Study of optical properties of cirrus ice crystals : sensitivity of cirrus clouds radiative properties to vertical variability of ice crystals size distribution

Les nuages constituent une des principales sources d’incertitudes dans les modèles climatiques actuels. Ces incertitudes découlent de la difficulté à établir des paramétrisations permettant d’intégrer correctement les propriétés radiatives des nuages dans les modèles climatiques. Pour améliorer et optimiser ces paramétrisations il est nécessaire de collecter un grand nombre d’informations sur les grandeurs macrophysiques et microphysiques des nuages. La restitution de ces propriétés repose largement sur la comparaison de mesures satellitaires à des simulations réalisées à partir de modèles de transfert radiatif en atmosphère nuageuse. Cette étude est consacrée aux nuages de la haute troposphère de type cirrus dont l’une des caractéristiques est d’être principalement constitués de cristaux de glace non sphériques avec des formes et des tailles variées. Afin de comprendre les propriétés radiatives de ces nuages, il est donc nécessaire d’étudier au préalable les interactions du rayonnement électromagnétique avec ce type de cristaux. Pour cela, nous avons développé plusieurs algorithmes basés sur des approximations de l’optique géométrique et de l’optique ondulatoire. D’autre part, les propriétés radiatives de ces nuages dépendent de leurs caractéristiques macrophysiques et microphysiques, comme l’épaisseur géométrique et l’altitude, l’épaisseur optique, ainsi que la taille et la forme des cristaux qui le composent. Des campagnes aéroportées de mesures in situ ont révélé que ces nuages pouvaient également présenter une variabilité verticale importante de leur distribution granulométrique. Il est donc primordial d’évaluer l’impact radiatif de cette variabilité verticale pour établir si et comment elle doit ître prise en compte dans les modèles. Pour répondre à cette question, nous avons développé un modèle de cirrus permettant de décrire cette hétérogénéité. Nous avons alors montré, à partir de l’évaluation de la sensibilité des propriétés radiatives de ces nuages au profil vertical, qu’il est important de prendre en compte cette hétérogénéité et comment retrouver certaines informations sur le profil vertical par télédétection passiveClouds are a major source of uncertainties in current climate models. These uncertainties arise from the difficulty to establish parameterizations to integrate properly the radiative properties of clouds in climate models. To improve and optimize these parameterizations, it is necessary to collect a large amount of information on macrophysical and microphysical cloud properties. The determination of these properties is mainly based on the comparison of satellite measurements to simulations from radiative transfer models in cloudy atmosphere. In this study, we investigate the radiative properties of cirrus clouds which are composed of ice crystals with various shapes and sizes. Thus, a correct representation of cirrus radiative properties depends on a good understanding of the scattering and absoption properties of ice crystals encountered in this clouds. For this, we have developped several algorithms for the calculation of the single scattering and polarization properties of differents ice crystals model. In addition, the satellite cirrus retrieval algorithms is based on the common assumption that the radiative properties of a cirrus cloud may be represented by a homogeneous cloud model with a specific ice crystal shape and a single particle size distribution. However, in situ observations of cirrus clouds have shown that the shapes and sizes of ice crystals may vary substantially with height within the clouds. So, it is necessary to assess the sensibility of cirrus radiative properties to vertical heterogeneity of ice crystal habit and size distributions. In a second part of this study, we have developed a cirrus cloud models that can account for this vertical heterogeneity. The results suggests that it is critical to take into account cirrus vertical heterogeneity in order to correctly model their radiative properties. Additionally, the results provide guidance for the development of new approach to infer vertical size distribution in ice cloud