5.3.2.2 Couplage lidar et radiomètre IR
Appliquer la technique du split-window nécessite la connaissance de plusieurs propriétés du nuage afin de simuler correctement ses propriétés radiatives. Ainsi, il est nécessaire de connaître :
– la température du nuage, afin d’estimer correctement son spectre d’émission, – une information sur la forme des particules présentes dans le nuage.
Or, la plupart du temps, des hypothèses simplificatrices sont invoquées pour pallier à l’absence d’informations pertinentes. Notamment, estimer correctement la température d’un nuage à partir de mesures radiométriques seules est une tâche difficile, sujette aux erreurs, qui mène à des larges incertitudes sur la taille des particules obtenue. Il semble naturel de faire appel à un second instrument, qui permettrait de contraindre la méthode de restitution en apportant des réponses aux deux questions précédentes. Dans ce but, l’approche retenue ici combine des mesures radiométriques avec des profils de rétrodiffusion et de rapport de dépolarisation lidar.
Restitution du rayon effectif des cristaux de glace La technique du split-window
Utilisation du lidar. En amont de toute restitution de paramètres microphysiques, le lidar offre la possibilité
d’identifier sans ambiguïté la scène étudiée : ciel clair, nuage haut ou bas, plusieurs couches, etc. Cette faculté, qui peut sembler triviale à première vue, est primordiale pour les analyses qui vont suivre. En effet, la classification d’une scène entre ciel clair, présence de nuages bas et présence de nuages hauts est difficile sur la simple base de mesures radiométriques, car celle-ci est intégrée sur la colonne atmosphérique. L’analyse du profil d’intensité rétrodiffusée du lidar apporte une réponse à cette question, ce qui permet de se focaliser sur le problème de la microphysique proprement dite.
La première donnée explicitement requise par la technique split-window, à savoir la température du nuage, est utilisée lors de l’étape des simulations de transfert radiatif : l’émissivité du nuage est déterminée en se basant sur cette valeur. Une incertitude sur la température aura donc des répercussions sur le reste de l’analyse. L’utili-sation d’un lidar permet de répondre de façon efficace et rapide à ce manque de données : les profils d’intensité rétrodiffusée sont extrêmement sensibles aux variations de concentration particulaire dans l’atmosphère. L’étude des fluctuations de cette valeur pour restituer les altitudes de la base et du sommet des nuages est une technique éprouvée et maîtrisée. L’altitude du nuage peut être restituée avec une précision de l’ordre de la dizaine de mètres. Une fois cette altitude connue, il est très simple d’en déduire une valeur suffisamment précise de la température, à partir de radiosondages ou de réanalyses ECMWF proches de la région étudiée.
Par ailleurs, la technique du split-window nécessite de connaître, au moins approximativement, la forme des particules de glace composant le nuage. Cette forme est utilisée pour déterminer les propriétés de ces particules, afin de modéliser le plus fidèlement possible les phénomènes de transfert d’énergie à travers le nuage. De manière similaire à la température, une erreur sur la forme des particules mène à une marge d’erreur accrue sur la taille restituée des particules. En règle générale, lors de l’application de la technique du split-window, les particules sont approximées par des formes sphériques, ou des formes non sphériques choisies a priori. Or, à ce stade de notre travail, il est évident que les propriétés radiatives des particules polyhédrales complexes que l’on rencontre dans les cirrus sont très différentes de celles des sphères. Heureusement, le lidar permet d’apporter une information impor-tante : le rapport de dépolarisation lidar apporte une contrainte sur le facteur de forme des particules rencontrées (Sect. 5.1). Une fois ce paramètre connu, il est possible de contraindre le modèle de simulation de transfert radiatif, en imposant une forme non sphérique précise aux particules du nuage.
Propriétés optiques de cristaux non sphériques. Comme nous venons de le voir, lors de l’application de la
technique split-window, une hypothèse est généralement faite sur la forme des particules présentes dans le nuage analysé. Cette simplification provient, d’une part, de l’absence d’information concernant la forme des cristaux dans les nuages considérés, et, d’autre part, de la difficulté de simuler les propriétés optiques de particules polyhédrales pour une longueur d’onde infrarouge. Le lidar apporte une réponse à la première question, grâce à la mesure du rapport de dépolarisation. En ce qui concerne la seconde question, la combinaison de plusieurs techniques de calcul (Finite Difference Time Domain ou FDTD et Stretched Scattering Potential Method ou SSPM) a permis la simula-tion des propriétés optiques des cristaux à base hexagonale dans le domaine des longueurs d’onde infrarouge (entre 8 et 13 ) : coefficients d’extinction et d’absorption, facteur d’asymétrie, etc. pour des tailles de particule com-prises entre 1 et 10
. Les codes informatiques nécessaires à cette restitution ont été développés par Ping Yang, de l’Université du Texas Yang et al. (2001). Les résultats de ces simulations, appliqués à des codes de transfert radiatif, conduisent à des courbes de différences de températures de brillance, qui s’organisent en forme d’arches. Les arches simulées utilisées dans la suite de cette section sont présentées sur la figure 5.21, pour des plaquettes de différents facteurs de forme
et trois couples de longueurs d’onde adaptés à l’étude des cirrus : 8.7, 10.5 et 12 . Suivant les zones spectrales considérées, les arches se distinguent plus ou moins facilement. L’utilisation combinée de plusieurs couples de longueurs d’onde permet donc une discrimination accrue. Par ailleurs, les arches
Application à plusieurs couples d’instruments Restitution du rayon effectif des cristaux de glace
se rejoignent aux températures froides (T 220K) et chaudes (T 280K). Etant donné que la température diminue avec l’altitude, les températures elevées correspondent aux nuages bas, et les températures basses aux nuages hauts.
