Soutenance mémoire
Seules les observations satellitales sont capables de fournir des informations sur l’état de l’atmosphère à une échelle globale et de façon continue. Actuellement, il existe des séries d’observations sur vingt ans, permettant un premier suivi climatique des propriétés nuageuses. Les instruments à bord d’un satellite polaire prennent des mesures en un point donné deux fois par jour, à la même heure locale. Par contre les satellites géostationnaires ont une fréquence de mesure plus grande, mais chacun d’entre eux ne voit qu’un quart de la terre. C’est pourquoi l’observation régulière de la terre est effectuée grâce à la combinaison des mesures à partir de ces deux types de satellites.
Les radiomètres embarqués à bord des satellites mesurent le rayonnement émis, réfléchi et diffusé par l’ensemble des composantes atmosphériques ainsi que par la surface terrestre. La détermination des propriétés atmosphériques à partir de ces mesures radiatives s’effectue à travers le procédé de l’inversion de l’équation de transfert radiatif. Dans le cadre du projet Pathfinder (programme international piloté conjointement par la NOAA et la NASA), l’équipe ARA (Analyse du Rayonnement Atmosphérique) du LMD est en train de constituer une base de données climatiques à partir des mesures des sondeurs verticaux du système TOVS (TIROS-N Operational Vertical Sounder), embarqué à bord des satellites polaires NOAA. Cette base de données, TOVS Path-B, contient l’altitude et l’émissivité infrarouge des nuages ainsi que les profils atmosphériques de température et de vapeur d’eau et couvre actuellement la période de 1987 à 1995 (Scott et al., 1999). Les données sont disponibles à une résolution spatiale de 1° latitude x 1° longitude. La bonne résolution spectrale de ces instruments permet une détermination fiable des propriétés des cirrus, de jour comme de nuit. Récemment la base de données TOVS Path-B a été complétée par des propriétés microphysiques des cirrus. Il s’agit de la taille effective des cristaux de glace ainsi que de l’épaisseur en glace de ces nuages.
Inversion des données TOVS à partir du modèle 3I
Le sondeur vertical TOVS est embarqué à bord des plates-formes météorologiques de la NOAA. Le lancement de la série des instruments TOVS a démarré en 1979, et depuis, sans interruption, des mesures des caractéristiques atmosphériques, nuageuses ainsi que de la surface terrestre sont réalisées. En principe, deux satellites sont simultanément en fonction permettant d’obtenir, pour chaque point du globe, un ensemble de quatre observations par jour. Nous observons que le temps d’observation reste relativement stable pour les satellites du soir (heure de passage vers 7h30 et 19h30). Par contre l’heure d’observation des satellites de l’après-midi (heure de passage vers 2h30 et 14h30) se met à dériver jusqu’à environ une heure par an. Actuellement les données de la base TOVS Path-B proviennent des observations réalisées par NOAA10, NOAA11 et NOAA12. Prochainement cette base de données sera élargie à toute la période de fonctionnement des sondeurs TOVS.
Le système TOVS est équipé de trois radiomètres passifs mesurant le rayonnement émis et diffusé dans les régions spectrales allant du visible jusqu’aux micro-ondes :
• Le radiomètre HIRS-2 (High resolution InfraRed Sounder) est un sondeur composé de 19 canaux dans l’infrarouge et un canal dans le visible. Suivant l’angle azimutal de visé, la taille d’un spot varie de 18 km à 58 km. Les longueurs d’ondes des canaux ont été choisies afin de permettre un sondage étagé sur différentes couches atmosphériques.
• Le radiomètre MSU (Microwave Sounding Unit) est un sondeur composé de 4 canaux autour de 55 GHz. La taille d’un spot MSU varie de 109 km à 323 km.
• Le radiomètre SSU est un sondeur infrarouge composé de 3 canaux autour de 15 µm permettant le sondage de la haute stratosphère.
