Développement d'un modèle de nuage tridimensionnel à microphysique détaillée - Application à la simulation de cas de convection profonde

Clouds are a great source of uncertainties in synoptic models and GCM (Global Climate Models). To improve the treatment of clouds in those models, a high resolved 3D cloud model with detailed (bin) microphysics has been developed at the Laboratoire de Météorologie Physique. A comparison with bulk microphysical models will allow their calibration. The first model for warm clouds (Leporini, 2005) couples the dynamics of the NCAR Clark-Hall cloud scale model (Clark and Hall, 1991) with the DEtailed SCAvenging Model (DESCAM) of Flossmann et al. (1985). This thesis focuses on the implementation of an ice phase module. The updated microphysical scheme follows the evolution of aerosol particle, drop and ice crystal spectra each with 39 bins. Aerosol mass in drops and ice crystals is predicted by two distribution functions in order to close the aerosol budget. This detailed model called DESCAM-3D is thus a very efficient tool to study the aerosol-clouds interactions.To validate DESCAM-3D, we compared the model results with airborne observations inside a cumulonimbus from CRYSTAL-FACE (Cirrus Regional Study of Tropical Anvils and Cirrus Layers – Florida Area Cirrus Experiment) and with ground based measurements of precipitation during a medium convective case over the Cévennes' foothills. Sensitivity studies were also made concerning the total number of aerosol particles. The number of aerosol particles in the boundary layer is found to influence precipitation but also the dynamic evolution of the cloud and consequently can have impacts on the properties of the anvil of convective clouds.La représentation des nuages est une source importante d'incertitude dans les modèles à échelle synoptique ou globale. Pour l'améliorer, la solution retenue au Laboratoire de Météorologie Physique consiste à construire un modèle de nuage le plus réaliste possible, pour pouvoir ensuite le comparer avec des représentations plus simplifiées des nuages et détecter leurs éventuelles faiblesses. Dans un premier temps, un modèle de nuage tridimensionnel et à microphysique détaillée pour la phase liquide a été développé par Leporini (2005) à partir du modèle dynamique 3D de Clark et Hall (1991) et du modèle microphysique DESCAM (DEtailed SCAvenging Model) de Flossmann et al. (1985). L'objectif de cette thèse était de compléter ce modèle avec la phase glace. Le modèle final appelé DESCAM-3D utilise au total 195 variables pour décrire les caractéristiques microphysiques des nuages. De plus, 3 distributions (sur 5 au total) servent à représenter les particules d'aérosol résiduelles et interstitielles. Ainsi, le modèle DESCAM-3D est aussi un outil particulièrement adapté pour l'étude des interactions entre aérosol - nuage. Le modèle DESCAM-3D a été validé par comparaison avec des mesures aéroportées dans un nuage convectif de la campagne CRYSTAL-FACE (Cirrus Regional Study of Tropical Anvils and Cirrus Layers – Florida Area Cirrus Experiment) et avec des observations de la précipitation au sol dans un cas de convection moyenne au dessus des Cévennes (Expérience Alès 2004). Enfin, les premières études des interactions aérosol-nuages avec DESCAM-3D ont déjà montré que le nombre des particules d'aérosol influence la précipitation au sol mais aussi la dynamique du nuage et de ce fait peut avoir des répercussions sur les propriétés de l'enclume des nuages convectifs