La vapeur dโeau joue un rรดle essentiel dans plusieurs domaines tels que les prรฉvisions mรฉtรฉorologiques, le climat, le cycle de lโeau, la rรฉgulation de la tempรฉrature. Une des mรฉthodes pour lโรฉtudier se fait via le GNSS (Global Navigation Satellite System). Bien que ce systรจme soit principalement connu pour son utilitรฉ dans le positionnement par satellite, les rรฉsultats issus des observations GNSS peuvent รชtre utilisรฉs pour la restitution du champ de vapeur dโeau 3-D contenu dans la troposphรจre. En effet, une fois traitรฉes, les observations GNSS contiennent des informations fiables sur le contenu intรฉgrรฉ en vapeur dโeau relatif au passage de lโonde (rai) dans lโatmosphรจre. Ces observations prรฉsentent de nombreux avantages de part leur disponibilitรฉ, leur fiabilitรฉ et leur rรฉsolution temporelle. Si le rรฉseau GNSS est suffisamment dense, lโensemble des rais (satellite-rรฉcepteur) permet une restitution 3-D par inversion tomographique du champ de vapeur dโeau. Lโรฎle de la Rรฉunion possรจde diffรฉrentes stations GNSS dont un rรฉseau dense sur la zone du Piton de la Fournaise permettant un suivi de lโactivitรฉ volcanique, entretenu par lโOVPF. Tous les prรฉtraitements des observations GNSS sont faits et vรฉrifiรฉs par lโOVPF (Observatoire Volcanologique du Piton de la Fournaise) et nous permet dโobtenir le retard humide (WD), composante du retard troposphรฉrique total. Ce WD est causรฉ par la vapeur dโeau et est utilisรฉ pour estimer la quantitรฉ de vapeur dโeau entre la station et le satellite.
รtat de lโart : GNSS, Tomographie et lโรฎle de La Rรฉunion
Propriรฉtรฉs de lโatmosphรจre
Les satellites รฉmettent des ondes qui se propagent jusquโau rรฉcepteur en traversant les diffรฉrentes couches de lโatmosphรจre . Cette traversรฉe a pour consรฉquences la dรฉviation et le ralentissement des ondes radio. En effet, lors du passage des ondes dans lโatmosphรจre (passage du vide vers lโair), un phรฉnomรจne de rรฉfraction a lieu. De plus, lโatmosphรจre se compose de plusieurs couches atmosphรฉriques, chacune ayant des propriรฉtรฉs diffรฉrentes. En effet, il y a les couches de lโatmosphรจre ionisรฉe (ionosphรจre) et celles neutres (stratosphรจre et troposphรจre).
Ionosphรจre
Lโatmosphรจre possรจde une partie haute, ionisรฉe prรฉsente tout autour du globe sโรฉtendant de 60 ร 800 km environ, cโest lโionosphรจre. Cette derniรจre est comprise entre la mรฉsosphรจre et la magnรฉtosphรจre. La sensibilitรฉ des ondes radio est due au rayonnement UV du soleil qui ionise lโoxygรจne et lโazote, libรฉrant ainsi des รฉlectrons et crรฉant une couche ionisรฉe ( Ionosphere (f-legrand.fr le 30/03/2022) ) . Cโest ce que lโon va appeler : les effets ionosphรฉriques. Lโerreur engendrรฉe par cette traversรฉe est comprise entre 0 et 15 m au zรฉnith (Montibert, 2014) selon lโรฉlรฉvation du satellite. De maniรจre ร รฉliminer les erreurs ionosphรฉriques, pour les grandes lignes de bases (> 20 km), il existe le modรจle iono-free. Pour les lignes de base plus petites, ces erreurs sont supprimรฉes par simple ou doubles diffรฉrences. (Berges, 2019).
Troposphรจre
Il sโagit de la couche la plus basse de lโatmosphรจre, sโรฉtendant du sol ร 12 km dโaltitude environ (8 km aux pรดles et 16 km ร lโรฉquateur). Les ondes traversant cette couche subissent le phรฉnomรจne de rรฉfraction. La variation de lโindice de rรฉfraction a pour consรฉquence : un retard de lโonde et une courbure, menant ร des imprรฉcisions (2 m au zรฉnith et 15 m pour une รฉlรฉvation de 15ยฐ ) (Berges, 2019). Cette couche contient lโessentiel de la vapeur dโeau, ร savoir que 50 % de la vapeur dโeau se trouve dans les deux premiers kilomรจtre dโaltitude et 1.5 % se situe au-dessus de la tropopause ( GES DISC (nasa.gov) , le 30/03/2022).
GNSS et influence de lโatmosphรจre
Principe du GNSS
Le systรจme GNSS se compose de 3 segments : le segment spatial (ensemble des satellites en orbite), le segment de contrรดle (ensemble des infrastructures terrestres) et le segment utilisateur (ensemble des utilisateurs du systรจme). Le positionnement satellitaire repose sur le principe de multilatรฉration. La position du rรฉcepteur est lโintersection des sphรจres, dont le centre est la position du satellite et le rayon la distance satellite-rรฉcepteur. La distance satellite-rรฉcepteur ne correspond pas ร la distance euclidienne car les propriรฉtรฉs des diffรฉrentes couches atmosphรฉriques influent sur le trajet de lโonde radio, en plus des dรฉcalages dโhorloges.
