b Intercomparaison instrumentale en conditions isoaxiales

Dans cette section, nous étudierons les mesures sur toute la campagne lorsque le vent était isoaxial avec les inlets des instruments. Les changements microphysiques, dus à l’orientation des instruments et observés sur la figure IV.6, ne seront pas analysés ici. Les données ont été moyennées sur 10 secondes pour les mesures en soufflerie et sur 1 minute pour les mesures sur le toit.

La figure IV.9 montre la comparaison des Deff, LWC et extinction entre les deux PVM. On remarque que le LWC et l’extinction montrent une dispersion assez élevée qui entraine une mauvaise restitution du Deff, caractérisée par un coefficient de corrélation faible (0.42) et un facteur 0.66 entre les deux PVM. Ceci est en accord avec la figure IV.6 où le PVM2 mesure des Deff plus élevés. Etant donné que le PVM1 est en accord avec les autres instruments (figure IV.12), le PVM2 est considéré comme défectueux, ses mesures ne seront plus discutées et le PVM1 est dorénavant nommé PVM.

La figure IV.10 montre la comparaison des Deff pour les instruments déployés sur la plateforme. La droite de régression linéaire est indiquée et les lignes pointillées en gras révèlent les incertitudes appliquées à l’ajustement linéaire, les erreurs considérées pour chaque instrument sont données par le Tableau IV.2 pour les conditions normales. Même si la pente de la régression linéaire est supérieure à 1, les points de mesure sont proches de la ligne 1:1 et la dispersion de ces points est comprise dans les incertitudes de mesure. On observe un accord entre le FM et le FSSP, confirmé par une valeur élevée du coefficient de corrélation (R²=0.94). De plus, les biais observés entre ces deux instruments sont compris dans les incertitudes instrumentales théoriques. La comparaison du PVM avec le FSSP et le FM montre que les variations générales sont cohérentes (R² proche de 0.9).

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Figure IV.9 : Comparaison du Deff, LWC et extinction entre les deux PVM.

De tels écarts entre un FM un PVM ont déjà été observés par Burnet et Brenguier (2002). Les comparaisons (non montrées ici) entre le PVM et le FM donne respectivement pour l’extinction et le LWC une pente a de 2.1 avec R²=0.72 et a=2.6 avec R²=0.78. La comparaison du PVM avec le FSSP donne a=0.35 avec R²=0.65 et a=0.4 avec R²=0.8 respectivement pour l’extinction et le LWC. Les bonnes corrélations obtenues entre les instruments de même que les pentes similaires observées en comparant l’extinction et le LWC s’expliquent par l’accord entre les diamètres effectifs mesurés par les sondes. Les biais entre les instruments (pentes différentes de 1) résultent d’une erreur systématique et constante provenant d’une mauvaise évaluation du volume d’échantillonnage et/ou des différentes corrections de la restitution de la concentration.

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a.

b.

Figure IV.10 : a) Comparaison entre le diamètre effectif mesuré par le FM et le FSSP, moyenné à 1 minute et b) comparaison entre le diamètre effectif mesuré par le PVM1 et FSSP

(gauche) et le FM (droite). Les données ont été moyennées à 5 minutes. Les lignes pointillées en gras montrent les incertitudes instrumentales appliquées à l’ajustement linéaire.

La comparaison entre les concentrations en nombre du FSSP et du FM, lors des mesures coaxiales avec la direction du vent, est donnée sur la figure IV.11. Les mesures de concentration sont sensiblement moins bien corrélées que le diamètre effectif mais la corrélation reste acceptable (R²=0.8) et la plupart des points restent à l’intérieur de l’aire d’incertitude formée par les lignes en pointillées gras. Cependant, un biais significatif (une pente de 0.18 qui correspond à un facteur 5.5) entre les instruments est clairement mis en évidence. Ce rapport est identique que celui obtenu lors de la comparaison des différents LWC et donc confirme le fait que les mesures de taille soient cohérentes entre les instruments. Ce biais constant calculé pour la concentration affecte de la même manière le LWC et l’extinction. On rappelle que le FSSP semble surestimer les petites particules et que la vitesse

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d’échantillonnage du FM-100 a été fixée à 15 m.s-1 à cause du disfonctionnement du tube de Pitot. Une discussion sur les problèmes du FSSP est présentée dans la section II.3.c.

