Application de la technique aux mesures spatiales

    à     

C. En se fondant sur les résultats de simulations numériques des propriétés optiques de cristaux Takano (1987); Takano et Liou (1995), l’étude conclut à (i) la corrélation des températures élevées (





 

C) avec la présence de plaquettes, et (ii) une influence généralement importante des cristaux orientés horizontalement sur l’ensemble des mesures de rapport de dépolarisation des cirrus par lidar (en particulier aux températures





C). Ces résultats sont très proches de ceux présentés ici, et apportent une nouvelle preuve du besoin de mesures lidar à grande échelle.

En définitive, le manque de climatologies étendues concernant la microphysique des cirrus ne fait que mettre davantage en évidence l’importance de techniques complémentaires de restitutions de ces paramètres par télédé-tection. La technique présentée ici permettrait de combler ce manque dans la connaissance des nuages de glace. L’application de cette technique à des mesures satellitaires permettrait notamment d’établir un début de climatolo-gie de forme de cristaux à l’échelle du globe.

5.1.6 Application de la technique aux mesures spatiales

La technique de restitution de la forme des cristaux présentée dans ce chapitre prendra toute son importance lorsque le lidar CALIOP de la forme CALIPSO sera mis en orbite, aux alentours de 2004. Cette plate-forme fera partie d’une formation plus importante baptisée Aqua Train, regroupant de nombreux instruments de télédétection actifs et passifs (lidar, radar, radiomètres, polder...). Les mesures colocalisées obtenues couvriront alors l’intégralité du globe, le tout sur un cycle relativement court.

Dans l’optique de la préparation de cette mission, la technique présentée dans cette section pourrait se révéler utile, afin, d’une part, d’établir une climatologie étendue des facteurs de forme, puis, d’autre part, de contraindre les modèles des autres analyses de données. Mais il convient, avant tout, de vérifier si la technique présentée ici est applicable à des données satellites. La différence principale entre les données sol et les données satellites provient de la zone nuageuse vue par le télescope, qui, à champ de vue égal, est bien plus importante dans le cas d’un lidar installé sur un satellite. Il faut donc vérifier si les effets de diffusion multiple ne modifient pas le rapport de dépolarisation mesuré, au point qu’il soit impossible de restituer une information de forme. Pour cela, deux méthodes sont possibles : des mesures expérimentales (Sect. 5.1.6.1) ou des simulations numériques (Sect. 5.1.6.2).

5.1.6.1 Mesures lidars pour plusieurs champs de vue

Afin de restituer les conditions de mesure d’une plate-forme spatiale, un lidar doté d’un champ de vue variable a été mis à contribution. Ce lidar, situé au CRDV, sera présenté en détail dans la section 5.2.2.2. Pour le moment, notons que ce lidar fonctionne à une longueur d’onde de 1.06
, et présente un dispositif de diaphragmes per-mettant un changement rapide de champ de vue pendant la session de mesure (entre 0.6 et 6 mrad). En balayant une gamme étendue de champs de vue, il est possible d’estimer la variation du rapport de dépolarisation engendrée par l’utilisation d’un instrument satellite. Les données présentées ici ont été prises le 2 février 2002, au cours de la campaigne AIRS (les détails de l’acquisition seront donnés dans la section 5.2.2.2), entre 1245 et 1325 TU. Les séries temporelles du rapport de dépolarisation mesuré comme fonction du temps et de l’altitude, pour un champ de vue de 0.5 mrad, est représentée sur la figure 5.11.a. La variation du rapport de dépolarisation mesuré pour un champ de vue de 6 mrad par rapport à 0.5 mrad est représentée sur la figure 5.11.b, une augmentation étant repérée par la couleur rouge et une diminution par la couleur bleue. Ces mesures montrent des nuages bas, compris entre 500 m et 2.25 km, et elles sont postérieures aux mesures en balayage analysées dans la section 5.2. Ces der-nières seront détaillées ultérieurement, mais pour le moment il suffit de savoir qu’elles décrivent un nuage de glace

Restitution du facteur de forme de cristaux de glace Application de la technique aux mesures spatiales

constitué de cristaux de glace orientés, caractérisé par un faible taux de dépolarisation en incidence verticale. Etant donné que ces mesures sont postérieures à celles de la section 5.2, et que les valeurs du rapport de dépolarisation ont augmenté depuis, l’orientation horizontale des cristaux n’est plus certaine.

