Caractérisation in situ des propriétés microphysiques et optiques

Caract´erisation in situ des propri´et´es microphysiques et
optiques des nuages : Contribution `a l’am´elioration des
mod`eles de transfert radiatif et des m´ethodes d’inversion
satellitales
Olivier Jourdan
To cite this version:
Olivier Jourdan. Caract´erisation in situ des propri´et´es microphysiques et optiques des nuages
: Contribution `a l’am´elioration des mod`eles de transfert radiatif et des m´ethodes d’inversion
satellitales. Physique [physics]. Universit´e Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2003. Fran¸cais.
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Submitted on 5 Dec 2003 (v1), last revised 16 Jan 2003 (v2)
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Numéro d’ordre : D.U. 1433
UNIVERSITE BLAISE PASCAL
(U.F.R. de Recherche Scientifique et Technique)
ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES FONDAMENTALES
N° : 384
THESE
présentée pour obtenir le grade de
DOCTEUR D’UNIVERSITE
(Spécialité : Physique de l’atmosphère)
par
Olivier Jourdan
Diplômé d’Etudes Approfondies
Caractérisation in situ des propriétés microphysiques et optiques des nuages :
Contribution à l’amélioration des modèles de transfert radiatif et
des methodes d’inversion satellitales
Soutenue publiquement le 26 septembre 2003, devant la commission d’examen :
Présidente Nadine Chaumerliac (LaMP, Clermont-Ferrand)
Rapporteur Gérard Brogniez (LOA, Lille)
Rapporteur Piet Stammes (KNMI, De Bilt, Pays-Bas)
Examinateur Jacques Pelon (SA, Paris VI)
Examinateur Valery Shcherbakov (Institute of Physics of NASB, Minsk, Belarus)
Directeur de thèse Jean-François Gayet (LaMP, Clermont-Ferrand)

Remerciements
Mes remerciements s’adressent tout d’abord au Professeur Harumi Isaka et au directeur de
recherche CNRS Nadine Chaumerliac pour m’avoir fait confiance tout au long de mon DEA et de ma
thèse. Ils m’ont permis d’effectuer mon apprentissage du métier de chercheur dans d’excellentes
conditions au Laboratoire de Météorologie Physique à Clermont Ferrand qu’ils ont successivement
dirigé. Je remercie également Harumi Isaka pour les nombreux conseils scientifiques qu’il m’a
prodigués et Nadine Chaumerliac d’avoir accepté d’être la présidente de mon jury ainsi que d’avoir
patiemment répondu à mes nombreuses interrogations au sujet de mon avenir professionnel.
Un grand merci à mes deux rapporteurs, Piet Stammes du KNMI et Gérard Brogniez du LOA,
qui ont accepté de juger mon travail de doctorat pendant un mois d’août caniculaire. J’ai eu le
privilège de les rencontrer bien avant ma soutenance et leurs conseils et critiques avisés m’ont permis
d’élargir ma vision scientifique et d’améliorer considérablement le travail finalement proposé dans ce
manuscrit.
Je remercie également Jacques Pelon, directeur de recherche au service d’aéronomie, d’être
descendu de la capitale pour venir participer à ce jury. La pertinence de ses remarques me sera, j’en
suis sûr, d’une grande utilité pour l’application de ce travail à une problématique plus globale.
Ce travail n’aurait pu être réalisé sans les conseils, la confiance et le soutien de mon directeur
de thèse, Jean François Gayet ainsi que d’une doublette biélorusse d’exception, Valery Shcherbakov et
Sergey Oshchepkov. La complémentarité de leurs compétences et de leurs visions scientifiques m’a
énormément apporté et j’associe pleinement Jean-François, Valery et Sergey à ce travail. Je leur en
serai toujours extrêmement reconnaissant.
Frédérique Auriol, Guy Febvre, Jean François Fournol et Jean Marc Pichon m’ont été d’une
grande aide pour le dépouillement et le pré-traitement des données ainsi que pour la compréhension de
la physique de la mesure du « Néphélomètre Polaire ». Sans ces taches obscures, l’exploitation
physique des mesures n’aurait pu être menée à terme, c’est pourquoi je les remercie sincèrement.
Merci également à MC Frédéric Szczap, Dr. Céline Cornet et Dr. Nicolas Ferlay qui m’ont fait
partager leur enthousiasme et leur grande connaissance du transfert radiatif nuageux. Leurs conseils et
leur aide se sont toujours révélés judicieux et leur collaboration a notamment porté ses fruits en terme
de production scientifique.