Principes du modèle d’inversion 3I
3I (Improved Initializiation Inversion) est un modèle d’inversion de l’équation de transfert radiatif qui a été développé par l’équipe ARA du LMD (Chédin et Scott, 1984; Chédin et al., 1985). Ce modèle permet de restituer les principaux paramètres géophysiques à partir des observations de TOVS. La procédure d’inversion 3I est une méthode physico-statistique reposant sur la physique du transfert radiatif ainsi que sur les théories statistiques de l’information a priori et de la reconnaissance de formes. La non-linéarité de l’équation de transfert radiatif ainsi que la non-unicité de sa solution font que l’inversion de cette équation est un problème mal conditionné nécessitant une connaissance a priori de l’atmosphère. L’originalité de l’inversion 3I est de trouver une solution initiale aussi proche que possible de la situation atmosphérique observée, ceci en se servant de la banque de données TIGR (Thermodynamic Initial Guess Retrieval).
La banque TIGR est une base synthétique regroupant un vaste ensemble de situations atmosphériques représentatives des situations qui peuvent être rencontrées sur le globe. Au total, TIGR est constitué de 2300 situations atmosphériques sélectionnées parmi un ensemble de 150 000 mesures radiosondes (Chevallier, 1998). Suivant le profil de température virtuelle, les situations atmosphériques de TIGR sont divisées en cinq catégories de masse d’air : une tropicale, deux de moyennes latitudes et deux polaires (Achard, 1991). Le but de cette division est de construire des ensembles pour lesquels les propriétés atmosphériques sont relativement homogènes. Pour les 2300 situations atmosphériques de TIGR, les transmissions en fonction du niveau de pression ainsi que les températures de brillance des canaux HIRS et MSU ont été pré-calculées à l’aide du modèle de transfert radiatif raie-par-raie 4A (Automatized Atmospheric Absorption Atlas) (Scott et Chédin, 1981). Ces calculs sont réalisés pour 10 angles de visée, 19 niveaux de pression de surface et pour deux types de surface : terre et mer.
Pour la classification en masse d’air, les températures de brillance des canaux MSU 2, 3, 4 et du canal HIRS 3 sont comparées aux moyennes de leurs températures équivalentes des différentes classes de la base TIGR. L’observation est attribuée à la classe pour laquelle les différences entre les températures de brillance sont les plus faibles. Le choix des canaux TOVS précédents pour l’identification de la masse d’air est lié au fait que ces derniers sont moins sensibles à une éventuelle présence des nuages.
Avant de procéder à l’inversion de l’équation de transfert radiatif on cherche à déterminer si les spots de HIRS sont contaminés par les nuages. Cette étape est très importante car les profils verticaux de température et de vapeur d’eau ainsi que la température de surface ne seront déterminés qu’à partir des spots de ciel clair ou clarifiés (Chédin et al., 1985). Ces propriétés nuageuses seront déterminées à partir des spots nuageux. Pour détecter les nuages, une série de tests est appliquée à chaque spot HIRS. Ces tests reposent essentiellement sur la cohérence entre les différents canaux TOVS ainsi que sur l’hétérogénéité de la scène. En effet, les canaux micro-ondes MSU sondent à travers les nuages permettant ainsi l’estimation des températures de brillance d’une situation de ciel clair. La comparaison de cette température avec celle reconstruite à partir d’une régression sur des températures de brillance mesurées par différents canaux HIRS décide si le spot est clair ou nuageux (un résumé des tests nuageux est valable dans Stubenrauch et al. (2004)). Ensuite les températures de brillance seront moyennées sur des ensembles de spots couvrant 100 km x 100 km (six à douze spots dépendant de l’angle de visé), séparément sur les spots à ciel clair et les spots nuageux. La résolution de ces « boîtes » est un compromis entre la taille des spots HIRS et celle des spots MSU. Une boîte est déclarée claire lorsque tous les spots HIRS passent avec succès les tests nuageux, elle est déclarée nuageuse dans le cas où tous les spots sont nuageux et elle est partiellement nuageuse dans les autres cas.
Pour déterminer la solution initiale, les luminances claires ou décontaminées de l’effet des nuages sont comparées à celles de la classe de TIGR correspondante à l’observation (type de masse d’air, angle de visée, pression de surface et type de surface). La moyenne des profils atmosphériques de TIGR les plus proches de l’observation est retenue comme une solution initiale pour la restitution de la température.
