TOMO-PITON: Restitution du champ de vapeur d'eau 3-D par tomographie GNSS

La vapeur d’eau joue un rôle essentiel dans plusieurs domaines tels que les prévisions météorologiques, le climat, le cycle de l’eau, la régulation de la température. Une des méthodes pour l’étudier se fait via le GNSS (Global Navigation Satellite System). Bien que ce système soit principalement connu pour son utilité dans le positionnement par satellite, les résultats issus des observations GNSS peuvent être utilisés pour la restitution du champ de vapeur d’eau 3-D contenu dans la troposphère. En effet, une fois traitées, les observations GNSS contiennent des informations fiables sur le contenu intégré en vapeur d’eau relatif au passage de l’onde (rai) dans l’atmosphère. Ces observations présentent de nombreux avantages de part leur disponibilité, leur fiabilité et leur résolution temporelle. Si le réseau GNSS est suffisamment dense, l’ensemble des rais (satellite-récepteur) permet une restitution 3-D par inversion tomographique du champ de vapeur d’eau. L’île de la Réunion possède différentes stations GNSS dont un réseau dense sur la zone du Piton de la Fournaise permettant un suivi de l’activité volcanique, entretenu par l’OVPF. Tous les prétraitements des observations GNSS sont faits et vérifiés par l’OVPF (Observatoire Volcanologique du Piton de la Fournaise) et nous permet d’obtenir le retard humide (WD), composante du retard troposphérique total. Ce WD est causé par la vapeur d’eau et est utilisé pour estimer la quantité de vapeur d’eau entre la station et le satellite.

État de l’art : GNSS, Tomographie et l’île de La Réunion

Propriétés de l’atmosphère

Les satellites émettent des ondes qui se propagent jusqu’au récepteur en traversant les différentes couches de l’atmosphère . Cette traversée a pour conséquences la déviation et le ralentissement des ondes radio. En effet, lors du passage des ondes dans l’atmosphère (passage du vide vers l’air), un phénomène de réfraction a lieu. De plus, l’atmosphère se compose de plusieurs couches atmosphériques, chacune ayant des propriétés différentes. En effet, il y a les couches de l’atmosphère ionisée (ionosphère) et celles neutres (stratosphère et troposphère).

Ionosphère

L’atmosphère possède une partie haute, ionisée présente tout autour du globe s’étendant de 60 à 800 km environ, c’est l’ionosphère. Cette dernière est comprise entre la mésosphère et la magnétosphère. La sensibilité des ondes radio est due au rayonnement UV du soleil qui ionise l’oxygène et l’azote, libérant ainsi des électrons et créant une couche ionisée ( Ionosphere (f-legrand.fr le 30/03/2022) ) . C’est ce que l’on va appeler : les effets ionosphériques. L’erreur engendrée par cette traversée est comprise entre 0 et 15 m au zénith (Montibert, 2014) selon l’élévation du satellite. De manière à éliminer les erreurs ionosphériques, pour les grandes lignes de bases (> 20 km), il existe le modèle iono-free. Pour les lignes de base plus petites, ces erreurs sont supprimées par simple ou doubles différences. (Berges, 2019).

Troposphère

Il s’agit de la couche la plus basse de l’atmosphère, s’étendant du sol à 12 km d’altitude environ (8 km aux pôles et 16 km à l’équateur). Les ondes traversant cette couche subissent le phénomène de réfraction. La variation de l’indice de réfraction a pour conséquence : un retard de l’onde et une courbure, menant à des imprécisions (2 m au zénith et 15 m pour une élévation de 15° ) (Berges, 2019). Cette couche contient l’essentiel de la vapeur d’eau, à savoir que 50 % de la vapeur d’eau se trouve dans les deux premiers kilomètre d’altitude et 1.5 % se situe au-dessus de la tropopause ( GES DISC (nasa.gov) , le 30/03/2022).

GNSS et influence de l’atmosphère

Principe du GNSS

Le système GNSS se compose de 3 segments : le segment spatial (ensemble des satellites en orbite), le segment de contrôle (ensemble des infrastructures terrestres) et le segment utilisateur (ensemble des utilisateurs du système). Le positionnement satellitaire repose sur le principe de multilatération. La position du récepteur est l’intersection des sphères, dont le centre est la position du satellite et le rayon la distance satellite-récepteur. La distance satellite-récepteur ne correspond pas à la distance euclidienne car les propriétés des différentes couches atmosphériques influent sur le trajet de l’onde radio, en plus des décalages d’horloges.

Retard troposphérique

Dans l’équation (1), ρ ij, tropo correspond au retard troposphérique total (STD) et peut être décomposé en trois composantes : composante humide, composante hydrostatique et composante hydrométéore.