Utilisation de plusieurs longueurs d’onde. Historiquement, la technique du split-window a utilisé la
comparai-son des températures de brillance obtenues pour deux longueurs d’onde. Cependant, les instruments radiométriques présentent en règle générale davantage de canaux : ainsi, le radiomètre AVHRR, qui sera présenté par la suite, dis-pose de mesures dans 5 bandes spectrales dont seulement deux peuvent être utilisées pour le split-window, alors que l’instrument MODIS, qui sera utilisé dans la section suivante, permet d’utiliser jusqu’à 8 canaux. Bien que les bandes spectrales utilisables en pratique dans le cas de l’étude des cirrus soient en réalité limitées, l’utilisation d’une troisième longueur d’onde soigneusement sélectionnée pourrait s’avérer payante, en apportant une sensibilité à des particules de taille et de forme complémentaires de celles déjà existantes.
En pratique, un grande partie de l’efficacité de la technique du split-window provient de la capacité à représenter des arches bien distinctes. Cette distinction dépend des longueurs d’onde retenues pour l’étude, et l’utilisation d’une troisième longueur d’onde pertinente permettrait de distinguer des types de particules jusque-là confondus.
5.3.3 Application à plusieurs couples d’instruments
Dans les cas présentés dans cette section, les mesures radiomètres satellites seront utilisées en synergie avec des mesures de lidar à rétrodiffusion à partir du sol. Les résultats ne seront représentatifs qu’à l’échelle locale, mais il s’agit avant tout d’évaluer le potentiel des améliorations proposées ici.
Le lidar à rétrodiffusion utilisé est le LNA du SIRTA, qui a été présenté en Sect. 5.1.3.1 et dont les propriétés sont résumées dans le tableau 5.2.
Pour tester la technique de split-window, des données provenant de deux radiomètres différents, AVHRR et MODIS, ont été utilisées. Leurs propriétés sont présentées dans le tableau 5.6. Seules les longueurs d’onde des canaux situés dans l’infrarouge lointain sont indiquées.
CANAUX(IR) LONGUEURS D’ONDEIR ( ) RÉSOLUTION SPATIALE ORBITE
AVHRR 5 (2) 10.8 - 12 1.1 km et plus 833 km
MODIS 36 (8) 8.5, 9.7, 11, 11.9, 13.3, 13.6, 13.9, 14.2 1 km 705 km
TAB. 5.6 – Propriétés des radiomètres utilisés pour l’application de la technique de restitution.
5.3.3.1 Radiomètre AVHRR/lidar
Le radiomètre AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) enregistre l’énergie réfléchie par la terre afin d’observer la végétation, les nuages et les aérosols. Il dispose de six canaux qui détectent des longueurs d’onde situées dans le visible et le proche infrarouge. Son champ de vue de 1.3 mrad conduit à une résolution spatiale de 1.1km au nadir. Un miroir effectuant 6 révolutions par secondes permet de balayer une large zone de mesure, du nadir à une inclinaison de 55.4
.
La technique split-window a été appliquée à des données AVHRR4 acquises le 3 mai 1999. Les canaux à 10.75 et 12.34 ont été utilisés. Lors de ce cas, le satellite est passé directement au-dessus du SIRTA, des
Restitution du rayon effectif des cristaux de glace Application à plusieurs couples d’instruments
mesures colocalisées réalisées avec le LNA sont donc disponibles. L’image AVHRR prise au-dessus de Palaiseau est présentée sur la figure 5.23.a, et les séries temporelles d’intensité rétrodiffusée lidar correspondantes sont représentées sur la figure 5.23.b, en fonction du temps et de l’altitude. Ce cas a été sélectionné en raison de la présence de nuages de haute altitude, sur une longue période de temps, ce qui assure la cohérence avec les mesures satellite. Le rapport de dépolarisation étant élevé, les nuages sont constitués de glace. Les radiosondages de Trappes, situé à moins de 20 km du SIRTA, montrent une température dans le nuage entre -40
C et -60 C.
a. b.
FIG. 5.23 – a. Image satellite mesurée par AVHRR, au-dessus de Palaiseau, le 3 mai 1999 et b. séries temporelles