Je voudrais exprimer ma sincère gratitude à Christophe Duroure qui a su attiser ma curiosité
scientifique et fait naître en moi l’envie de continuer dans la recherche après mon stage de DEA.
Merci à Paolo Laj et Alfons Schwarzenbock pour leurs nombreux conseils pleins de tact et de
diplomatie qui m’ont souvent remonté le moral dans les moments difficiles.
Je tiens également à remercier l’ensemble des chercheurs du laboratoire, en particulier ceux du
troisième étage que j’ai plus longuement côtoyés, qui se sont intéressés à mon travail tout en me
distillant de précieuses remarques constructives. Mes remerciements s’adressent également aux
personnels des équipes informatique et administrative pour le temps qu’ils ont consacré à combler mes
lacunes dans ces deux domaines. Je désire remercier tout particulièrement Cécile Yvetot, qui par son
dynamisme, sa gentillesse et son efficacité m’a été d’un grand secours pour résoudre mes problèmes
administratifs.
Le déroulement de ma thèse fut interrompue à mi-parcours par le « devoir pressant » de servir
la nation en effectuant mon service militaire. Ainsi, je voudrais évoquer l’immense service que m’a
rendu Jean Louis Roujean, chargé de recherche au CNRM à Toulouse, en acceptant de prendre le
deuxième classe Jourdan sous son aile pour effectuer un travail de recherche plutôt que de servir en

tant que fusilier commando à la BA d’Evreux. Ce séjour d’un an au CNRM m’a fait énormément de
bien tant scientifiquement qu’humainement.
Pour clore ces remerciements dédiés aux personnes qui m’ont accompagnées lors de mes
années d’apprenti chercheur, je tiens tout particulièrement à évoquer les étudiants, ex ou assimilés qui
ont partagé ces moments riches en émotions que sont les années de thèse. L’effet indirect de ces
personnes sur le climat chaleureux qu’il a régné lors de ma thèse n’étant pas du tout négligeable, il
semble tout a fait justifié que je les remercie en partie nommément (attention la liste est longue) :
Un grand merci donc à Vincent et Damien mes collègues de bureau du Bâtiment 8 et du
Bâtiment 5 respectivement avec qui j’ai échangé mes réflexions sur le statut de thésard, la lenteur des
PCs ou sur le choix d’un synonyme de l’expression « la figure X représente… » mais aussi avec qui
j’ai partagé la joie de sortir enfin des résultats convenables ou un programme qui marche.
Merci aux anciens, Fred P. (concurrent direct de Georges Abidbol), Justine, Manu les bons
tuyaux et Maud alias Jewellery avec qui j’ai passé des soirées du jeudi inoubliables chez le non moins
inoubliable Fred S. Cette ambiance fut idéalement recréée par mes admirables collègues de promo
Dimitri et Gilles épaulés par ceux de ma promo d’adoption, Nickos, Régis (impérial aux colons de
Catane) et Fanny. Je tiens également à remercier la génération montante que sont Céline et Marie et
leur bonne humeur quasi quotidienne, Laurent (Monsieur Nice by night), Pascal (Mr. maracas) et avec
une mention particulière pour Mathieu dont la grandeur d’âme n’est plus à démontrer.
Mille mercis à mes trois frères d’adoption que sont Alex, Olivier et Patrick qui par leur
complémentarité et leurs qualités humaines exceptionnelles m’ont été d’une grande aide pour franchir
ce cap important de ma vie.
Enfin, je voudrais évoquer les membres de ma famille élargie qui ont toujours été là pour me
soutenir et à qui je dédie ce travail en espérant avoir été à la hauteur. Je ne trouverai pas de mots assez
forts pour leur exprimer ma reconnaissance, ainsi je me contente de dire un grand merci à mes parents,
ma sœur et bien évidemment à Karine S. dont l’aide scientifique et psychologique fut déterminante
pour mener ce projet à terme.

Résumé
L’évaluation de l’impact des nuages sur le bilan radiatif du système Terre-atmosphère représente un
intérêt majeur pour l’étude du climat et de son évolution. Cependant, compte tenu de la grande variabilité des
propriétés morphologiques et microphysiques des particules nuageuses, la représentation des processus couplés
microphysiques et radiatifs reste limitée dans la plupart des modèles de climat atténuant ainsi la crédibilité des
scénarii prévisionnels proposés. Le développement de paramétrisations microphysiques capables de retranscrire
correctement les propriétés radiatives des nuages requiert alors un grand nombre de mesures de leurs propriétés
microphysiques et optiques à différentes échelles d’observation.
