Télédétection spatiale des nuages : avancées et nouveaux enjeux

J. Riedi – Laboratoire d’Optique AtmosphériqueContributions de Chantal Claud (LMD), Julien Delanoë (LATMOS), Vincent Noël (LA),

Catherine Prigent (LERMA), Remy Roca (LEGOS), Claudia Stubenrauch (LMD)

Et les participants aux propositions :

EECLAT- IASI-Nuages - MEGHA-TROPIQUES 3MI - ICI-ISMAR – AMSU & MHS

A Grand Challenge of the World Climate Research ProgrammeClouds, Circulation et Climate Sensitivity

● What controls the position, strength andvariability of storm tracks?

● What controls the position, strength andvariability of tropical rain belts?

● What role does convection play in cloudfeedbacks?

● What role does convective aggregation play in climate?

Bony, Stevens, Frierson, Jakob, Kageyama, Pincus, Shepherd, Sherwood, Siebesma, Sobel, Watanabe and Webb, 2015 :Clouds, Circulation and Climate Sensitivity, Nature Geoscience, 4, 261-268

Courtesy S. Bony

Upper Tropospheric Clouds play a vital role

in the climate system

2003-2015

1984-2007

high cloud amount July

from GEWEX Cloud Assessment Database Stubenrauch et al. BAMS 2013

TOVS, ATOVS TOVS, ATOVS >1979 / ≥ 1995: 7:30/ 1:30 AM/PM>1979 / ≥ 1995: 7:30/ 1:30 AM/PMAIRS, CrIS AIRS, CrIS ≥2002 / ≥ 2012 : 1:30 AM/PM≥2002 / ≥ 2012 : 1:30 AM/PMIASI IASI (1,2,3),, IASI-NG IASI-NG ≥2006 / ≥ 2012 / ≥ 2020 : 9:30 AM/PM≥2006 / ≥ 2012 / ≥ 2020 : 9:30 AM/PM

✔ long time series & good areal coverage✔ good IR spectral resolution -> sensitive to cirrus day & night,

COD > 0.2, also above low clouds

2008-2015

-> PROcess Evaluation Study on UpperTroposph. Clouds & Convection (UTCC PROES)

CIRS (Cloud retrieval from IR Sounders): ATBD: Feofilov & Stubenrauch 2017 (DOI: 10.13140/RG.2.2.15812.63361)Stubenrauch et al., J. Clim. 1999, 2006; ACP 2010, 2017 (in prep.)

Climatologies will be available at French data centre AERIS (L2 and L3, 2017)

IASI-physicalproperties

UTCC PROES coord.: C. Stubenrauch & G. Stephens

Motivation: advance on understanding feedback of UT clouds

Working group forming (meetings: Nov 2015, Apr 2016, Mar 2017)links communities from observations, radiative transfer, process & climate modelling

Focus on tropical convective systems & cirrus originating from large-scale forcing ● cloud system approach, anchored on IR sounder data horizontal extent / convective cores/cirrus

anvil/thin cirrus based on pcld, εcld

● first relationships between convective strength & anvil properties● prepare synergetic data, incl. vertical dimension & atmosph. environment● determine heating rates● investigate how cloud systems behave in CRM studies & in GCM simulations (under different

parameterizations of convection/detrainment/microphysics)

pcld – ptrop < 250 hPa cld > 0.98, 0.92-0.98, 0.8-0.92, 0.6-0.8, 0.6-0.1

Upper Tropospheric Cloud systems from AIRS / IASI-> observational metrics to probe process understanding

Source H. Stubenrauch

How do the anvil properties change with convective strength?

Cloud system approach: study properties of UT systems (size, thin to thick anvil, etc)as function of their convective strength (proxy: Tmin)

Min temperature of convective core (K)

Ratio

thin

cirr

us /

tota

l anv

il

behaviour can be used forGCM evaluation (LMDZ)

IASI-physicalproperties

AIRS UT cloud systems

LMDZ UT cloud systems

Protopapadaki,Bonazzola, Stubenrauch

Protopapadaki, Stubenrauch & Feofilov, ACP, 2017, in press

MHS & AMSU (C. Claud)

Développement et exploitation d’une base de données continue depuis 1999 (qui se prolonge) àpartir des observations micro-ondes passives de type AMSU-B (183 GHz)

EECLATCommunauté de 60+ permanents de 12 labos soutenuepar le CNES/TOSCA et le CNRS/INSU/LEFE depuis 2010et regroupée autour de la télédétection spatiale active.

