La méthode d’obtention des paramètres microphysiques

II.2. D ESCRIPTION DE L ’ INSTRUMENTATION IN SITU DE BASE

III.1.2. La méthode d’obtention des paramètres microphysiques

III.1.2.1. Rappel sur la méthode de calibrage

Avant de décrire la méthode de traitement du CPI, il est important de rappeler la technique de calibrage utilisée qui a pour but de déterminer le volume d’échantillonnage du CPI. Ce volume d’échantillonnage doit être calculé avec précision, laquelle détermine ensuite la précision sur les paramètres microphysiques.

Rappelons tout d’abord le calcul du volume d’échantillonnage :

DOF A deadtimes t A TAS V = × ×(∆ −

∑

Ce volume, schématisé sur la figure III.7, est en fait la somme du volume d’air échantillonné sans particules (1^er terme de droite) et du volume d’air échantillonné à chaque détection de particule (2^nd terme de droite). TAS est la vitesse réelle de l’air (True Air Speed), A est la surface de détection formée par l’intersection des deux lasers de détection (2.3 mm x

2.3 mm) et ∆t représente le pas de temps pendant lequel on calcule le volume

d’échantillonnage (1 seconde). On corrige le volume du temps pendant lequel la sonde n’est pas opérationnelle en prenant en compte les temps morts (

∑

deadtimes) qui sont enregistrés dans les données par le système d’acquisition.

Figure III.7: Définition du volume d’échantillonnage du CPI.

L’équation III.1 fait apparaître que le calcul du volume V est dépendant de la profondeur de champ DOF (Depth Of Field) du système optique.

Pour le calcul du volume échantillonné lors de chaque déclenchement du laser imageur (ΣA_i x DOF_i), A_i représente la surface d’échantillonnage effective de chaque particule i :

Ai = (2300-lx) x (2300-ly) (Equation III.2)

lx et ly représentent respectivement la largeur et la hauteur de l’image i acquise.

La profondeur de champ DOFi de chaque particule est définie selon une méthode de calibrage détaillée dans Connoly (2007) et Lefèvre (2007). Elle permet d’obtenir un volume d’échantillonnage avec une précision très acceptable de 3%. Cette méthode consiste à calibrer le CPI avec des billes de verres de différents diamètres (15 µm, 30 µm et 100 µm). Le CPI enregistre les images de ces billes qui sont disposées à différentes distances du plan focal du

système optique de la sonde. Le traitement des données consiste alors à prendre en compte les effets de diffraction pour déterminer le rapport entre longueur apparente et longueur réelle en fonction de la distance au plan focal afin de corriger le diamètre des particules en fonction de la distance au plan focal.

Enfin, un seuil de focalisation est défini, lequel permet de rejeter les particules les plus floues, définissant ainsi les distances limites par rapport au plan focal qui sont à considérer. La profondeur de champ, qui correspond à la distance maximale par rapport au plan focal pour laquelle on va considérer les particules valides, est alors directement déduite.

III.1.2.2. La méthode de traitement des mesures

Une fois les images des particules acquises, une méthode de traitement spécifique leur est appliquée afin de déterminer les paramètres microphysiques et optiques des nuages. Cette méthode, plus accessible et plus complète que le logiciel CPIView fourni par SPEC Inc., a été développée au Laboratoire de Météorologie Physique. Nous allons ici en rappeler les principales étapes pour la détermination des paramètres microphysiques et optiques (voir Lefèvre, 2007 pour la description détaillée).

