schéma microphysique de type bin est employé. De plus, les comparaisons ont permis d’identifier un manque de réalisme dans les paramétrisations de la relation masse-diamètre et de la vitesse de chute de la neige dans le schéma microphysique bin employé. Par ailleurs, Battaglia et al. (2018) ont conçu un simulateur pour des radars à nuages Doppler pointant hors-nadir (angle de visée entre 40°et 50°), afin d’évaluer le potentiel de la mission satellitaire WIVERN (Illingworth et al., 2018) pour capturer les vents horizontaux au sein des nuages observés. Pour cela, Battaglia et al. (2018) ont utilisé des mesures de réflectivité collectées par le CloudSat/CPR, en combinaison avec des ré-analyses de champs de vent, pour simuler des observations synthétiques de vitesses radiales.
Une analyse de sensibilité a été menée par Di Michele et al. (2012) afin de mettre en avant les principales sources d’incertitudes présentes dans les opérateurs d’obser- vation pour radars à nuages. En effet, la relation qui lie la réflectivité aux variables du modèle n’est pas triviale, surtout à haute fréquence, et elle s’appuie en partie sur des hypothèses faites sur la représentation des hydrométéores. Cette analyse de sensibilité était principalement motivée par le fait que la connaissance de ces sources d’incertitude est essentielle en assimilation de données. En effet, il faut préalablement s’assurer que le modèle de PNT, à travers un opérateur d’observation, est capable de simuler des observations réalistes. Ainsi, la connaissance des incertitudes qui découlent des hypothèses formulées dans l’opérateur d’observation est primordiale pour garantir leur bonne utilisation en assimilation de données. Les résultats ont montré une sensibilité de la simulation du signal radar à la représentation des hydrométéores (PSDs et formes). Enfin, Iguchi et al. (2012) ont mis en évidence la difficulté de dissocier les erreurs de positionnement spatiales et temporelles des nuages prévus par le modèle, de celles qui sont inhérentes aux hypothèses formulées au sein de l’opérateur d’observation. De plus, la variabilité spatiale des champs prévus par les modèles de PNT augmente avec leur résolution. Ainsi, pour valider les opérateurs d’observation, il semble primordial de mettre en place des méthodes de validation qui permettent de s’affranchir des erreurs de localisation des nuages prévus par les modèles de PNT à échelle convective.
1.4
Conclusion
Nous avons vu dans ce chapitre les nombreux atouts des radars à nuages. En effet, grâce à leur plus grande sensibilité, ils permettent de détecter, avec une haute résolution verticale et horizontale, les plus petites particules nuageuses. Ils sont donc complémentaires des instruments actifs et passifs actuellement utilisés en météorologie. Les radars à nuages présentent également un intérêt technique puisqu’ils sont moins encombrants, moins lourds et donc plus facilement déployables à bord de plates-formes satellitaires, aéroportées ou maritimes. Ils apparaissent donc comme le dernier rouage permettant de définir, régler et initialiser les schémas microphysiques des modèles de PNT à échelle kilométrique.
Ces dernières années, différents opérateurs d’observation ont été conçus afin d’utiliser les réflectivités observées par des radars à nuages pour la validation de
revanche, très peu ont été développés pour les modèles de PNT à échelle kilométrique avec des paramétrisations microphysiques plus élaborées. Le premier objectif de ma thèse est donc de concevoir un opérateur d’observation pour radars à nuages à visée verticale, utilisable pour la validation de modèle de PNT à échelle convective du type de celui de Météo–France (Arome), ainsi que pour l’assimilation de données. En outre, puisque la réflectivité à ces gammes de fréquence est sensible à la représentation des hydrométéores (PSDs et forme), nous souhaitons construire l’opérateur d’observation en cohérence avec les hypothèses microphysiques utilisées dans le schéma microphy- sique à un moment de type bulk du modèle Arome. Enfin, nous souhaitons mettre en place une méthode de validation de l’opérateur d’observation qui permette de dissocier les erreurs de positionnement des nuages prévus par les modèles de PNT, de celles dues aux hypothèses formulées au sein de l’opérateur d’observation.