Lidar CALIPSO Radar CloudSat

Des produits nominaux CALIPSO: IIR L1 et L2 AOD,altitudes nuagesDes produits émergents nuages et aérosols : SODA (AOD), DARDAR (microphysique radar/lidar), GOCCP (model-oriented 3D cloudiness)

Produits opérationnels et émergents disponible viaAERIS et utilisés par une large communautéinternationalePour de multiples intercomparaisons : produitsNASA/FR, CALIPSO-CloudSat et autres capteurs(IASI, MODIS, MLS, MeteoSat, ISCCP), obs sol(SIRTA, ARM, sites Arctiques et Antarctiques…)

Opacité Aérosols SODA

Spéciation atmosphérique DARDAR

Nébulosité GOCCP

p<440hPa p>680hPa

Le développement de méthodologies d'analyse du signal

La construction de jeux de données aéroportées (LNG, RASTA) et sol (SIRTA, OPGC,LOA) longue durée pour aider au développement de produits, la validation, etc.

Activités cal-val Earth-CARE soutenues par l'ESA (campagnes, obs sol)

L'export d'obs satellites vers les GCM: GOCCP est utilisé pour évaluer les nuages dans 22modèles de climat internationaux (critère AR5)

La construction d'outils de transfert radiatif communautaires

● modèles directs et inverses, e.g. McRALI au LaMP, un des seuls simulateurs lidarMonte-Carlo avec diffusion multiple et polarisation au monde (CALIPSO, Earth-CARE,ADM)

● simulateurs d'observables “pluggables” en sorties de modèles de climat (COSP)

EECLAT structure et soutient

Liquid CloudsEffective radius

June 2009 - Arctic

POLDER

MODIS

Liquid Cloud microphysics and CDNC

SynergyCALIOP – MODIS – POLDER

Liquid clouds CDNC

From Zeng et al, 2013

EECLAT : Progrès scientifiquesCALIPSO et CloudSat par leur sensibilitédirecte à la dimension verticale ontpermis de construire les premièresclimatologies 3D des nuages etaérosols sensibles à la phase etdécouplées de la surface

Orientation des cristaux de glace

Altitude

latitude

5km

10km

15km

latitude

Phase thermodynamique

L'inversion du signal permet de restituer lespropriétés optiques des particules etd'accéder à leurs propriétésmicrophysiques avec leur variabilitéverticale fine (<100m) : orientation & formedes cristaux, IWC, LWC, rayon effectif...

Synergie MHS et DARDAR

Comparaison des contenus en glace et des tailles deshydrometeores pour les nuages convectifs sans (DC) et avec(COV) dépassement de la tropopause pour la région 60°N-60°S.(Rysman et al, 2017, IEEE).

Browse of the DARDAR-CLOUD Ice Water Content retrievalOrbit subset (ICARE/AERIS)

C. Claud – J. Delanoë

Synergie instrumentale A-Train / Megha-TropiquesH. Brogniez, projet Megha-Tropiques

Cycle de vie des systèmes convectifsFUSION du Produit MT/ SCARAB L2 et Produit tracking ceinture géostationnaire pourréaliser le composite du cycle de vie des propriétés radiatives des systèmes convectifs

Dans les ondes longues, les systèmesocéaniques et continentaux ont despropriétés très similairesDans les ondes courtes, les systèmesocéaniques et continentaux ont despropriétés très similaires en début decycle de vie et diffèrent dans la phase« mature » du systèmes avec dessystèmes continentaux plus brillants

R Roca , T. Fiolleau and D. Bouniol, A Simple Model of the Life Cycle of Mesoscale Convective Systems Cloud Shield in the Tropic , 2017,Journal of Climate In pressBouniol D, R. Roca, T. Fiolleau, and D. E. Poan, 2016: Macrophysical, Microphysical, and Radiative Properties of Tropical MesoscaleConvective Systems over Their Life Cycle. J. Climate, 29, 3353–3371, doi: 10.1175/JCLI-D-15-0551.1.

