CHAPITRE 2 : MEGHA-TROPIQUES, UN PROJET AMBITIEUX ET COMPLET
2.1 Megha-Tropiques : la mission satellitaire et les campagnes de validation au sol
2.1.2 Les campagnes de validation microphysique de Megha-Tropiques
Une phase importante du projet Megha-Tropiques réside dans la validation des produits et des algorithmes utilisés, en particulier concernant la restitution des précipitations et de la vapeur d’eau. Pour cela, des campagnes de mesure sont organisées afin de collecter des données de référence. Une campagne spécialement dédiée à la microphysique a lieu en Afrique de l’Ouest en 2010. Une seconde est organisée sur l’océan Indien en 2011. Le travail de cette thèse s’inscrit dans le cadre de la campagne de validation Megha-Tropiques africaine.
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2.1.2.1 Objectifs des campagnes microphysiques
Ces campagnes ont pour but d’améliorer la restitution de la pluie par les mesures micro-ondes de MADRAS grâce à l’algorithme BRAIN, en particulier au-dessus des continents. En effet, c’est là que l’émissivité de surface est plus importante et beaucoup plus hétérogène que celle des océans et elle contribue donc davantage au signal micro-onde reçu par le satellite. Cela rend plus difficile la différenciation entre la contribution atmosphérique et la contribution de surface dans le signal capté par le radiomètre. Pour remédier à ce problème, les canaux utilisés par MADRAS sur les continents sont ceux de plus hautes fréquences (85 GHz et 157 GHz), sensibles essentiellement à la phase glace de l’eau atmosphérique. Le profil des précipitations en-dessous du nuage est ensuite déduit de ces mesures.
Une source d’erreur importante dans cette restitution est donc liée au manque d’informations sur les caractéristiques des hydrométéores en phase glacée. Le nombre de particules pour un volume donné, leur taille, leur distribution en taille, ainsi que la densité de la glace sont des critères majeurs influant sur la signature radiométrique de ces hydrométéores. Ils doivent donc être paramétrés au mieux dans le modèle de transfert radiatif inclus dans BRAIN. Plus particulièrement, la relation qui lie la masse et le diamètre des particules est une des clés de la bonne restitution par cet algorithme. Il faut donc minimiser l’incertitude sur cette loi masse-diamètre et sur sa variabilité (en fonction de l’altitude et en fonction de la distance par rapport au cœur convectif du système) grâce à un maximum de données observées in-situ.
Des statistiques robustes concernant le contenu en glace et la densité des cristaux doivent donc être établies selon diverses conditions nuageuses et dans différentes zones de la ceinture tropicale. L’acquisition d’une telle base de données peut s’obtenir grâce à la combinaison de deux types de mesures : des mesures directes mais ponctuelles réalisées grâce à une instrumentation aéroportée, et des données indirectes mais continues en trois dimensions avec une couverture temporelle plus importante réalisées grâce à des radars au sol. C’est avec cet objectif qu’est organisée la campagne de validation microphysique Megha-Tropiques de Niamey.
2.1.2.2 La campagne de Niamey (2010) : présentation, récapitulatif
des vols et instrumentation embarquée
La campagne de validation microphysique de Niamey (Niger) se déroule en en août 2010, avant même le lancement du satellite Megha-Tropiques. L’avion Falcon 20 de l’unité SAFIRE (Service des Avions Français Instrumenté pour la Recherche en Environnement) réalise 11 vols dans
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la partie stratiforme de plusieurs systèmes convectifs méso-échelle, fournissant une bonne variété de cas différents. Le passage dans le cœur convectif des MCS est bien entendu limité au maximum pour des raisons de sécurité. La durée de chacun des vols est récapitulée dans le tableau 2-1. L’avion est équipé de plusieurs capteurs microphysiques OAP (Optical Array Probe) pour les mesures in-situ, exploitées par le Laboratoire de Météorologique Physique de Clermont-Ferrand (LaMP) :
- la sonde 2D-S (2D-Stéréo) : fabriquée par la société SPEC Inc., elle permet d’obtenir une image stéréoscopique 3D de l’image ombrée d’une particule, grâce à deux lasers orthogonaux qui illuminent deux rangées de photodiodes de 128 détecteurs avec une résolution de 10 µm. La visualisation des particules comprises entre 10 et 1280 µm est possible grâce à cet instrument (Lawson et al., 2006).
- la sonde CIP (Cloud Imager Probe) : mise au point par l’entreprise DMT (Droplet Measurement Technologies), elle est composée d’un faisceau laser qui est projeté sur une rangée de 64 photodiodes. Ces dernières deviennent ombrées lorsqu’un cristal passe dans le faisceau. Une image en deux dimensions est ainsi obtenue pour les particules allant de 25 à 1550 µm avec une résolution de 25 µm. (Baumgardner et al., 2001).
- la sonde PIP (Precipitation Imaging Probe) : cet imageur bidimensionnel de la société DMT mesure les hydrométéores précipitants dans une gamme de taille entre 100 et 6400 µm et il a le même principe de fonctionnement que la sonde CIP, avec une taille de pixel de 100 µm.
Ces trois sondes principales, représentées sur la figure 2-3, permettent donc l’étude de particules de glace comprises dans une large gamme de taille, entre 10 et 6400 µm. En traitant les images obtenues, on peut ainsi obtenir les spectres dimensionnels des cristaux de glace du nuage, et connaître des caractéristiques géométriques de ces particules. Pour certains vols de fin de campagne, les sondes CIP et PIP sont remplacées par des sondes de génération plus ancienne : la 2D-C et la 2D-P. On peut noter également la présence à bord de l’avion d’une sonde utilisée pour l’étude des gouttelettes d’eau, appelée FSSP (Forward Scattering Spectrometer Probe), mais cette dernière n’a pas été exploitée dans ce travail. Le Falcon 20 est également équipé d’un radar nuage appelé RASTA (Radar Aéroporté et Sol de Télédétection des propriétés nuAgeuses), décrit plus en détail dans la suite de ce chapitre.
N° vol Date Heures UTC N° vol Date Heures UTC
15 06/08/2010 16 : 10 – 19 : 00 21 21/08/2010 06 : 50 – 10 : 00 16 07/08/2010 11 : 50 – 15 : 10 22 22/08/2010 04 : 50 – 07 : 20 17 10/08/2010 08 : 45 – 11 : 30 23 26/08/2010 02 : 50 – 06 : 10 18 13/08/2010 13 : 20 – 16 : 25 24 26/08/2010 12 : 25 – 15 : 37 19 17/08/2010 10 : 30 – 13 : 40 25 28/08/2010 16 : 03 – 19 : 00 20 17-18/08/2010 23 : 35 – 02 : 40
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Au sol, deux radars sont installés : le radar du MIT (Massachusetts Institute of Technology) et le radar Xport du LTHE (Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie et Environnement). Les caractéristiques des trois radars utilisés durant cette campagne (RASTA, MIT, Xport) seront présentées en détail dans la section 2.2.2 de ce manuscrit car ces appareils constituent les moyens instrumentaux indispensables à ce travail de thèse.
En outre, les précipitations sont étudiées grâce à trois paires de disdromètres et un réseau de pluviomètres issu du programme AMMA.
Les mesures in-situ représentent donc une part majeure dans la campagne de validation microphysique en Afrique grâce à l’instrumentation aéroportée. Le second apport scientifique primordial est issu des mesures réalisées avec les différents radars au sol.
Figure 2-3 : L’avion SAFIRE Falcon 20 utilisé pour Megha-Tropiques et les sondes in-situ embarquées : a) sonde 2D-S, b) sonde CIP, c) sonde PIP.