Nuages ​​cumulus, bas et sans pluie, tirent leur nom du mot latin pour « tas ». Avec des bases plates et des surfaces supérieures gonflées, de tels nuages ​​semblent bouillonner dans le ciel, virant au gris en bas et au blanc brillant en haut.

La façon dont ces nuages ​​se forment est d'un grand intérêt pour les scientifiques. Ils réfléchissent beaucoup la lumière du soleil et jouent un rôle important dans la répartition de la chaleur et de la vapeur d'eau dans la basse atmosphère, impactant la température de surface, et l'humidité du sol.

Ces nuages ​​et d'autres se forment lorsque la chaleur et l'humidité s'élèvent de la surface de la Terre vers l'atmosphère plus froide. Les courants ascendants sont le moteur de ce mouvement, ainsi que le mouvement descendant et de mélange créé par les courants descendants concurrents.

"Les cumulus peu profonds sont la manifestation visuelle des courants ascendants, " explique Pavlos Kollias, un scientifique de l'atmosphère au Brookhaven National Laboratory (BNL) à Long Island, New York. (Il a également un poste conjoint à l'Université Stony Brook à proximité.)

Les premières études sur le fonctionnement de ces nuages ​​utilisaient des radars de profilage des nuages. Ces instruments, généralement déployé sur des sites au sol, prenez des mesures rapides à haute résolution des conditions (y compris la vitesse du vent) dans une colonne étroite juste au-dessus du radar.

Kollias a rappelé ses études supérieures en cumulus peu profond à l'Université de Miami avec le mentor Bruce Albrecht. "À l'époque, " il dit, "l'utilisation d'un radar de profilage était tout ce que nous pouvions espérer."

Aujourd'hui, l'instrumentation de profilage des nuages ​​est bien en vue à l'observatoire atmosphérique des Grandes Plaines du Sud (SGP), exploité par l'installation utilisateur de mesure du rayonnement atmosphérique (ARM) du département de l'Énergie des États-Unis (DOE).

Fixer la vitesse verticale

Kollias fait partie d'une équipe basée au BNL qui étend les instruments utilisés en incluant le lidar Doppler pour améliorer l'évaluation des modèles. Cela conduit à de meilleures estimations de l'ampleur et de la gamme des courants ascendants et descendants formant des nuages ​​à la base des nuages ​​et en dessous.

La vitesse verticale à la base des nuages, il dit, "est un paramètre très important" pour comprendre l'évolution de la couche limite de l'atmosphère et les cycles de vie des nuages. Une représentation plus précise de la vitesse verticale et de son interaction avec les nuages ​​améliorerait la précision prédictive des modèles du système terrestre.

"La base des nuages ​​est l'endroit où les nuages ​​sont générés et beaucoup d'énergie y entre, " dit son collègue, Satoshi Endo, un scientifique associé au BNL dont l'expertise est la modélisation haute résolution, physique des nuages, et la météorologie de la couche limite.

Cela fait de "la vitesse verticale de la base des nuages ​​une propriété essentielle pour comprendre la formation et le développement des nuages, " ajoute-t-il. " Il quantifie également l'échange d'air entre la couche limite et l'atmosphère au-dessus, et représente le transport vertical par les nuages."

Pourtant, les modèles et les observations ne s'accordent souvent pas sur la vitesse verticale à la base des nuages.

Les chercheurs du BNL pensent qu'améliorer la modélisation de la coquille au bord de ces nuages ​​pourrait au moins en partie expliquer pourquoi les observations et les modèles varient.

Ajout d'un lidar Doppler

Kollias et ses collègues du BNL et d'ailleurs intègrent les lidars Doppler dans le schéma de mesure et d'évaluation des modèles. Ils pensent que ses forces de mesure pourraient aider à combler l'écart entre les modèles et les observations pour caractériser la base des nuages.

L'équipe principale est un groupe interdisciplinaire d'observateurs et de modélisateurs. Endo et Damao Zhang, un chercheur associé qui étudie les propriétés physiques du cloud et se spécialise dans les algorithmes de récupération, font le gros du travail.

L'équipe principale de Kollias est complétée par Andrew Vogelmann de BNL, le chercheur principal du projet.

Le lidar Doppler est une technologie de télédétection similaire au radar qui envoie une impulsion laser dans l'air et cherche à voir quelle lumière est renvoyée par les petites particules. Cette information est ensuite utilisée analytiquement pour voir si les particules se rapprochent ou s'éloignent de l'appareil, entre autres détails.

Contrairement au radar, Le lidar Doppler peut « voir » les vents lorsqu'il n'y a pas de nuages ; il détecte la dispersion des aérosols et interprète ces signaux.

Et contrairement au radar, lidar n'est pas non plus confondu avec le biote atmosphérique (principalement les insectes).

L'apport de données lidar Doppler concentrées est devenu possible il y a deux ans. C'est à ce moment-là qu'ARM a ajouté un réseau de quatre lidars dans un anneau autour d'un qui fonctionnait déjà dans l'installation centrale de SGP. Le réseau lidar est disposé au nord-ouest, nord-est, sud-ouest, et les coins sud-est d'une superficie de 90 kilomètres (56 miles) de diamètre.