Retard troposphรฉrique
Dans lโรฉquation (1), ฯ ij, tropo correspond au retard troposphรฉrique total (STD) et peut รชtre dรฉcomposรฉ en trois composantes : composante humide, composante hydrostatique et composante hydromรฉtรฉore.
Composantes du retard troposphรฉrique
– Composante humide : cette composante dรฉpend des propriรฉtรฉs chimiques des molรฉcules dโeau. En effet, sa propriรฉtรฉ dipolaire va induire un retard des ondes radio. Cette composante reprรฉsente environ 2 ร 20 % du retard troposphรฉrique total avec des valeurs allant de 2 ร 50 cm au zรฉnith. On parlera de ZWD au zรฉnith et de SWD dans la direction du satellite.
– Composante hydrostatique : cette composante dรฉpend de lโรฉpaisseur et de la densitรฉ de lโatmosphรจre neutre (Le Coz, 2015). Ces deux paramรจtres รฉvoluent en fonction de lโaltitude, des gradients de pression et de la tempรฉrature. La composante hydrostatique reprรฉsente environ 90 % du retard troposphรฉrique total avec des valeurs dโenviron 2 m au zรฉnith. On parlera de ZHD au zรฉnith et de SHD dans la direction du satellite.
– Composante hydromรฉtรฉore : Reprรฉsentant environ 0 ร 3 % du retard troposphรฉrique total, il sโagit de la plus petite contribution. Cette composante rรฉsulte des particules dโeau prรฉsentes sous diffรฉrents รฉtats (solide, liquide et gazeux) .
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Table des matiรจres
Introduction
I รtat de lโart : GNSS, Tomographie et lโรฎle de La Rรฉunion
I.1 PROPRIรTรS DE LโATMOSPHรRE
I.1.1 IONOSPHรRE
I.1.2 TROPOSPHรRE
I.2 GNSS ET INFLUENCE DE LโATMOSPHรRE
I.2.1 PRINCIPE DU GNSS
I.2.2 RETARD TROPOSPHรRIQUE
I.2.2.1 COMPOSANTES DU RETARD TROPOSPHรRIQUE
I.2.2.2 MAPPING FUNCTION
I.2.2.3 GRADIENTS HORIZONTAUX
I.2.2.4 ZHD, FONCTION DE PROJECTION ET MODรLES MรTรOROLOGIQUES
I.3 TOMOGRAPHIE 3-D
I.3.1 PRINCIPES GรNรRAUX
I.3.1.1 DรTERMINATION DES IWV (CIVE) ร PARTIR DES ZWD
I.3.1.2 DรTERMINATION DES SIWV ร PARTIR DES IWV
I.3.1.3 MISE EN PLACE DE LโINVERSION TOMOGRAPHIQUE
I.3.1.3.1 DISCRรTISATION 3-D : LES VOXELS
I.3.1.3.2 RรSOLUTION MATHรMATIQUE
I.3.2 DIFFรRENTS MODรLES TOMOGRAPHIQUES ET CROSS-VALIDATION
I.3.3 LOGICIEL TSAAR
I.3.3.1 PRรSENTATION GรNรRALE
I.3.3.2 PARAMรTRAGE DU LOGICIEL TSAAR, INITIALISATION DES DONNรES ET VALEURS INITIALES
I.4 LโรLE DE LA RรUNION
I.4.1 RรSEAUX DISPONIBLES SUR LโรLE DE LA RรUNION
I.4.2 ADAPTATION AU CONTEXTE DE LโรLE DE LA RรUNION ET SUR TOUTE LโรLE
II Paramรฉtrages et premiรจres comparaisons du logiciel TSAAR
II.1 PARAMรTRAGES DU RรSEAU GNSS
II.1.1 DISCRรTISATION HORIZONTALE
II.1.2 DISCRรTISATION VERTICALE
II.1.3 EFFET DE BORD ET GรOMรTRIE DU RรSEAU
II.2 COMPARAISON : MESO-NH ET TSAAR
II.2.1 LES MODรLES MรTรOROLOGIQUES
II.2.2 LE MODรLE MESO-NH
II.2.3 COMPARAISON ENTRE LE MODรLE MรTรO MESO-NH ET TSAAR
III Cas dโรฉtude et premiรจre approche de lโOSSE
III.1 CAS DโรTUDE : LE CYCLONE BATSIRAI
III.2 PREMIรRE APPROCHE DE LโOSSE
III.2.1 PRรSENTATION DES FICHIERS DโENTRรE DE TSAAR
III.2.2 CRรATION DES DIFFรRENTS FICHIERS TSAAR
III.2.2.1 COMPARAISON ENTRE LES FICHIERS GAMIT ET LES FICHIERS CALCULรS
III.2.3 VALIDATION DU PROCESSUS DE MISE EN PLACE
III.2.3.1 SIMULATION DES IWV DE MESO-NH
III.2.3.2 SIMULATION COMPLรTE DU RรSEAU EXISTANT
III.2.3.2.1 VALIDATION DU PROCESSUS DE CRรATION DE LโATMOSPHรRE SYNTHรTIQUE
III.2.3.2.2 ANALYSES DES PROFILS VERTICAUX
III.2.4 รTUDE APPROFONDIE DE LA GรOMรTRIE DU RรSEAU
III.2.4.1 RรSEAUX SANS POLYGONE DโINTERPOLATION
Conclusion