Figure IV.11 : Comparaison de la concentration en cm-3 moyennée à 1 minute mesurée par le FM et le FSSP. La vitesse de vent extérieur est indiquée par la couleur des points. Les lignes pointillées en gras montrent les incertitudes instrumentales appliquées à l’ajustement

linéaire. L’intervalle de confiance à 99 % de la pente a été évalué à [0.177, 0.183].

On observe sur la figure IV.11 que les mesures effectuées sous des conditions de vent faible (environ inférieur à 5 m.s-1) sont plus dispersées que les autres. L’effet de la vitesse du vent sur les mesures, particulièrement sur le FSSP, sera discuté dans la section II.3.c.

La figure IV.12 montre la comparaison entre les mesures à 5 minutes des coefficients d’extinction mesurés par le PVM1 et le PWD, deux instruments qui ne possèdent pas de ventilation active. On observe un bon accord entre ces deux instruments avec un coefficient de corrélation R²=0.86 et une pente proche de 1. Le léger écart observé peut être attribué à l’hétérogénéité des propriétés du nuage et aux incertitudes instrumentales. Les points représentants des valeurs faibles d’extinction montent des variations relativement fortes, ce qui correspond aux mesures aux bords du nuage où les propriétés sont les plus hétérogènes.

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Figure IV.12 : Comparaison des coefficients d’extinction mesurés par le PWD et le PVM à 5 minutes de résolution. Les lignes pointillées en gras montrent les incertitudes instrumentales appliquées au fit linéaire. L’intervalle de confiance à 99 % de la pente a été évalué à [0.156,

0.184].

Le biais systématique (tel que la pente d’un facteur 6 sur la figure IV.11) observé dans les comparaisons des concentrations et des LWCs mesurés par les différentes sondes serait symptomatique d’une mauvaise évaluation du volume d’échantillonnage directement lié à la précision du débit d’air traversant l’inlet. Dans le but de s’en rendre compte, les mesures sous conditions ambiantes peuvent être comparées aux mesures de la soufflerie où la vitesse d’échantillonnage est mieux connue qu’à l’extérieur.

La figure IV.13.a présente les résultats du diamètre effectif sous la forme des comparaisons entre les trois instruments dans la soufflerie. De bons accords sont observés sur toutes les sondes avec des coefficients de corrélation toujours supérieurs à 0.9. La pente de la régression linéaire est très proche de 1, signifiant que la restitution de la taille des gouttes est cohérente entre les instruments et confirme donc la bonne adéquation en diamètre.

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a.

b.

Figure IV.13 : Comparaison à 10 secondes des diamètres effectifs (a) et des concentrations (b) mesurés par les instruments de la soufflerie, c.-à-d. le CDP1, le CDP2 et le SPP. Les lignes pointillées en gras montrent les incertitudes instrumentales appliquées au fit linéaire.

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La comparaison des concentrations des gouttes (figure IV.13.b) montre également un coefficient de corrélation élevé (R²=0.9), comparable aux mesures de diamètre effectif. Cependant, le calcul de la régression linéaire montre que les concentrations peuvent varier d’un facteur 2 selon les instruments. On note que ces pentes sont indépendantes de la vitesse de l’air dans la soufflerie. Bien que ces écarts soient moins importants que pour les instruments sur la plateforme, ces biais restent significatifs (supérieur à un facteur 2). Ceux-ci peuvent être attribués au calcul de la surface d’échantillonnage, que l’on rappelle difficile à estimer (voir partie I.1 de ce chapitre). Cependant, hormis les biais constants, au moins 90 % des points sont compris dans l’aire d’incertitude.