Par ailleurs, puisque les schémas microphysiques de type bulk opérationnellement utilisés n’associent actuellement pas une forme spécifique à chaque type d’hydromé- téore, nous souhaitons déterminer des formes effectives des hydrométéores glacés qui, statistiquement, représenteraient l’ensemble des formes observées. Contrairement à la méthode de la DDA, pour laquelle il faut faire une hypothèse détaillée concernant la forme de l’hydrométéore (par exemple dendrites, rosettes ou colonnes), la méthode de la matrice T (Mishchenko et al., 1996) permet de définir une forme sphéroïdale (oblate ou prolate) qui correspond à une forme équivalente observée. Cette forme équivalente se définit par son rapport d’axe r (rapport entre le diamètre maximal le long de l’axe vertical et le diamètre maximal le long de l’axe horizontal). De plus, la méthode de la matrice T est moins coûteuse en temps de calcul. Cette méthode est couramment utilisée pour modéliser les gouttes de pluie puisqu’elles ont tendance à avoir une forme sphéroïdale aplatie lorsqu’elles tombent dans l’atmosphère (Brandes et al., 2002, Augros et al., 2016). Modéliser les particules de glace comme des sphéroïdes aplatis est une alternative qui a largement été employée au sein de la communauté scientifique (Hogan et al., 2012, Fontaine et al., 2014, Matrosov,
2015). Ainsi, la méthode de la matrice T sera utilisée pour le calcul des propriétés radiatives (coefficient d’extinction et section efficace radar), afin d’approximer la forme des hydrométéores à des sphéroïdes aplatis définis par un rapport d’axe r moyen. Dans cette étude, nous nous intéressons plutôt aux radars à nuages aéroportés à visée verticale, qui ont l’avantage de pouvoir collecter des jeux de données conséquents dans des conditions variées lors de campagnes de mesures dédiées. De plus, par rapport aux radars satellitaires, les versions aéroportées sont moins sensibles aux effets des diffusions multiples ainsi qu’aux inhomogénéités des caractéristiques des hydrométéores dans le volume de résolution radar. Enfin, cette étude se focalise sur les radars à nuages fonctionnant en bande W, puisqu’ils ont une plus grande sensibilité aux plus petites particules nuageuses et que, de par leur plus petite taille, ils sont plus enclins à se populariser au sein de la communauté scientifique. Par ailleurs, nous nous plaçons dans un contexte de type quasi–opérationnel, ce qui permettra de trouver à ces travaux des applications de type ré-analyse lors de campagne de mesures, ou de prévi- sion numérique du temps si des radars à nuages démontrent leur aptitude à constituer de futurs réseaux opérationnels. Le chapitre suivant présente la période d’étude, le modèle atmosphérique au sein duquel l’opérateur d’observation a été implémenté, et le radar à nuages aéroporté qui a été utilisé pour valider l’opérateur d’observa-
1.4. CONCLUSION
2
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Cadre d’étude et données
Dans ce chapitre, nous présentons les principaux outils qui ont servi au cours de ce travail de thèse pour évaluer l’apport des données de radars Doppler à nuages pour la prévision des événements fortement précipitants en Méditerranée. Dans un premier temps, un aperçu de la période d’étude est présenté. Puis, le modèle de Prévision Nu- mérique du Temps (PNT) qui a été utilisé pour implémenter l’opérateur d’observation est décrit. Enfin, nous présentons les données du radar Doppler à nuages qui ont été utilisées afin de valider l’opérateur d’observation pour la réflectivité en bande W.
Sommaire
2.1 Période d’étude . . . . 29
2.1.1 Le programme HyMeX. . . 29 2.1.2 La première campagne d’observation de HyMeX . . . 30