Nuage de troupeau 'bovins'

Les efforts de l'équipe BNL s'inscrivent dans le cadre du projet de développement et de validation de modèles climatiques (CMDV) du DOE "Coupling Mechanistically the Convective Motions and Cloud Macrophysics in a Climate Model" (CM4).

L'objectif de CM4 est d'améliorer considérablement la représentation de la convection peu profonde grâce à des analyses observationnelles avancées des cumulus peu profonds. CM4 développe des méthodes avancées de modélisation du paramétrage.

Le chef d'équipe pour CMDV-CM4 est David Romps du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Ses co-investigateurs sont de BNL (dont Kollias, Vogelmann, et le météorologue Michael Jensen), avec des collaborateurs de l'Université de Washington et de l'Université du Texas, Austin.

Le projet, soutenu par le programme de recherche sur le système atmosphérique du DOE, a été officiellement lancé en 2016. Il utilise une nouvelle suite d'instruments dans la recherche d'informations sur le comportement des nuages ​​bas. Cette suite comprend désormais la gamme améliorée de lidars Doppler de SGP.

La cible de la représentation améliorée est le modèle du système terrestre à l'échelle énergétique exascale (E3SM) du DOE, qui met l'accent sur la modélisation du système terrestre complet en vue d'exploiter l'informatique exascale de nouvelle génération du DOE.

Représenter le mouvement convectif dans les modèles est difficile car les courants ascendants et descendants sont des tourbillons turbulents complexes qui bouillonnent de haut en bas.

Pensez aux nuages ​​turbulents qui se forment vers le haut comme à un "troupeau de bétail se dirigeant dans la même direction, " dit Vogelmann, « bien que chaque vache puisse se déplacer légèrement différemment des autres. »

Vogelmann et son équipe se demandent comment représenter la vitesse verticale à la base des nuages ​​en évaluant la différence entre les observations et les simulations.

Le lidar Doppler situé au SGP a donné à Vogelmann et aux autres chercheurs un moyen d'obtenir des données sur ce troupeau turbulent de bétail occupé à former des nuages.

De là, l'équipe du BNL a formulé une stratégie élargie pour évaluer les modèles en ajoutant dans les archives nouvellement disponibles des simulations de routine des grands tourbillons (LES) ARM conçues pour compléter les observations ARM.

La bibliothèque de simulation, sur la base de mesures de routine quotidiennes chez SGP, s'appelle LASSO, qui signifie LES ARM Symbiotic Simulation and Observation workflow.

LASSO crée des champs de nuages ​​modélisés en 3D, statistiques, et des entrées de modèles facilement accessibles, permettant aux chercheurs de tester des modèles en utilisant des approches statistiques au-delà de cas uniques.

Ses simulations de modèle de routine capturent l'activité des cumulus peu profonds dans des conditions LES au SGP - le genre de simulations basées sur l'observation dont les modélisateurs ont besoin. Les données sont regroupées en paquets de données à partir d'une bibliothèque de jours nuageux soigneusement choisis par les administrateurs de LASSO.

LASSO facilite également l'obtention de ces données.

"Ce n'est pas anodin, " dit Vogelmann, puisqu'il faut tellement de temps pour assembler un ensemble de données similaire pour une seule journée, beaucoup moins une série de jours. "Il y a beaucoup de choses qui se passent en arrière-plan."

Il est co-chercheur principal sur le projet LASSO, rejoint par William Gustafson du Pacific Northwest National Laboratory.

L'utilisation des ensembles de données LASSO bat la configuration d'un modèle basé sur "juste une journée cool" qui peut ne pas bien représenter l'environnement du ciel dans un modèle, dit Vogelmann. "Vous devez conduire le modèle avec une atmosphère réaliste."

Synergie Lidar-LASSO

Vogelmann et les autres avaient une lueur de ce qu'ils pourraient faire il y a un an. Elle s'est progressivement imposée depuis lors au cours de quelques conférences publiques, en commençant par un l'automne dernier lors de la réunion de l'American Geophysical Union. Plus récemment, ils ont présenté une conférence lors de la réunion de juillet de l'American Meteorological Society Cloud Physics.

Il n'y a pas encore de papier, dit Vogelmann (un est en préparation), mais la réponse aux discussions de la communauté des mannequins a été bonne jusqu'à présent. Cela inclut l'intérêt pour ce qu'il appelle les résultats « incroyablement robustes » et la façon dont « l'environnement est intégré au modèle ».

Sur la base des cinq lidars Doppler, les chercheurs ont entrepris d'observer les statistiques de la vitesse verticale à la base des nuages ​​au SGP et de tester les LES à l'aide du LASSO.

Ils ont utilisé des observations lidar SGP de mai à septembre 2016 et 2017, des cumulus peu profonds de beau temps identifiés, et la vitesse verticale à la base des nuages ​​observée et simulée.

Leurs simulations LASSO se sont appuyées sur une série de cas de 2016 exécutés avec le modèle communautaire de recherche et de prévision météorologiques (WRF) dans un domaine de ciel de 14,5 kilomètres.

Des travaux supplémentaires à venir comprennent la vérification des observations de vitesse verticale à partir de campagnes de recherche sur les aéronefs et le test de modèles interactifs de surface terrestre.

« Nous avons investi beaucoup de temps pour comprendre et analyser les observations, " dit Kollias, résumer. "L'effort en cours n'est en aucun cas décourageant. C'est tout ce que nous espérions."