C’est dans ce cadre que s’inscrit cette étude en proposant une caractérisation fiable et précise des
propriétés optiques et microphysiques de nuages de phases thermodynamiques différentes à l’aide de mesures in
situ. L’exploitation de l’information déduite de la synergie entre différentes sondes aéroportées à une échelle
d’observation fine permettra ensuite d’améliorer et de valider les algorithmes d’inversion appliqués aux mesures
satellitales à une échelle globale.
La quantification des relations entre propriétés microphysiques et propriétés optiques ou radiatives des
nuages nous a, dans un premier temps, conduit à développer un modèle microphysique hybride basé sur une
combinaison de particules sphériques d’eau liquide et de cristaux hexagonaux de rapport d’aspect variable. Bien
que cette approche ne soit pas réaliste d’un point de vue microphysique, il a été montré que le modèle hybride
était capable de simuler des propriétés optiques en accord avec les observations in situ, quelle que soit la phase
thermodynamique du nuage.
Dans un deuxième temps, une base de données regroupant une grande variété d’évènements nuageux a
été construite à partir de mesures issues de différents instruments et campagnes d’observations. Une analyse
statistique en composantes principales (ACP) a ensuite été implémentée sur les mesures de sections efficaces de
diffusion volumique réalisées par le « Néphélomètre Polaire » aéroporté du LaMP. Elle nous a permis de
regrouper les mesures en fonction de leur « signature » optique, révélatrices des variations des propriétés
microphysiques des nuages au sein de la base de données. La classification des tendances observées dans
l’espace des composantes principales a été rendue possible par l’utilisation d’un réseau de neurones (perceptrons
multicouches). La complémentarité de l’ACP et des réseaux de neurones nous a ainsi permis de classifier
l’ensemble des mesures en trois groupes de nuages de phases thermodynamiques différentes (nuages de
gouttelettes d’eau liquide, nuages en phase mixte et nuages de cristaux de glace). Cette classification a ensuite
été validée par des mesures microphysiques indépendantes réalisées par les sondes de la gamme PMS (FSSP-100
et 2D-C).
Il fut ainsi possible d’extraire trois sections efficaces de diffusion volumique moyennes, documentées
entre 15° et 155° à une longueur d’onde de 0.8 µm, représentatives des trois types de nuages identifiés.
L’interprétation de ces indicatrices de diffusion, à partir d’une méthode d’inversion basée sur la modélisation
physique des processus de diffusion par l’intermédiaire du modèle hybride, a montré que l’information contenue
dans les mesures de diffusion était suffisante pour restituer la composition et les distributions dimensionnelles
caractéristiques des trois classes de nuages. Cette assertion a ensuite été validée par le fait que les spectres
volumiques inversés étaient en bon accord avec les granulométries obtenues à partir des mesures microphysiques
directes du FSSP-100 et du 2D-C. Néanmoins, les résultats obtenus par ces analyses ne décrivent pas l’ensemble
des propriétés de diffusion simple des nuages.
La dernière étape a donc consisté à exporter l’information contenue dans les indicatrices de diffusion
documentée entre 15° et 155° à une longueur d’onde de 0.8 µm vers les zones de diffusion avant et arrière puis
de la projeter pour deux longueurs d’ondes du proche infra-rouge (1.6 µm et 3.7 µm), significatives pour la
modélisation du transfert radiatif. A partir du modèle hybride de diffusion, des indicatrices de diffusion
correspondant aux distributions volumiques restituées par la méthode d’inversion, ont ainsi pu être calculées
entre 0° et 180° pour des longueurs d’ondes de 0.8, 1.6 et 3.7 µm. Cette procédure a été appliquée aux trois types
de nuages ainsi qu’à des nuages de type cirrus dont l’impact radiatif reste encore mal appréhendé par la
communauté scientifique. Des propriétés microphysiques et optiques moyennes ont ainsi pu être déterminées
pour ces quatre catégories de nuages et nous ont permis de construire des tables d’interpolation représentatives et
directement exploitables dans les algorithmes de restitution de paramètres nuageux utilisés en télédétection
passive.