Depuis 2006, RALI a effectué plusieurs campagnes embarquant le radar RASTA et le lidar LNG. Certaines campagnes, comme MT-Africa en 2010 et DYNAMO en 2011 respectivement pour la préparation et la validation de la mission Megha-Tropiques, HYMEX en 2012 pour l’étude des phénomènes de fortes précipitations en Méditerranée et HAIC-HIWC à Darwin en Australie en 2014 pour la détection des cristaux de glace en forte concentration n’ont embarqué que le radar RASTA.
Dans le cadre de cette thèse, comme nous nous intéressons principalement à la sy-nergie radar-lidar, nous étudierons des cas de campagnes où RASTA et LNG sont dis-ponibles et où des survols avec l’A-Train ont été réalisés. Ces campagnes sont présentées ci-dessous.
3.2.1 La campagne CIRCLE 2
La campagne de mesure franco-allemande CIRCLE 2 (CIRus-Cloud Experiment 2) a eu lieu en mai 2007 en France et en Allemagne. Cette mission avait pour but l’étude des propriétés radiatives et microphysiques des cirrus mais aussi de valider les instruments à bord du satellite CALIPSO, à savoir le lidar CALIOP et le radiomètre infrarouge IIR. Durant cette campagne le Falcon 20 de SAFIRE embarquait LNG, RASTA et CLIMAT-AV.
3.2.2 La campagne EUCAARI
La campagne de mesures EUCAARI (European Integrated Project on Aerosol Cloud Climate Air Quality Interactions) s’est déroulée en Mai 2008 aux Pays-Bas dans le cadre du projet européen du même nom qui vise à étudier les interactions entre gaz, aérosols et nuages. RASTA et LNG étaient embarqués sur l’ATR 42 de SAFIRE, mais malheureusement, peu de données de RASTA ont été obtenues.
3.2.3 La campagne POLARCAT
La mission POLARCAT [Stohl et al., 2010] s’est déroulée dans le nord de la Suède en 2008. Le but de cette mission était d’évaluer l’impact des gaz traces, des aérosols et des métaux lourds transportés vers l’arctique sur le climat de cette région.
Outre les instruments RALI (embarqués sur un ATR42), cette mission a également impliqué des ballons, des instruments au sol ainsi que des satellites.
Les mesures RALI et les restitutions de propriétés nuageuses de cette campagne sont plus amplement détaillées dans [Delanoë et al., 2013].
3.2.4 La campagne LNG-CALIPSO
La campagne LNG-CALIPSO, qui a eu lieu en France en novembre et décembre 2010, avait pour but principal la validation des données CALIPSO et la réalisation de
4.1 - Les méthodes mono instrument 55
tests de la haute résolution spectrale de LNG.
Cette campagne RALI sert à la fois de démonstrateur de CloudSat-CALIPSO mais aussi d’EarthCARE grâce au canal lidar HRS à 355 nm et au Doppler de RASTA.
4 Les méthodes de restitution de paramètres
micro-physiques et radiatifs des nuages de glace
Le principal objectif de cette thèse est la caractérisation des propriétés microphy-siques et radiatives des nuages de glace. Nous aborderons donc dans cette partie seule-ment les méthodes de restitution pour ce type de nuages ; les restitutions des propriétés des nuages d’eau liquide et de la pluie sont menées par d’autres équipes de recherche.
Des méthodes de restitution des propriétés microphysiques des nuages de glace à partir de combinaison d’instruments existent depuis les années 90 [Matrosov et al., 1992] (radar+radiomètre IR), nous aborderons dans les deux paragraphes suivants quelques méthodes qui mettent principalement en jeu les instruments à bord de la constellation A-Train (ou ceux qui seront à bord d’EarthCARE).
4.1 Les méthodes mono instrument
Les instruments décrits précédemment, passifs ou actifs peuvent être utilisés pour restituer les propriétés microphysiques ou radiatives des nuages. Le Tableau II.2 recense quelques unes des méthodes.
– Radiomètres
Les techniques Split Window [Inoue, 1985] et NK [Nakajima and King, 1990] sant les mesures radiométriques sont depuis une trentaine d’années très largement utili-sées et adaptées par la communauté. La première, qui utilise les mesures de radiométrie dans l’IR thermique, est idéale pour étudier les cirrus fins alors que la seconde, qui utilise les radiométries dans le visible et le proche IR, est plus adaptée pour les nuages de glace plus épais. [Cooper et al., 2007] utilisent les deux méthodes à la fois pour traiter tous types de nuages de glace.
Les différences d’émissivité des cirrus entre 8 µm et 12 µm ont été utilisées dans [Stubenrauch et al., 1999] avec l’instrument TOVS (TIROS-N Operational Vertical Sounder) pour restituer la taille des particules de glace et dans [Guignard et al., 2012] avec l’instrument AIRS pour restituer les paramètres microphysiques rayon effectif et IWP.
On peut aussi citer les travaux de [Hong et al., 2012] qui estiment le rayon effectif des particules de glace dans les nuages convectifs à partir de lookup tables de différences de radiances de MODIS.
– Radar
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Les méthodes de restitution de paramètres microphysiques et radiatifs des nuages de glace
α IWC re
Radiomètre Extinction intégrée ⇒ Epaisseur optique (τ )
[Garnier et al., 2012]
Contenus intégrés IWP Combinaison de
radiances à différentes longueurs d’onde (VIS, IR, MW)
[Zhao and Weng, 2002]
Combinaison de
ra-diances à différentes longueurs d’onde (VIS, IR, MW) [Inoue, 1985, Nakajima and King, 1990, Zhao and Weng, 2002]
Lidar Signal moléculaire
sous le nuage ou HRS ⇒ τ Inversion de données (obtention du rapport lidar) ⇒ α [Winker et al., 2009] Paramétrisation αv-IWC [Heymsfield et al., 2014] Paramétrisation αv -re [Heymsfield et al., 2014]
+ radiomètre Contrainte sur τ Contrainte sur IWP
Radar Z IWC-Z-T
[Liu and Illingworth, 2000] A partir de 5mg.m−3 Pas au dessus de Z>5 dBZ
Vt IWC-Z Vt + Z ⇒ re
+ radiomètre Contrainte sur τ Contrainte sur IWP
Radar + lidar Restitutions optimales pour 0.1 < τ < 3 (commune aux 2 instru-ments) α (lidar)+ IWC (radar)⇒ re [Mace, 2011, Okamoto et al., 2010, Delanoë and Hogan, 2010]
Tableau II.2: Restitution des paramètres microphysiques par méthodes mono-instrument ou synergiques.
des méthodes d’obtention du contenu en glace des nuages à partir de la réflec-tivité radar (IWC-Z). [Liu and Illingworth, 2000] y ajoutent l’utilisation de la me-sure de température (IWC-Z-T). Ces travaux préliminaires ont été beaucoup utili-sés [Hogan et al., 2006] ou évalués [Protat et al., 2006] jusqu’à l’avènement du satellite CloudSat [Austin et al., 2009].
– Lidar
[Winker et al., 2009] décrivent les processus de création des niveaux 1 et 2 officiels de l’instrument CALIOP. Pour la restitution du coefficient d’extinction simplement à partir des mesures de CALIOP, ils utilisent l’algorithme HERA (Hybrid Extinction Retrieval Algorithm) mis en place en 2004 par [Vaughan et al., 2004], et prouvé robuste en 2009 par [Young and Vaughan, 2009].
[Turner and Eloranta, 2008] ont utilisé un lidar HRS en arctique pour déterminer l’épaisseur optique des nuages à phase mixe comme validation d’un algorithme à partir de différences de mesures radiométriques.