Interprétation du rayonnement dans la bande 5,7-7,1µm

Les mesures de rayonnement dans les bandes spectrales « Vapeur d’Eau » (« VE ») constituent des indicateurs de l’humidité relative moyenne de la troposphère et permettent ainsi le suivi de ce traceur atmosphérique qu’est la vapeur d’eau. L’exploitation des mesures « VE » offre donc un outil d’analyse de la dynamique atmosphérique à toutes les échelles de temps et d’espace. Depuis le développement des radiomètres « VE » observant la Terre depuis l’espace, l’interprétation de leurs mesures en terme d’humidité relative moyenne s’est de plus en plus précisée. Dans le cadre d’une analyse des interactions dynamiques entre les régions des moyennes latitudes (étude du courant jet polaire) et les régions tropicales et subtropicales, Ramond et al. [1981] ont été amenés à interpréter analytiquement, et pour la première fois, la mesure radiométrique « VE » de METEOSAT. Dans les régions tropicales et subtropicales, les observations « VE » ont ainsi été reliées à la température d’une surface isostère, définie comme une surface d’égal volume spécifique .

En parallèle à ces considérations, Poc et al. [1980] ont relié de manière empirique la mesure « VE » en ciel clair des régions des moyennes latitudes (Europe et bassin Méditerranéen) et la masse de vapeur d’eau de la couche 600-300hPa. Sur cette base, les études successives de Schmetz et Turpeinen [1988] et de Turpeinen et Schmetz [1989] introduisent la notion d’humidité relative de la haute troposphère (terme d’UTH) et produisent cette variable de manière opérationnelle à l’agence Eumetsat, à partir des observations « VE ». Les études suivantes d’inversion des données issues de l’observation « Vapeur d’Eau » sont directement issues des travaux de Ramond et al. et de Poc et al.. Ainsi Soden et Bretherton [1993] ont déterminé de façon analytique la relation entre la mesure « VE » et l’humidité relative moyenne d’une couche épaisse de la troposphère. Cette relation analytique, développée sur la base d’une théorie radiative simplifiée, amène une interprétation géophysique simple de l’imagerie « VE », pour tous les radiomètres observant la Terre dans cette bande spectrale, à bord de satellites défilants ou géostationnaires, et donc, en particulier pour METEOSAT.

Le continuum d’absorption de la vapeur d’eau a été mis en évidence par la comparaison des valeurs théoriques (description des formes des raies) et des observations (en laboratoire ou dans l’atmosphère) [e.g. Morcrette, 1984 ; Clough et al., 1989 ; Liou, 1992]. Ce continuum résulterait de l’accumulation de l’absorption de la vapeur d’eau due aux ailes des raies de l’IR lointain. La présence du continuum de la vapeur d’eau a pour effet de diminuer la quantité de rayonnement émise par l’atmosphère en direction de l’espace.

Dans l’IR, la modélisation du continuum de la vapeur d’eau a longtemps été réalisée dans les régions transparentes au rayonnement, que l’on appelle les fenêtres atmosphériques : 800-1200cm−1 et 2000-3000cm−1 (i.e. 8,3-12,5µm et 3-5µm). Dans ces fenêtres atmosphériques, le continuum d’absorption de la vapeur d’eau est dû aux collisions entre molécules absorbantes semblables (H2O-H2O ; « selfbroadening ») et il est proportionnel à la racine carrée de la quantité de vapeur d’eau [Roberts et al., 1976].

Dans les régions spectrales de forte absorption de la vapeur d’eau, le continuum d’absorption est induit par les collisions entre molécules différentes (e.g. H2O-N2 ; « foreign-broadening ») et est linérairement proportionnel à la quantité de vapeur d’eau. En fait, l’importance de l’absorption individuelle des milliers de raies qui constituent la bande d’absorption « VE » a longtemps conduit à négliger le continuum d’absorption de type « foreign-broadening » [e.g. Weinreb et al., 1981]. Cependant, il a été mis en évidence, par simulations, que l’effet radiatif de ce type de continuum est loin d’être négligeable dans la bande d’absorption « VE », induisant des biais dans les calculs du même ordre de grandeur que les incertitudes d’étalonnage des instruments [Stephens et al, 1996 ; Soden et al, 2000]. Dès lors, la prise en compte du continuum de type « foreign-broadening » dans les modèles de transfert radiatif pour traiter le rayonnement dans la bande spectrale « VE » est primordiale.

Ces deux types de continuum peuvent être traités de manière semi-empirique en considérant, par exemple, des raies dont seules les ailes sont définies [e.g. modèle Clough-Kneizys-Davis (CKD), Clough et al., 1989]. Le modèle de tranfert radiatif RTTOV-7, utilisé dans ce travail de thèse, tient compte des deux types de continuum d’absorption de la vapeur d’eau selon le modèle CKD (version 2.2) [Matricardi et al., 2001] (Annexe B, § B.1).