Composantes du retard troposphérique

– Composante humide : cette composante dépend des propriétés chimiques des molécules d’eau. En effet, sa propriété dipolaire va induire un retard des ondes radio. Cette composante représente environ 2 à 20 % du retard troposphérique total avec des valeurs allant de 2 à 50 cm au zénith. On parlera de ZWD au zénith et de SWD dans la direction du satellite.
– Composante hydrostatique : cette composante dépend de l’épaisseur et de la densité de l’atmosphère neutre (Le Coz, 2015). Ces deux paramètres évoluent en fonction de l’altitude, des gradients de pression et de la température. La composante hydrostatique représente environ 90 % du retard troposphérique total avec des valeurs d’environ 2 m au zénith. On parlera de ZHD au zénith et de SHD dans la direction du satellite.
– Composante hydrométéore : Représentant environ 0 à 3 % du retard troposphérique total, il s’agit de la plus petite contribution. Cette composante résulte des particules d’eau présentes sous différents états (solide, liquide et gazeux) .

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Table des matières

Introduction
I État de l’art : GNSS, Tomographie et l’île de La Réunion
I.1 PROPRIÉTÉS DE L’ATMOSPHÈRE
I.1.1 IONOSPHÈRE
I.1.2 TROPOSPHÈRE
I.2 GNSS ET INFLUENCE DE L’ATMOSPHÈRE
I.2.1 PRINCIPE DU GNSS
I.2.2 RETARD TROPOSPHÉRIQUE
I.2.2.1 COMPOSANTES DU RETARD TROPOSPHÉRIQUE
I.2.2.2 MAPPING FUNCTION
I.2.2.3 GRADIENTS HORIZONTAUX
I.2.2.4 ZHD, FONCTION DE PROJECTION ET MODÈLES MÉTÉOROLOGIQUES
I.3 TOMOGRAPHIE 3-D
I.3.1 PRINCIPES GÉNÉRAUX
I.3.1.1 DÉTERMINATION DES IWV (CIVE) À PARTIR DES ZWD
I.3.1.2 DÉTERMINATION DES SIWV À PARTIR DES IWV
I.3.1.3 MISE EN PLACE DE L’INVERSION TOMOGRAPHIQUE
I.3.1.3.1 DISCRÉTISATION 3-D : LES VOXELS
I.3.1.3.2 RÉSOLUTION MATHÉMATIQUE
I.3.2 DIFFÉRENTS MODÈLES TOMOGRAPHIQUES ET CROSS-VALIDATION
I.3.3 LOGICIEL TSAAR
I.3.3.1 PRÉSENTATION GÉNÉRALE
I.3.3.2 PARAMÉTRAGE DU LOGICIEL TSAAR, INITIALISATION DES DONNÉES ET VALEURS INITIALES
I.4 L’ÎLE DE LA RÉUNION
I.4.1 RÉSEAUX DISPONIBLES SUR L’ÎLE DE LA RÉUNION
I.4.2 ADAPTATION AU CONTEXTE DE L’ÎLE DE LA RÉUNION ET SUR TOUTE L’ÎLE
II Paramétrages et premières comparaisons du logiciel TSAAR
II.1 PARAMÉTRAGES DU RÉSEAU GNSS
II.1.1 DISCRÉTISATION HORIZONTALE
II.1.2 DISCRÉTISATION VERTICALE
II.1.3 EFFET DE BORD ET GÉOMÉTRIE DU RÉSEAU
II.2 COMPARAISON : MESO-NH ET TSAAR
II.2.1 LES MODÈLES MÉTÉOROLOGIQUES
II.2.2 LE MODÈLE MESO-NH
II.2.3 COMPARAISON ENTRE LE MODÈLE MÉTÉO MESO-NH ET TSAAR
III Cas d’étude et première approche de l’OSSE
III.1 CAS D’ÉTUDE : LE CYCLONE BATSIRAI
III.2 PREMIÈRE APPROCHE DE L’OSSE
III.2.1 PRÉSENTATION DES FICHIERS D’ENTRÉE DE TSAAR
III.2.2 CRÉATION DES DIFFÉRENTS FICHIERS TSAAR
III.2.2.1 COMPARAISON ENTRE LES FICHIERS GAMIT ET LES FICHIERS CALCULÉS
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 COMPLÈTE DU RÉSEAU EXISTANT
III.2.3.2.1 VALIDATION DU PROCESSUS DE CRÉATION DE L’ATMOSPHÈRE SYNTHÉTIQUE
III.2.3.2.2 ANALYSES DES PROFILS VERTICAUX
III.2.4 ÉTUDE APPROFONDIE DE LA GÉOMÉTRIE DU RÉSEAU
III.2.4.1 RÉSEAUX SANS POLYGONE D’INTERPOLATION
Conclusion