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Table des matières
Introduction
1. Les propriétés des cirrus à partir des observations TOVS
1.1 Inversion des données TOVS à partir du modèle 3I
1.1.1 Principes du modèle d’inversion 3I
1.1.2 Détermination des propriétés nuageuses
1.2 Détermination des propriétés microphysiques des cirrus
1.2.1 Paramètres microphysiques et optiques des cirrus
1.2.2 Méthode de caractérisation des propriétés microphysiques des cirrus
1.2.2.1 Simulation des émissivités de cirrus en fonction de De
1.2.2.2 Détermination de De et IWP
1.3 Variations régionales et saisonnières des propriétés de cirrus
1.3.1 Propriétés physiques des nuages hauts
1.3.2 Propriétés microphysiques des cirrus
1.4 conclusion
2. Evaluation de l’altitude des nuages de TOVS Path-B à partir des mesures de LITE
2.1 Base de données des propriétés nuageuses à partir de LITE et TOVS PathB
2.1.1 La mission LITE
2.1.2Collocation des données LITE et TOVS Path-B
2.1.3 Inversion des profils de rétro-diffusion de LITE
2.1.4 conversion de la pression de nuage de TOVS en altitude de nuage
2.1.4.1 Utilisation des profils instantanés du National Meteorology center
2.1.4.2 Utilisation des profils mensuels de température virtuelle de TOVS
2.2 Comparaison des altitudes de nuage
2.2.1 Nuages bas de TOVS Path-B
2.2.1.1 Cas d’une couche nuageuse détecté par LITE
2.2.1.2Cas de plusieurs couches nuageuses détectés par LITE
2.2.2 Nuages hauts de TOVS Path-B
2.2.2.1 Cas d’une couche nuageuse détecté par LITE
2.2.2.2 Cas de plusieurs couches nuageuses détectés par LITE
2.3 Distributions zonales
2.4 Conclusions
3. Corrélation entre les propriétés microphysiques des cirrus et l’état de l’atmosphère
3.1 Corrélations entre épaisseur en glace, diamètre effectif des cristaux et température
3.1.1 Distinction entre cirrus optiquement fins et plus épais
3.1.2Corrélation entre diamètre effectif des cristaux et épaisseur en glace
3.2 Propriétés atmosphériques liées aux cirrus
3.2.1 Champs d’humidité et de vents à partir des ré-analyses ERA-40
3.2.2 Collocation des propriétés des cirrus (TOVS Path-B) et de leurs propriétés atmosphériques (ERA-40)
3.2.3 Variations régionales et saisonnières des propriétés atmosphériques sous-jacentes
3.3 Corrélations entre épaisseur en glace, diamètre effectif des cristaux et humidité atmosphérique et vents à grande échelle
3.4 Conclusions
4. Détermination de la meilleure représentation des propriétés microphysiques des cirrus pour le rayonnement dans les modèles de climat
4.1 Transfert radiatif dans un modèle de climat
4.1.1 Paramètres radiatifs de base
4.1.2 Processus radiatifs dans l’atmosphère
4.1.2.1 La diffusion
4.1.2.2 L’absorption et l’émission atmosphérique
4.1.2.3 Equation de transfert radiatif
4.1.3 Le modèle de transfert radiatif du MetOffice
4.2 Base de données des propriétés de cirrus (TOVS Path-B) et de leurs flux radiatifs (ScaRaB)
4.2.1 Les flux radiatifs
4.2.1.1 La mission ScaRaB
4.2.1.2 Application des modèles angulaires pour le flux solaire réfléchi
4.2.2 Collocation des données TOVS Path-B et ScaRaB
4.2.3 Elimination des nuages à plusieurs couches
4.3 Analyse des flux radiatifs des cirrus
4.3.1Calcul des flux radiatifs à partir des données TOVS Path-B
4.3.2 Etude de sensibilité aux données d’entrée
4.3.2.1 Sensibilité au profil vertical de température
4.3.2.2 Sensibilité au profil vertical de vapeur d’eau
4.3.2.3 Sensibilité aux propriétés nuageuses
4.3.3 Comparaison des albédos de cirrus à partir de différentes paramétrisations des propriétés de diffusion simple
4.3.4 Test de la cohérence des propriétés de diffusion simple entre le domaine thermique et solaire
4.3.4.1 Corrélation entre De et IWP par l’ajustement des albédos
4.3.4.2 Evaluation d’une paramétrisation de De en fonction de T
4.4 Conclusions
5. Conclusions
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