Ce cas expérimental de mesure du rapport de dépolarisation par un cirrus en champs de vue multiple est le seul disponible, il est donc difficile d’en tirer des conclusions définitives. De plus, dans le cas étudié le nuage est formé en partie de cristaux horizontalement orientés, ce qui ne correspond que partiellement aux conditions simulées. Néanmoins, plusieurs observations peuvent être faites. La figure 5.11.b montre qu’en moyenne, le rapport de dépolarisation lidar



diminue. Cependant, elle montre également que la variation de



est inhomogène : les contours des nuages montrent une franche augmentation, de même qu’à l’intérieur de la couche nuageuse située entre 1.25 et 1.75 km, ainsi que près du sommet de la couche d’altitude inférieure à 1 km. L’augmentation près des contours nuageux peut être assimilée à un artefact (en augmentant le champ de vue, on augmente la zone nuageuse vue par le télescope, ce qui conduit à une brusque augmentation de signal dans les zones précédemment invisibles). Les autres disparités doivent avoir des explications microphysiques. La zone de faible dépolarisation située entre 1.25 et 1.75 km (fig. 5.11.a) peut être assimilée à des cristaux orientés. L’augmentation du rapport de dépolarisation dans cette zone semble naturelle, étant donné que



augmente avec l’angle d’incidence lidar (ce phénomène sera étudié en détail dans la section 5.2).

Application de la technique aux mesures spatiales Restitution du facteur de forme de cristaux de glace 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Temps UTC Altitude (km) a. 1248 1254 1300 1306 1312 1318 1324 0 0.5 1 1.5 2 −100 −80 −60 −40 −20 0 20 40 60 80 100 Temps UTC Altitude (km) b. 1248 1254 1300 1306 1312 1318 1324 0 0.5 1 1.5 2

FIG. 5.11 – Evolution temporelle et spatiale a. du rapport de dépolarisation pour un champ de vue de 0.5 mrad et

Restitution du facteur de forme de cristaux de glace Application de la technique aux mesures spatiales

5.1.6.2 Simulations numériques

Pour la simulation numérique, l’approche retenue est la suivante : les propriétés du lidar CALIOP de la plate-forme CALIPSO (altitude de 705km, champ de vue de 0.125 mrad) sont entrées dans la simulation du chapitre 4. La variation du rapport de dépolarisation est ensuite comparées à des simulations de mesures lidar prises du sol, effectuées dans les mêmes conditions atmosphériques : une pénétration d’un kilomètre dans un nuage de coefficient d’extinction

 



 . Sur la figure 4.12 (Sect. 4.3.4) il apparait que l’augmentation du champ de vue du télescope n’a qu’une faible influence sur les mesures du rapport de dépolarisation à partir du sol, mais que les mesures effectuées à partir du satellite sont sensiblement différentes. L’augmentation moyenne du rapport de dépolarisation en fonction du champ de vue du télescope, pour les deux configurations (sol et satellite) du lidar, est présentée sur la figure 5.12. Le télescope du lidar CALIOP ayant un champ de vue de 0.125 mrd, ces résultats montrent une augmentation d’environ 15% du rapport de dépolarisation.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 8 10 12 14 16 18 20 22

Champ de vue (mrad)

Augmentation de la depolarisation (%)

Simulations sol Simulations spatiales

FIG. 5.12 – Augmentation moyenne du rapport de dépolarisation avec le champ de vue du télescope, pour un lidar installé au sol et sur un satellite.

Ceci implique que les limites des classes I, II, III et IV vont être différentes dans le cas de l’utilisation d’un lidar satellite. Ces simulations montrent que l’application de la technique de classification à des données mesurées à partir d’un satellite nécessitera le calcul de courbes

  


spécifiques au cas étudié et aux paramètres du lidar utilisé (champ de vue, distance au sol, direction de visée, etc.). Ces modifications pourront être appliquées à la classification lorsque des données satellites seront disponibles.

Cependant, ces résultats ne sont pas cohérents avec la diminution de



observée dans certaines zones de mesure expérimentale (Sect. 5.1.6.1, Fig. 5.11). Cette disparité doit s’expliquer par la différence entre mesures et simulation : l’orientation des cristaux.

Conclusion Restitution du facteur de forme de cristaux de glace

Dans cette section, une technique possible de restitution du facteur de forme des particules de glace dans les cirrus a été présentée. Cette technique, fondée sur les résultats de simulations de suivi de rayon pour des cristaux en orientation aléatoire, utilise la mesure du rapport de dépolarisation lidar et tient compte de l’influence de l’épaisseur optique du nuage sondé sur cette mesure. Elle conduit à une classification des particules sondées en 4 classes, constituées de plaquettes, de colonnes, et de formes intermédiaires. Suivant la classe restituée, l’impact radiatif du cirrus étudié sera différent.

Cette méthode a été appliquée sur une quinzaine de cas de nuages de glace, et les facteurs de forme restitués ont été corrélés avec des mesures de la température par radiosondage. Cette comparaison a conduit à l’association des colonnes avec les zones de plus basse température dans les nuages, et des plaquettes avec les zones moins froides. Ces résultats ont été mis en perspective avec les différentes études existantes dans la littérature, ce qui a montré en général des résultats cohérents.

L’application de cette classification a des données mesurées par satellite a été envisagée. Il apparait que cer-taines adaptations sont nécessaires, mais que l’intérêt de cette technique reste entier : elle conduirait à une clas-sification des formes de particules à l’échelle de la planète, sur un cycle de révolution relativement court. Une tendance générale pour l’albedo plan de ces nuages pourrait alors être déduite des facteurs de forme restitués.

Restitution de l’angle d’oscillation des cristaux de glace