La partie suivante est consacrée à la description du modèle de transfert radiatif simplifié introduit par Soden et Bretherton [1993] dans le but d’interpréter les mesures « VE » à l’aide d’une relation analytique.

Un modèle simplifié de transfert radiatif

Calcul de la transmission dans la bande « Vapeur d’Eau »

Contexte général
Ainsi que nous l’avons introduit au début de ce chapitre, les mesures de rayonnement dans la bande « VE » peuvent être interprétées en terme d’humidité relative d’une couche de la troposphère. Dans le but d’établir de façon analytique la relation entre cette humidité et la radiance « VE », Soden et Bretherton [1993] ont développé un modèle radiatif simplifié, modèle repris dans la suite par Stephens et al. [1996]. Pour la région spectrale considérée, l’absorption par la vapeur d’eau troposphérique est telle que la contribution de la surface au rayonnement mesuré au sommet de l’atmosphère est généralement négligeable.

Expression analytique de la radiance « VE » : un profil idéalisé

Différentes hypothèses sur la variabilité verticale des profils de température T et d’humidité relative RH sont introduites afin de mettre en évidence une relation entre le rayonnement de la bande « VE » et l’humidité relative de la troposphère. Dans ce paragraphe, nous présentons les différentes étapes et approximations suivies par Soden et Bretherton [1993] pour résoudre l’équation du transfert radiatif simplifiée 2.1 pour le calcul de l’épaisseur optique totale de la bande « VE ». Cette démonstration amène à la détermination de l’équation centrale de ce travail de thèse pour l’interprétation des observations « VE » METEOSAT.

Afin de résoudre l’équation du transfert radiatif simplifiée, les auteurs ont considéré une atmosphère tropicale standard pour laquelle à la fois l’humidité relative RH et le gradient vertical de température sont indépendants de la pression, dans la couche d’atmosphère considérée .

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Table des matières

1 Introduction
1.1 La vapeur d’eau dans le bilan radiatif
1.2 Les mesures de la vapeur d’eau atmosphérique
1.3 Modélisation du climat et du cycle hydrologique
1.4 Organisation de la thèse
2 Interprétation du rayonnement dans la bande 5,7-7,1µm
2.1 Introduction
2.2 Absorption par la vapeur d’eau
2.3 Un modèle simplifié de transfert radiatif
2.3.1 Calcul de la transmission dans la bande « Vapeur d’Eau »
2.3.2 Expression analytique de la radiance « VE » : un profil idéalisé
2.4 Interprétation géophysique des TB « Vapeur d’Eau »
2.4.1 Relation entre la TB « Vapeur d’Eau » et l’humidité relative d’une couche
2.4.2 Fonction de poids
2.4.3 Fonction de sensibilité de la TB
2.5 Résumé des principaux résultats
3 Construction d’un algorithme d’inversion pour METEOSAT « VE »
3.1 Introduction
3.2 Données utilisées
3.3 L’humidité de la troposphère libre pour les régions tropicales
3.4 Revue de la méthode d’inversion
3.4.1 Historique de la méthode
3.4.2 Utilisation d’une fonction de sensibilité idéalisée
3.5 Construction de l’algorithme d’inversion des TB pour les Tropiques
3.5.1 Les paramètres de l’algorithme d’inversion
3.5.2 Un opérateur local de moyenne verticale : le jacobien K(RH)
3.5.3 Performances théoriques de l’algorithme d’inversion
3.5.4 Finalisation de l’algorithme d’inversion des TB « VE »
3.5.5 Résumé
3.6 Méthode alternative : une approche locale de l’inversion
3.6.1 Introduction
3.6.2 Principe
3.6.3 Evaluation de la méthode
3.7 Bilan
4 Ajustement de l’étalonnage du canal « Vapeur d’Eau »
4.1 Présentation du problème
4.2 Evaluation de l’étalonnage opérationnel
4.2.1 Effet d’un biais d’étalonnage sur l’imagerie « VE »
4.2.2 Analyses par inter-étalonnage
4.2.3 Diagnostics de contrôle des radiances « VE » dans le système 4D-VAR
4.2.4 Résumé et sources possibles du biais
4.3 La base de données homogènes METEOSAT-5 : de juillet 1983 à février 1997
4.4 Ajustement de l’étalonnage « VE »
4.4.1 Etude de la variabilité temporelle du coefficient d’étalonnage
4.4.2 Etude du biais d’étalonnage et description de la méthode d’ajustement
4.4.3 Application à la période juillet 1983 – février 1997
4.5 Conclusions
5 Conclusion