Les biais entre les instruments proviennent des erreurs systématiques de l’évaluation du volume d’échantillonnage. Les spectromètres possèdent en effet des incertitudes dans le système optique comme la DOF et les différentes corrections tel que l’activité. De plus, les données au sol du FSSP et du FM sont affectées par des erreurs portant sur la valeur de la vitesse d’échantillonnage. Dans le but d’évaluer la cohérence des mesures effectuées sous influence de l’air extérieur avec ceux dans un environnement de vent contrôlé, la sensibilité des mesures en concentration doit être caractérisée selon la vitesse de l’air. Comme il a déjà été mentionné, toutes les mesures des instruments dans la soufflerie sont corrélées entre elles. Comme seule la pente de la régression linéaire varie d’un instrument à l’autre, nous avons choisi de comparer le FSSP et le FM uniquement avec le SPP car les principes de mesures sont similaires. Les résultats avec les autres instruments de la soufflerie seront identiques. La figure IV.14 montre la comparaison des concentrations en nombre à 10 secondes mesurées par les instruments du mât avec celle mesurée par le SPP, pour les quatre journées où il y a eu des expérimentations dans la soufflerie (c.-à-d. le 16, 22, 24 et 28 Mai). Les concentrations mesurées par le FM sont plutôt bien corrélées aux observations du SPP malgré des vitesses d’air très variables, allant de 2 à 21 m.s-1 pour le vent extérieur et de 10 à 55 m.s^-1 pour la soufflerie. De plus, il n’y a pas de dépendance claire entre les mesures et la vitesse du vent. Le FM, le SPP et les CDP, en conditions de mesures coaxiales, ne semblent pas à priori dépendre de la vitesse de l’air (le vent pour les instruments en extérieur ; ou la vitesse appliquée dans la soufflerie). Cependant, un facteur 4 existe entre les concentrations mesurées par le FM et le SPP (facteur 3 avec le CDP1). Ces écarts peuvent être expliqués par les incertitudes sur le volume d’échantillonnage (comprenant les erreurs sur la DOF et la vitesse d’échantillonnage), les incertitudes instrumentales (qui se situent aux alentours de 20 à 30 % sur la concentration selon les instruments), de potentiels flux turbulents ou anisocinétiques et l’inhomogénéité du nuage.

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Figure IV.14 : Concentrations à 10 secondes mesurées par les instruments sur le mât, le FM (gauche) et le FSSP (droite), comparées avec les mesures du SPP situé dans la soufflerie. La couleur des points indique la vitesse du vent extérieur. Les lignes pointillées en gras montrent

les incertitudes instrumentales appliquées à l’ajustement linéaire. L’intervalle de confiance à 99 % de la pente a été évalué à [0.251, 0.269].

Au contraire, les mesures à 10 secondes du FSSP mettent en évidence une variabilité élevée et ne montrent aucune corrélation avec les observations du SPP. De plus, à cause de la disponibilité des données (voir Tableau IV.1), les graphiques de corrélation du FSSP et du FM ne sont pas directement comparables. En effet, les données du FSSP ne sont pas disponibles pour la journée du 24 Mai, mais montrent une large gamme de valeur en terme de concentration pour le FM et le SPP, ce qui augmente la valeur de la corrélation. Cependant, comme le FM a été conçu pour fonctionner en conditions au sol, il n’est pas surprenant que les mesures du FM soient mieux corrélées avec les autres instruments, que le FSSP. A l’inverse, l’échantillonnage anisocinétique du FSSP mène à de forts désaccords avec les autres instruments.

Les comparaisons du diamètre effectif et de la concentration montrent que les incertitudes liées à la calibration et au calcul du volume d’échantillonnage mènent à des biais systématiques, similaires en termes de concentration, extinction et LWC. Ces biais sont attribués à l’évaluation du volume d’échantillonnage, ceci comprend les erreurs sur la vitesse d’échantillonnage, la largeur du laser et la DOF. L’accord obtenu entre le FM, le SPP et le CDP indique que les données de ces instruments peuvent facilement être normalisées à partir d’un instrument de référence et grâce à une simple relation de proportionnalité valable sur la totalité de la campagne. Cependant, une attention particulière doit être portée aux mesures du FSSP qui se sont révélées dépendantes des conditions météorologiques. Le FSSP montre un biais variable et une concentration non corrélé aux mesures en soufflerie, ce qui laisse penser la présence de flux turbulents et d’une distorsion dans la distribution en taille reconstituée. Par conséquent, la suite de cette étude se concentrera sur la normalisation des résultats, sur la correction des biais ainsi que sur les effets de la vitesse de l’air (vent extérieur ou aspiration

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dans la soufflerie) sur les mesures. Auparavant, l’étude des effets l’anisocinétisme sur les mesures du FSSP et le lien entre les mesures en concentration avec la vitesse de l’air et de la taille des gouttes sera étudié dans la prochaine section.