Applications des micro-ondes à la détermination des caractéristiques des nuages et des

Une des premières études importantes concernant les algorithmes micro-ondes basés sur l'émission a été faite par Wilheit et al. (1977) qui ont montré qu'au-dessus des océans, les mesures de températures de brillance de l'ESMR peuvent être transposées en taux de pluie

CHAPITRE 2 - Transfert radiatif micro-onde

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FIG. 7 - Température de brillance calculées à 19 GHz fonction du taux de pluie pour des

niveaux de congélation entre 1 et 5 km (Wilheit, 1977).

Avant le lancement du SSM/I, Alishouse (1983) avait montré qu'à partir de trois des cinq fréquences du radiomètre micro-ondes multi-canal SMMR, on pouvait estimer le taux de pluie. Le problème de la détection des précipitations au-dessus des continents a été abordé par exemple par Wilheit (1986) qui distingue les caractéristiques des mesures micro-ondes au-dessus des océans et des terres. Spencer et al. (1989) identifient également des précipitations pour des environnements continentaux et océaniques, à partir du SSM/I. La grande sensibilité des canaux à 85-GHz, particulièrement à la glace, présente au-dessus du niveau de congélation, constitue la base de cette identification.

Kummerow et al. (1989) ont utilisé une approche statistique multi-canal pour retrouver les précipitations à partir des TB observées par les radiomètres micro-ondes embarqués par avions et Alishouse et al. (1990) a étudié la capacité du SSM/I à mesurer l'eau précipitante au-dessus des océans. Prabhakara et al. (1992) ont utilisé les données SSM/R et SSM/I pour estimer les précipitations au-dessus des océans : les températures de brillance à 37 GHz (FOV de l’ordre de 30 km) montrent une forte émission de la pluie, et une diffusion limitée causée par la glace. Liu et Curry (1992) ont construit un algorithme combinant les régimes d'émission et de diffusion pour retrouver les précipitations à partir des données SSM/I à la fois au-dessus des terres et des océans. Pour étudier le rayonnement émis à partir de divers systèmes nuageux et précipitants aux fréquences du SSM/I, Bauer et Schlüssel (1993) développent un modèle qui prend en compte la diffusion multiple et la polarisation. Les simulations sont basées sur une approche utilisant des profils atmosphériques de la pression, de la température, de l'humidité, pour différents types de nuages. Aonashi et al. (1996) ont également proposé un algorithme multi-canal pour les précipitations au-dessus des océans à partir des données SSM/I. L'idée de base de cet algorithme est de trouver un champ de précipitations 2D donnant les températures de brillance qui s'accordent le mieux avec les observations. Le modèle de Liu et Curry (1993) est utilisé pour calculer les TB moyennées sur le FOV à 19, 37 et 85 GHz. L'approche multi-canal a été appliquée également à partir de radiomètres basés au sol pour la mesure des précipitations (Marzano et al., 2002).

Wilheit et al. (1991) ont construit un algorithme pour l'estimation des taux de pluie qui présente trois caractéristiques originales par rapport aux algorithmes précédents. En premier lieu, cet algorithme utilise la connaissance de la forme de la fonction de densité de probabilité de l'intensité des précipitations. Deuxièmement, une combinaison linéaire de 19 GHz et 22.235 GHz est utilisée pour réduire l'impact de la variabilité de la vapeur d'eau. Troisièmement, l'épaisseur de la couche de pluie est déduite des histogrammes de températures de brillance à 19 et 22.235 GHz. La relation entre l'émission et la diffusion dans les données SSM/I est au centre du travail de Liu et Curry (1998) qui étudient la relation entre

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deux paramètres calculés à partir des données micro-ondes dans des cas océaniques : la différence de polarisation à 19 GHz (D) et la température corrigée de la polarisation (PCT). La pente de la relation D-PCT aide à différencier les types de précipitation et par suite au choix de l'algorithme le plus performant pour un régime de précipitation.

Pour l’application au-dessus des zones continentales, Ferraro (1997) utilise un algorithme basé sur la diffusion à 85 GHz et pour l'océan un algorithme combiné basé sur l'émission (19 et 37 GHz) et sur la diffusion (85 GHz). L’émission du sol est une des principales sources d’erreur dans la restitution des précipitations (Conner et Petty, 1998).

Le succès des algorithmes de précipitations tient en fait dans une bonne identification des zones de pluie et dans l'élimination des régions de la surface qui produisent la même signature que les précipitations (pluie, neige, désert au-dessus des terres, et pluie, glace de mer, ou fort vent de surface au-dessus de l'océan) (Ferraro et al., 1998).

2.6.1 Nuages convectifs

En raison de leur développement vertical, les nuages convectifs ont une microphysique complexe; la diffusion et l'émission dépendent de la distribution verticale des propriétés des hydrométéores (types, formes, tailles).

Pour l'observation des précipitations associées à un cyclone, Wang et al. (1994) et McGaughey et al. (1996) utilisent les observations par avion des précipitations associées à un cyclone, à la fois par MW passives et actives, pour des fréquences comprises entre 10 et 92 GHz. Ils mettent en avant la diffusion importante causée par les hydrométéores glacés, surtout à 92 GHz. Smith et al. (1994) proposent un algorithme pour extraire les profils des

précipitations à partir des mesures par avion (AMPR¹¹, Advanced Microwave Precipitation

Radiometer). Ils étudient l'apport d'une fréquence de plus (10.7 GHz) à leur algorithme multifréquence comprenant déjà 19, 37 et 85 GHz. La résolution dégradée influe peu –d’après les auteurs- sur la restitution de l’eau, mais davantage pour la glace, apparemment plus sensible à l'échelle choisie pour la mesure. Ce dernier point laisse penser que lorsque la résolution spatiale est réduite, le contenu en glace sera sous-estimé.

Par une approche multi-canal, Evans et al. (1995) tente d'accéder aux profils verticaux des précipitations. Ils combinent information statistique à partir d'un modèle numérique de nuage et calculs du transfert radiatif micro-onde. Les profils sont testés avec les données AMPR. Par un examen des signatures micro-ondes passive et active par avion des précipitations associées à un typhon, Wang et al. (1994; 1997) montrent qu'il existe une diffusion significative du rayonnement par les hydrométéores aux fréquences supérieures à 18 GHz.

A partir des satellites, les micro-ondes ont révélé aussi la structure et l’intensité des orages (Mugnai et al., 1990) et des cyclones tropicaux (Farrar et al.,1994; Petty et Miller, 1995; Rodgers et al., 2000). Les données SSM/I du canal 85 GHz ont permis à Bankert et Tag (2002) de suivre l'intensité d'un cyclone tropical. Viltard et al. (2000) ont étudié l'influence de la distribution en taille des gouttes d'eau sur les restitutions de la pluie associée au cyclone tropical en combinant radar et radiomètre micro-ondes. Ahn et al. (2002) ont déterminé le centre d'un cyclone tropical en utilisant les données du TMI. Pour cela ils introduisent deux nouveaux paramètres qui utilisent les réponses différentes du centre et des régions environnantes du cyclone, à la fois pour la polarisation et l'intensité du rayonnement micro-onde. L'un d'eux utilise la différence d'intensité entre 37 et 85 GHz, et l'autre la diffusion à 37 GHz.

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Enfin on peut noter le travail de Petty et Miller (1995) qui traite des observations satellites micro-ondes des précipitations, corrélées avec l'intensification des cyclones tropicaux. De bon résultats sont enregistrés avec l'indice de diffusion à 85 GHz qui répond principalement aux précipitations associées aux nuages froids.