Characterization of cirrus clouds and dust aerosols with remote sensing: application of radiative transfer models for the study of their radiative effects

(English) Clouds and aerosols are key modulators of the Earth’s radiative balance, yet their interactions remain among the largest sources of uncertainty in climate projections. This Ph.D. thesis investigates aerosol–cloud–radiation processes at mid-latitudes, with emphasis on cirrus clouds and mineral dust, by combining long-term ground-based lidar measurements, radiative transfer modelling, and regional climate simulations. First, a multi-year dataset of MPLNET lidar measurements in Barcelona was analyzed to characterize the geometrical and optical properties of cirrus clouds and to quantify their direct radiative effect. Cirrus occurrence was high, with marked seasonal variability. Distinct radiative behaviours were identified: at nighttime, cirrus clouds warm both top-of-the–atmosphere and bottom-of-the–atmosphere, while during at daytime they consistently warm top-of-the-atmosphere and predominantly cool bottom-of-the-atmosphere. Second, the semi-direct radiative effects of Saharan dust during a coupled dust and heatwave event were assessed with a regional climate model over the Iberian Peninsula. Results highlighted the importance of spectral nudging for an accurate simulation and showed that dust absorption modifies thermodynamic profiles, cloudiness, and the surface energy balance, thereby partially mitigating heatwave impacts. These responses were spatially heterogeneous, reflecting the strong dependence of dust–radiation interactions on dust distribution and meteorological conditions. Third, the role of the dust giant mode and the dust conversion factors for calculating cloud condensation nuclei and ice-nucleating particle concentrations were examined. Incorporating a synthetic giant mode significantly improved the agreement with reference datasets for the dust direct radiative effect, despite inherent uncertainties and idealized assumptions. In addition, dust conversion factors were derived from AERONET and MPLNET lidar measurements, demonstrating the potential of lidar to provide vertically resolved proxies for aerosol indirect effects. (Català) Els núvols i els aerosols són moduladors clau del balanç radiatiu terrestre, tot i que les seves interaccions continuen essent una de les principals fonts d’incertesa en les projeccions climàtiques. Aquesta tesi doctoral investiga els processos d’interacció aerosol–núvol–radiació a latituds mitjanes, amb especial atenció als cirrus i a la pols mineral, mitjançant observacions lidar des de superfície i simulacions amb models de transferència radiativa i de clima regional. En primer lloc, s’analitzà un conjunt d’observacions lidar de MPLNET a Barcelona per caracteritzar les propietats geomètriques i òptiques dels cirrus i quantificar-ne l’efecte radiatiu directe. Es trobà una alta freqüència d’ocurrència, amb una marcada variabilitat estacional. S’identificaren comportaments radiatius diferenciats: a la nit, els cirrus escalfen tant l’atmosfera superior com la inferior, mentre que de dia escalfen l’atmosfera superior i refreden majoritàriament la inferior. En segon lloc, s’avaluaren els efectes radiatius semi-directes de la pols durant un episodi acoblat amb una onada de calor mitjançant un model climàtic regional sobre la Península Ibèrica. L’estudi demostrà la importància del spectral nudging per representar amb precisió l’esdeveniment i mostrà que l’absorció de la pols modifica els perfils termodinàmics, la nuvolositat i el balanç energètic en superfície, mitigant parcialment els efectes de l’onada de calor. Aquestes respostes foren espacialment heterogènies, reflectint la forta dependència de les interaccions pols–radiació amb la distribució de la pols i les condicions meteorològiques. En tercer lloc, s’examinà el paper del mode gegant de la pols i la seva influència en les concentracions de nuclis de condensació de núvols (CCN) i de partícules nucleadores de glaç (INP). La inclusió d’un mode gegant sintètic millorà la concordança amb les dades de referència per a l’efecte radiatiu directe, malgrat les incerteses i supòsits associats. A més, es derivaren factors de conversió de la pols a partir de dades d’AERONET i MPLNET lidar, demostrant el potencial del lidar per estudiar els efectes indirectes dels aerosols. (Español) Las nubes y los aerosoles son moduladores clave del balance radiativo terrestre, aunque sus interacciones siguen siendo una de las principales fuentes de incertidumbre en las proyecciones climáticas. Esta tesis doctoral investiga los procesos de interacción aerosol–nube–radiación en latitudes medias, con especial atención a los cirros y al polvo mineral, mediante observaciones lidar desde superficie y simulaciones de modelos de transferencia radiativa y de clima regional. En primer lugar, se analizó un conjunto de observaciones lidar de MPLNET en Barcelona para caracterizar las propiedades geométricas y ópticas de los cirros y cuantificar su efecto radiativo directo. Se encontró una alta ocurrencia, con una marcada variabilidad estacional. Se identificaron comportamientos radiativos diferenciados: por la noche, los cirros calientan tanto la atmósfera superior como la inferior, mientras que por el día calientan la atmósfera superior y, enfrían la inferior. En segundo lugar, se evaluaron los efectos radiativos semi-directos del polvo durante un episodio acoplado con una ola de calor mediante un modelo climático regional sobre la Península Ibérica. El estudio demostró la importancia del \textit{spectral nudging} para representar con precisión el evento y mostró que la absorción del polvo modifica los perfiles termodinámicos, la nubosidad y el balance energético en superficie, mitigando parcialmente los efectos de la ola de calor. Estas respuestas fueron espacialmente heterogéneas, reflejando la fuerte dependencia de las interacciones polvo-radiación con la distribución de polvo y las condiciones meteorológicas. En tercer lugar, se examinó el papel del modo gigante del polvo y su influencia en las concentraciones de núcleos de condensación de nubes y de partículas nucleadoras de hielo. La inclusión de un modo gigante sintético mejoró la concordancia con los datos de referencia para el efecto radiativo directo, pese a las incertidumbres y suposiciones asociadas. Además, se derivaron factores de conversión del polvo a partir de datos de AERONET y MPLNET lidar, demostrando el potencial del lidar para estudiar efectos indirectos de los aerosoles.