Caractérisation in situ des propriétés microphysiques et optiques des nuages : Contribution à l'amélioration des modèles de transfert radiatif et des méthodes d'inversion satellitales

L'evaluation de l'impact des nuages sur le bilan radiatif du systeme Terre-atmosphere represente un interet majeur pour l'etude du climat et de son evolution. Cependant, compte tenu de la grande variabilite des proprietes morphologiques et microphysiques des particules nuageuses, la representation des processus couples microphysiques et radiatifs reste limitee dans la plupart des modeles de climat attenuant ainsi la credibilite des scenarii previsionnels proposes. Le developpement de parametrisations microphysiques capables de retranscrire correctement les proprietes radiatives des nuages requiert alors un grand nombre de mesures de leurs proprietes microphysiques et optiques a differentes echelles d'observation. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette etude en proposant une caracterisation fiable et precise des proprietes optiques et microphysiques de nuages de phases thermodynamiques differentes a l'aide de mesures in situ. L'exploitation de l'information deduite de la synergie entre differentes sondes aeroportees a une echelle d'observation fine permettra ensuite d'ameliorer et de valider les algorithmes d'inversion appliques aux mesures satellitales a une echelle globale. La quantification des relations entre proprietes microphysiques et proprietes optiques ou radiatives des nuages nous a, dans un premier temps, conduit a developper un modele microphysique hybride base sur une combinaison de particules spheriques d'eau liquide et de cristaux hexagonaux de rapport d'aspect variable. Bien que cette approche ne soit pas realiste d'un point de vue microphysique, il a ete montre que le modele hybride etait capable de simuler des proprietes optiques en accord avec les observations in situ, quelle que soit la phase thermodynamique du nuage. Dans un deuxieme temps, une base de donnees regroupant une grande variete d'evenements nuageux a ete construite a partir de mesures issues de differents instruments et campagnes d'observations. Une analyse statistique en composantes principales (ACP) a ensuite ete implementee sur les mesures de sections efficaces de diffusion volumique realisees par le " Nephelometre Polaire " aeroporte du LaMP. Elle nous a permis de regrouper les mesures en fonction de leur " signature " optique, revelatrices des variations des proprietes microphysiques des nuages au sein de la base de donnees. La classification des tendances observees dans l'espace des composantes principales a ete rendue possible par l'utilisation d'un reseau de neurones (perceptrons multicouches). La complementarite de l'ACP et des reseaux de neurones nous a ainsi permis de classifier l'ensemble des mesures en trois groupes de nuages de phases thermodynamiques differentes (nuages de gouttelettes d'eau liquide, nuages en phase mixte et nuages de cristaux de glace). Cette classification a ensuite ete validee par des mesures microphysiques independantes realisees 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, documentees entre 15° et 155° a une longueur d'onde de 0.8 µm, representatives des trois types de nuages identifies. L'interpretation de ces indicatrices de diffusion, a partir d'une methode d'inversion basee sur la modelisation physique des processus de diffusion par l'intermediaire du modele hybride, a montre que l'information contenue dans les mesures de diffusion etait suffisante pour restituer la composition et les distributions dimensionnelles caracteristiques des trois classes de nuages. Cette assertion a ensuite ete validee par le fait que les spectres volumiques inverses etaient en bon accord avec les granulometries obtenues a partir des mesures microphysiques directes du FSSP-100 et du 2D-C. Neanmoins, les resultats obtenus par ces analyses ne decrivent pas l'ensemble des proprietes de diffusion simple des nuages. La derniere etape a donc consiste a exporter l'information contenue dans les indicatrices de diffusion documentee entre 15° et 155° a une longueur d'onde de 0.8 µm vers les zones de diffusion avant et arriere puis de la projeter pour deux longueurs d'ondes du proche infra-rouge (1.6 µm et 3.7 µm), significatives pour la modelisation du transfert radiatif. A partir du modele hybride de diffusion, des indicatrices de diffusion correspondant aux distributions volumiques restituees par la methode d'inversion, ont ainsi pu etre calculees entre 0° et 180° pour des longueurs d'ondes de 0.8, 1.6 et 3.7 µm. Cette procedure a ete appliquee aux trois types de nuages ainsi qu'a des nuages de type cirrus dont l'impact radiatif reste encore mal apprehende par la communaute scientifique. Des proprietes microphysiques et optiques moyennes ont ainsi pu etre determinees pour ces quatre categories de nuages et nous ont permis de construire des tables d'interpolation representatives et directement exploitables dans les algorithmes de restitution de parametres nuageux utilises en teledetection passive.