Des processus nuageux au climat tropical : Quels processus critiques pour la modélisation?

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1 Des processus nuageux au climat tropical : Quels processus critiques pour la modélisation? Sandrine Bony LMD/IPSL, CNRS, Paris Merci à : Isabelle Tobin, Florent Brient, Camille Risi Jean-Louis Dufresne, Françoise Vimeux - Illustration de quelques incertitudes clé - Approches permettant d'étudier le lien processus climat - Nouvelles approches pour l'évaluation de ces processus dans les modèles Colloque Tropiques Toulouse 1-3 Juin 2010

2 Critique pour la sensibilité climatique : La réponse des nuages tropicaux et du forçage radiatif des nuages à un réchauffement global CMIP3 : changement du CRF net tropical en 1%CO2 (low-sensitivity models) (high-sensitivity models) Reduced cooling effect of clouds Enhanced cooling effect of clouds (Bony and Dufresne, GRL, 2005)

3 Sensitivity of the tropical Cloud Radiative Forcing to global warming Réponse des nuages de couche limite marine : clé pour la sensibilité climatique (cf poster Florent Brient) [ CRF SW SST ] ω High-sensitivity OAGCMs Low-sensitivity OAGCMs (Bony and Dufresne, GRL, 2005)

4 Réponse de la précipitation tropicale à un réchauffement global : - un pattern robuste (effet du réchauffement) - de grosses différences inter-modèles à l'échelle régionale (changements de dynamique)... dues à la très forte sensibilité de la dynamique tropicale à la représentation des processus physiques dans les modèles!

5 Processus physiques et dynamique tropicale Clouds & Precipitation Earth's energy balance & Hydrological Cycle General Circulation Besoin de comprendre le lien entre la représentation des processus physiques et la dynamique atmosphérique de grande échelle pour - comprendre les incertitudes des projections climatiques - comprendre et remédier aux biais des GCMs (ITCZ, MJO, etc) - guider les développements des paramétrisations

6 Processus nuageux et dynamique tropicale Flux radiatifs TOA (OLR) sur bande équatoriale Pacifique Dynamique, Convection?? Vapeur d'eau Nuages

7 TOGA COARE : dry, clear-sky moist, cloudy (Johnson and Ciesielski, 2000; Ciesielski et al., 2003)

8 Processus nuageux et dynamique tropicale Flux radiatifs TOA (OLR) sur bande équatoriale Pacifique Dynamique, Convection?? Vapeur d'eau Nuages - modèles simples - expériences idéalisées (e.g. aquaplanète)

9 Rôle des nuages et de la vapeur d'eau dans la dynamique de l'atmosphère tropicale Flux radiatifs TOA (OLR) sur bande équatoriale Pacifique Dynamique, Convection? Vapeur d'eau Nuages Modèle simple linéaire & Modèle de circulation générale 2D aquaplanète 1. Les interactions convection-humidité : (réévaporation de la pluie, entrainement d'air sec): - favorisent l'émergence des modes d'échelle planétaire, (e.g. oscillations de Madden-Julian) au dépend des modes de petite échelle 2. Les interactions nuages-rayonnement : - ralentissent significativement leur vitesse de propagation Bony & Emanuel, J. Atmos. Sci., 2005 Zurovac-Jevtic, Bony & Emanuel, J. Atmos. Sci., 2006

10 Rôle des processus nuageux dans l'organisation à grande échelle de l'atmosphère tropicale (e.g. variabilité intra-saisonnière) Simulations aqua-planète cld-rad reevap+ Sensibilité aux paramètres des paramétrisations (e.g. efficacité de précip, réévaporation de la pluie) via les interactions nuages-rayt et convection-humidité reduction de l'efficacité de précipitation

11 Impact of the tropospheric cloud radiative forcing on GCM-simulated tropical climate CRF ON CRF OFF PDF of 500hPa omega Cloud-radiative effects strengthen the Hadley-Walker circulation and make the ITCZ more narrow

12 Processus nuageux et dynamique tropicale Flux radiatifs TOA (OLR) sur bande équatoriale Pacifique Dynamique, Convection?? Vapeur d'eau Nuages - modèles simples - expériences idéalisées (e.g. aquaplanète) - modèle 1D en mode WTG (approche économique!)

13 Single-column simulations in Weak Temperature Gradient mode (WTG) (Sobel & Bretherton, J. Climate, 2000) [ if the temperature profile in the free troposphere is externally prescribed, then the vertical velocity can be diagnosed as a function of diabatic processes ]

14 Single-column simulations in WTG mode precip ω 500 evap Bony, ECMWF proceedings, 2008 d'après Sobel & Bretherton 2000

15 Sensibilité de la dynamique de grande échelle aux effets radiatifs des nuages Simulations LMDZ-1D en mode WTG pour des conditions de surface (SST, Vs) données with CRF without CRF with CRF without CRF

16 Sensibilité de la dynamique de grande échelle à la sensibilité de la convection à l'humidité troposphérique (exposition à la réévaporation de la pluie convective) Simulations LMDZ-1D en mode WTG pour des conditions de surface (SST, Vs) données avec forte réévaporation des pluies convectives

17 Quelles applications? Profils de chauffage convectif Compréhension de la structure verticale de ω(z) dans les tropiques (cf TRMM) Compréhension de la réponse des précipitations tropicales (océanique) à un réchauffement global Compréhension de l'influence de modifications des paramétrisations physiques sur la dynamique tropicale (e.g. nelle physique LMDZ) Lien conditions de surface convection/précipitation (structure / intensité de l'itcz, MJO, biais systématiques des modèles)

18 (Biasutti et al., 2006) observations Relation entre humidité et précipitation au-dessus de l'atlantique tropical GCMs

19 Comment évaluer ces processus critiques dans les modèles? - Exploitation des (anciennes et nouvelles) observations spatiales : - A-Train (Calipso, CloudSat, Parasol, AIRS, etc) - Megha-Tropiques - mais aussi TRMM, GPCP, CERES, etc rappeler l'importance de financer l'analyse et l'exploitation scientifique des observations spatiales! - YOTC (Year of Tropical Convection) et évaluations en mode NWP (Transpose-AMIP) - Etudes de cas 1D (e.g. TOGA-COARE, etc) - Isotopes de l'eau! (transport convectif de l'eau, efficacité de la précipitation, réévaporation de la pluie) Chepfer et al RH TOGA COARE (LMDZ-1D)

20 A quand une expérience de type TOGA-COARE incluant des mesures isotopiques? CINDY-DYNAMO? Simulation 1D TOGA-COARE (Bony et al. 2008) Informations sur les processus convectifs Intercomparaison de versions 1D des GCMs et CRMs avec isotopes (cf workshop WAVACS)

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