Mid-level clouds in West Africa : observation, characterisation, modelling

Les nuages jouent un rôle important dans le cycle de l'eau et de l'énergie au sein de l'atmosphère. De plus, ils représentent l'une des principales sources d'incertitudes dans les projections des modèles de climat en raison notamment de la difficulté à paramétrer les processus qui leurs sont associés ainsi que leurs interactions avec l'environnement. Dans cette thèse nous étudions les nuages de mi-niveau qui ont été beaucoup moins étudiés que les nuages bas et les nuages hauts, en se focalisant sur l’Afrique de l'Ouest. L'Afrique de l'Ouest se caractérise par une forte saisonnalité des précipitations survenant au Sahel de juin à septembre durant la période dite de mousson. Cette période coïncide également avec le maximum annuel de la couverture nuageuse. Au travers du déploiement de la station mobile ARM (Atmospheric Radiation Measurement) durant une année en 2006 à Niamey (Niger), Bouniol et al. (2012) ont documenté les différents types de nuages observés pendant la mousson et ont montré la présence récurrente de nuages vers 6 km d'altitude dont l’impact radiatif est important dans les domaines du visible et de l'infrarouge. Dans le prolongement de cette étude, l'objectif de cette thèse est donc d'analyser plus en détails ces nuages de mi-niveau en documentant leur occurrence, leur cycle diurne et leurs caractéristiques macro- et microphysiques. Nous analysons également l'environnement thermodynamique dans lequel ces nuages sont observés ainsi que leurs effets radiatifs. D’autre part, en analysant les simulations effectuées dans le cadre du projet CMIP5, Roehrig et al. (2013) ont montré une sous-estimation de ce type de nuages dans les modèles de climat. Nous documentons plus précisément ici comment les modèles de climat et les modèles à aire limitée simulent ces nuages de mi-niveau. Afin de documenter ces nuages, des observations obtenues à partir d'instruments de télédétection active déployés sur deux sites sols : Niamey au Sahel et Bordj Badji Mokhtar au Sahara ont été combinées avec les données satellites de CloudSat et CALIPSO. Ces observations ont révélé une occurrence de ces nuages tout au long de l'année avec une prédominance durant la période de mousson. Ces nuages sont majoritairement observés dans le Sud et l'Ouest de l'Afrique de l'Ouest mais s’étendent jusqu’au cœur du Sahara. Leur présence dans cette zone désertique pourrait s’expliquer par la dynamique de la dépression thermique saharienne (Saharan Heat Low). Ces nuages sont généralement fins (la plupart ont une épaisseur inférieure à 1000 m) et sont principalement composés d'eau liquide. Une méthode de clustering appliquée à ces données nous a permis d'identifier trois types de nuages : le premier avec des bases plus basses, le deuxième avec des bases plus hautes et le dernier avec de plus fortes épaisseurs. Les radiosondages et les mesures de rayonnement nous ont permis de déterminer la stratification thermodynamique dans laquelle ces nuages sont observés ainsi que d’estimer leur impact radiatif. On observe généralement des inversions de température potentielle au sommet des nuages des deux premières familles. Dans les modèles de climat, nous avons mis en évidence une forte dispersion des occurrences des nuages de mi-niveau en termes de fréquence, de position et d’extension sur la verticale et de cycle saisonnier. L'analyse des simulations régionales indique aussi une influence de la résolution spatiale et de la paramétrisation de la convection sur la modélisation des nuages de mi-niveau simulés au Sahel et sur le Sahara.Clouds have an important impact on the water and energy fluxes within the atmosphere. They also represent one of the main sources of uncertainties of climate models projections as a consequence of the difficulty to parametrize their associated processes as well as their interactions with their environment. In this thesis mid-level clouds are studied. Such clouds have been much less studied than low clouds and high clouds and the focus is on the West Africa. West Africa is characterized by a strong seasonality in precipitation that occur in the Sahel from June to September named the monsoon season. This period also coincides with the annual maximum of the cloud cover. Taking advantage of the one-year ARM Mobile Facility (AMF) deployment in 2006 in Niamey (Niger), Bouniol et al. (2012) documented the distinct cloud types observed during the monsoon and showed a frequent occurrence of clouds around 6 km height with an important radiative impact in the surface short-wave and long-wave domains. In the continuity of this study, the aim of this thesis is therefore to analyse in more details these mid-level clouds by documenting their occurrence, their diurnal cycle as well as their macro- and microphysical characteristics. We also analyse the thermodynamical environment in which these clouds are observed and their radiative effects. In a process-oriented evaluation of CMIP5 climate models, Roehrig et al. (2013) showed an underestimation of mid-level clouds. We document more precisely here how climate models and limited-area models simulate these mid-level clouds. To document those clouds, we combine observational data from active remote sensing instruments deployed at the two groundbased sites : Niamey in the Sahel and Bordj Badji Mokhtar in the Sahara, with merged CloudSatCALIPSO satellite. These observations reveal an occurrence of those clouds throughout the year with a predominance around the monsoon season. These clouds are preferentially observed in the Southern and Western part of West Africa but extend to the heart of the Sahara. Their presence in this desert zone may be explained by the dynamics of the Saharan Heat Low. Those clouds are usually quite thin (most of them are less than 1000 m deep) and mainly composed of liquid water. A clustering method applied to this data allows us to identify three different types of clouds : one with lower bases, one with higher bases and another with larger thicknesses. Radiosondes and radiation measurements allowed us to determine the thermodynamical stratification in which these clouds are observed as well as to estimate their radiative impact. Potential temperature inversions are generally observed at the top of the clouds of the first two families. In the climate models, we showed a strong dispersion of the occurrences of mid-level clouds in terms of frequency, location and vertical extension and seasonal cycle. Analysis of regional simulations also indicates an influence of spatial resolution and of the convection parametrization on the model ability in simulating mid-level clouds in the Sahel and in the Sahara