Quand le laser imageur se déclenche, un échantillonnage est enregistré, lequel contient une ou plusieurs images des particules. Au moment de l’acquisition des données, le CPI « découpe » ensuite chaque image en plusieurs ROI (Region of Interest), chaque ROI correspondant à une particule. Cependant, à cause d’un dysfonctionnement du logiciel d’acquisition de la sonde, il arrive qu’une même particule soit fractionnée en plusieurs ROI. La première étape du traitement consiste donc à reconstruire ces images fractionnées. Ensuite, les paramètres 2D de chaque image sont extraits : longueur, largeur, périmètre, surface, surface des trous, forme… (cf. détails dans Lefèvre, 2007)

La détermination des propriétés nuageuses fait intervenir la connaissance du volume d’échantillonnage du CPI, dont le calcul a été décrit dans le paragraphe précédent. Une fois le volume d’échantillonnage V déterminé, la concentration normalisée en nombre n(D) pour

chaque classe de diamètre D qui permet d’obtenir le spectre dimensionnel s’écrit :

V dD dn D

La concentration totale N est alors :

∑

= D D n N ( ) (Equation III.4)

La détermination du contenu en glace (IWC) est réalisée selon la méthode de Lawson et Baker (2006) et Baker et Lawson (2006) que nous décrivons brièvement maintenant. Pour déterminer la masse m des particules, cette méthode utilise une loi masse diamètre de type

m = α X ^β, X étant un paramètre unique résultant d’une combinaison de quatre paramètres géométriques de chaque image acquise (surface A, largeur W, longueur L et périmètre P) :

P W L W A X ₌ × ×²×⁽ + ⁾ (Equation III.5)

où L, W, et P sont exprimés en mm et A en mm².

Le contenu en glace IWC se calcule alors avec la relation suivante :

V X IWC i i

∑

= 793 . 0 135 . 0 (Equation III.6)

avec V le volume d’échantillonnage en m^-3, IWC en mg m^-3, et X_i en mm³ selon l’équation III.5 pour chaque image i.

Cette loi unique a été déterminée empiriquement (Lawson et Baker, 2006) à partir d’un jeu de données de 630 particules classées en 17 formes distinguables. Cette méthode consiste tout d’abord à calculer la masse des particules en appliquant 17 lois masse-diamètre déjà connues du type m = α L ^β (cf. tableau II.4) aux 17 groupes de particules mis en évidence. Le paramètre X décrit par l’équation III.5 est ensuite déterminé pour chacune des 630 particules puis comparé à la masse calculée précédemment, comme le présente la figure III.8 de Baker et Lawson (2006). Les coefficients α=0.135 et β=0.793 correspondent ainsi à la meilleure régression linéaire de l’équation de type m = α X ^β (R²=0.834).

Figure III.8: Relation entre la masse des particules et le paramètre unique

X=AW(2L+2W)/P d’après Baker et Lawson (2006). A, W, L et P sont la surface, la largeur la longueur et le périmètre qui caractérisent chaque image de particule mesurée par le CPI.

Les méthodes standard employées jusqu’à présent pour déterminer IWC à partir des mesures des sondes PMS 2D-C et 2D-P (cf. § II.2.1.4) utilisent également une loi de type

m=αX^β, avec X étant (selon la méthode utilisée) la surface, diamètre ou longueur maximale de la particule. Les coefficients α et β de la loi masse-diamètre sont déterminés en fonction de la meilleure représentation (à priori) des formes des particules échantillonnées afin de déterminer IWC avec la meilleure précision.

Pour ce qui concerne les mesures du CPI, la combinaison des quatre paramètres dans le calcul de la masse, selon Lawson et Baker, 2006, présente l’avantage de s’affranchir de la connaissance à priori de la forme des particules. La formule ci-dessus pour la détermination de IWC peut donc être appliquée à un jeu de données sans connaissance à priori du type de particules.

Les autres paramètres microphysiques sont déterminés selon les équations suivantes :

diamètre moyen Dm : N D D n D D m

∑

× = ) ( (Equation III.7)

diamètre volumique moyen DVM :

D D m DVM D

∑

× = ) (

avec m(D) la concentration en masse des particules de diamètre D et m la concentration en masse totale. coefficient d’extinction σ : V A

Dans le document Validation des produits d'inversion des observations satellitaires CALIPSO/CloudSat pour la caractérisation des propriétés optiques et microphysiques des nuages de glace et en phase mixte (Page 56-61)