme synergique radar-lidar. Celui-ci, prenant en compte la variation verticale de la concentration des particules nuageuses, a également été développé. Des tests de simulation ont été effectués afin de déterminer sa robustesse, sa précision et les conditions optimales d'application. Les résultas obtenus sur des cas d'expérimentations instrumentales (Clare'98, Carl'99 et Clare'2000), comparés à des mesures in-situ microphysiques, ont montré sa capacité à restituer le rayon effectif des particules nuageuses, le contenu en glace et l'épaisseur optique des nuages sondés. L'algorithme est également capable de restituer le contenu en eau des couches de phase mixtes et sa capacité a été testée sur un cas d'altocumulus de Clare'2000.

Un bilan des aérosols en jeu (CCN et IN) dans les processus de nucléation des particules de nuage élémentaires (gouttelettes et cristaux de glace) est implanté dans un nouveau schéma microphysique à 2 moments dans le modèle MésoNH. Il répond à la nécessité d'intégrer un suivi des concentrations en noyaux de nucléation dans la microphysique du nuage. En effet CCN et IN déterminent la concentration en nombre des gouttelettes et des cristaux primaires ; ceux-ci sont à l'origine de processus microphysiques qui déterminent les propriétés radiatives et précipitantes du nuage. Ainsi, l'intérêt pour le bilan radiatif des nuages à l'échelle globale nécessite-t-il de pouvoir estimer localement l'impact des aérosols sur les nuages, grâce à des outils de modélisation numérique à l'échelle des structures nuageuses qui sont capables de résoudre les processus de nucléation hétérogène des gouttelettes et des cristaux à partir des CCN et des IN, respectivement. En conséquence, le bilan des particules d'aérosols réalisé dans MésoNH s'appuie sur le traitement des concentrations en aérosols, à la fois interstitiels et activés pour chaque mode de CCN et d'IN, au moyen de couples de variables 3D pronostiques. Le bilan considère les principaux termes reflétant l'interaction aérosol-nuage, avec une attention particulière accordée à la représentation des processus de nucléation hétérogène des particules nuageuses. Ainsi établi, ce bilan permet de considérer simultanément l'activation de populations multimodales de CCN et d'IN, leur lessivage par impaction, leur transport, et donc la variabilité spatio-temporelle de ces noyaux de nucléation. La sensibilité d'un système nuageux à la formulation de la nucléation hétérogène de la glace est mise en évidence sur un cas de nuage orographique. Un cas idéalisé de ligne de grain est ensuite utilisé pour illustrer les interactions complexes qui existent entre la dynamique et la microphysique nuageuse lorsqu'elle est pilotée par une population multimodale d'aérosols.

La présence de nuages influence la capacité oxydante de la troposphère, mais aussi le bilan radiatif de la planète notamment à travers les processus liés à la chimie multiphase qui restent mal connus. Le but de ce travail était d'améliorer notre compréhension des processus physico-chimiques au sein des nuages. Pour cela, nous avons développé un modèle numérique de chimie multiphase couplé à un modèle de microphysique (Berry et Reinhardt, 1974), fondé sur le modèle de chimie gazeuse de Madronich et Calvert (1990), le mécanisme réactionnel développé par Jacob (1986), une compilation exhaustive des données de la littérature et des collaborations avec des cinéticiens. Afin d'effectuer le lien nécessaire à la compréhension de la chimie multiphase entre les données de laboratoire et les données de terrain, le modèle dans sa version non couplée a été appliqué dans le cadre d'un événement nuageux échantillonné au Puy de Dôme (Voisin et coll., 2000). Ces résultats montrent en général la capacité du modèle à reproduire les comportements observés et sa capacité d'analyse de la réactivité du système chimique nuageux (Leriche et coll., 2000a). Notamment, une nouvelle voie réactionnelle d'oxydation du S(IV) par l'acide pernitrique en acide fort a été mise en évidence. Finalement, le modèle couplé chimie/microphysique a été appliqué au même événement nuageux sur la base d'un scénario académique afin de quantifier l'influence de la formation de la pluie sur le régime chimique précédemment étudié. Les résultats principaux obtenus (Leriche et coll., 2000b) montrent que la présence de nuages exerce deux effets différents sur la chimie troposphérique : un effet direct de lessivage des espèces chimiques par transfert de masse, solubilité et réactivité, et un effet indirect lié aux transferts microphysiques de l'eau nuageuse en eau précipitante et à la redistribution d'espèces réactives entre l'air interstitiel, l'eau nuageuse et l'eau précipitante.

Le Sud-Est de la France est régulièrement soumis à des épisodes de pluies intenses en automne, entraînant parfois des inondations ayant un fort impact sociétal. L'un des sujets de recherche du projet HyMeX (Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment) porte d'ailleurs sur l'amélioration de la compréhension et de la prévision de tels phénomènes. La particularité du nuage orageux est la production d'éclairs, précédée par l'électrisation du nuage. Des études ont montré que la présence simultanée de graupels, de cristaux de glace et d'eau surfondue dans les zones convectives était nécessaire à l'établissement de l'électrisation. Il existe donc un lien entre ces paramètres et l'occurrence d'éclairs. Le but de cette thèse est d'identifier et de quantifier des relations entre éclairs nuage-sol et paramètres nuageux en France métropolitaine et particulièrement dans le Sud-Est. Pour ce faire une analyse multi-variables a été réalisée à partir de plusieurs jeux de données : électrique (observation d'éclairs nuage-sol, Météorage) et radar (Dopplers : restitution des champs 3D de réflectivité et de vent, et polarimétriques : restitution de la microphysique, Météo-France). L'étude a été menée sur deux régions : la région parisienne et la région Sud-Est. Les résultats obtenus permettent notamment d'établir des relations linéaires quantifiables entre volume de réflectivité supérieure à 40 dBZ et taux d'éclair nuage-sol ainsi qu'entre masse de glace précipitante (principalement composée de graupel) et taux d'éclair. Une application de " l'hypothèse des flux de glace " basée sur le mécanisme d'électrisation non-inductif des orages a également été testée et montre des résultats encourageants entre produits des flux de masse de glace précipitante et non précipitante et taux d'éclair. La comparaison des résultats régionaux a montré un caractère plus facilement généralisable de la relation entre forte réflectivité et taux de CG. Au contraire, les relations basées sur les masses de glace semblent plutôt avoir un caractère régional. L'étude du premier cas considéré comme représentatif de la campagne HyMeX a permis la comparaison de la restitution des masses de glace à partir des données provenant de deux radars du réseau opérationnel de Météo-France (l'un en bande C, l'autre en bande S). Cette étude fait apparaître que la masse de glace précipitante semble sensible à l'instrument utilisé pour la restituer contrairement à la glace non précipitante (cristaux de glace et neige sèche).