Cycle de vie systèmes fortement précipitants

Suivi de l’évolution des propriétésmicrophysiques et macrophysiquesà 5 min de résolution en regard ducycle de développement recalé surmaximum de précipitations (zoneFrance).

Combinaison MSG RapidScan(produit SEV06 – ICARE/AERIS)et réseau radar METEOFRANCE

Thèse M. Patou LOA - Université Lille 1CMS - MétéoFrance

Taille (Reff) des cristaux (glace)

Taille (Reff) des particulesliquides au sommet

Ice Cloud Imager / MicroWave Imager on board MetOp -SG

Preparation of the Ice Cloud Imager (ICI) and the Microwave Imager (MWI) to flyon the next generation of Europeanmeteologcal satellite (MetOp-SG).

For the first time, observations between200 and 700 GHz for the characterizationof ice clouds. Development of theretrieval methodology.

Long term strong involvement of LERMA,Observatoire de Paris (participation tothe ICI / MWI SAG)

The integrated content of frozen water in kg/m2

Target Retrieval

Wang et al.,IEEE, 2016

Development of a ice cloud retrieval methodology forICI and ICI+MWI (PhD Die Wang). Retrieval based on acarefully evaluated large database of mesoscale cloudsimulations and radiative transfer simulations.

Exploitation of the ISMAR observations The International Sub-millimeter Airborne Radiometer (ISMAR) observations, onboard the UK Met Office aircrafSeveral flights over North Atlantic and GreenlandEvaluation of the TESSEM2 and TELSEM2 emissivity parameterizationsAnalysis of the surface emissivity polarized scattering in clouds

Surface emissivity at 325 GHz overGreenland, evaluated with ISMAR flights

The 3MI and METimage data simulator

Ongoing scientific development around 3MI and release of a public 3MI/VII testdataset to help international scientist test their ideas in a common and openframework (LOA / ICARE-AERIS)

The high information content of 3MI observation allows toconstrain the vertical profile of cloud properties (LWC,IWC,Extinction profile, …) under assumption of “schematic” trianglecloud profile (here described using CTOP, CGT and p “shape”parameters).

Example : Information content for a LES stratocumulus cloudcase study – DOFs > 0.5 indicate observations can constrainparameters.

Observation for cloud vertical profile from passivemeasurement (3MI)

PhD G. Merlin (CNES – Univ. Lille 1)

Luminance totale à 870nm Luminance polarisée à 870nm Lidar LNG: sommet des nuages

Exploitation du polarimètre imageur aéroporté OSIRISPréparation à 3MI

OSIRIS (Observing

System Including PolaRisation inthe Solar Infrared)

Prochaine campagneAEROCLO-SA

Atlantique Sud - Namibie

IASI-NG

LA SUITE : METOP-SG ...

ICI / MWI METOP-SG B

IASI-NG

LA SUITE : METOP-SG ...

ICI / MWI METOP-SG B

TRÈS FORTE IMPLICATION DELA COMMUNAUTÉ FRANÇAISESUR L’ENSEMBLE DESINSTRUMENTS DE l’EPS-SGSOUTENUE PAR LE TOSCA

IL FAUT MAINTENANTASSEMBLER LE PUZZLE !

IASI-NG

LA SUITE : METOP-SG / MTG...

ICI / MWI METOP-SG B

LES ENJEUX :

● CONTINUITÉ● SYNERGIE● INTÉGRATION DANS

SERVICESMÉTÉOROLOGIQUES

● ACCÈS AUX DONNÉES→ AERIS

IASI-NG

LA SUITE : METOP-SG / MTG...

ICI / MWI METOP-SG B

… et bien sûr : ● ADM● EARTH-CARE● GPM

● Suite A-Train ?MESCAL ?

● La vapeur d’eau ! (?)