2.1
Description générale du problème
Il existe un important nombre d’études sur les nuages qui sont un paramètre clé du système climatique. Ces études concernent la modélisation à différentes échelles, les mesures in situ, aéroportées ou au sol... Nous nous intéressons ici aux mesures satellitaires de détection passive (dont la source de rayonnement est naturelle). En effet, celles-ci permettent une vision globale de la planète et ont une plus grande couverture que les mesures satellitaires de détection active (qui ont leur propre source). Dans cette optique l’observatoire spatiale franco-américain "A-Train" a été mis en place. Nous nous focalisons plus particulièrement sur l’instrument POLDER (POLari- zation and Directionality of the Earth’s Reflectance ) sur le satellite PARASOL (Polarisation et Anisotropie des Reflectances au sommet de l’Atmosphère), couplées avec un Satellite d’Obser- vation emportant un Lidar. Cet instrument était dédié à l’étude des aérosols, des nuages et de la vapeur d’eau et a permis des mesures jusqu’en 2013. Il avait la particularité de réaliser des mesures multi-angulaires et polarisées pour plusieurs longueurs d’onde. Cette mission ayant été une réussite, une nouvelle génération est en cours de développement avec l’instrument 3MI (Multi-viewing, Multi-channel, Multi-polarisation Imager), suite de l’instrument POLDER, qui sera lancé à l’horizon 2020 sur la plateforme METOP-SG-A qui sera une des composantes spatiales de l’ EPS-SG (EUMETSAT Polar System-Second Generation). 3MI effectuera le même
type de mesures que POLDER mais étendues au SWIR (Short Wave Infra-Red). Le but de notre travail est de déterminer en quoi et dans quelles proportions ces nouvelles mesures permettront de mieux décrire les atmosphères nuageuses.
À l’heure actuelle, la plupart des algorithmes restituant les paramètres nuageux et utilisant les mesures passives existantes, considère les nuages comme totalement homogènes. Ils permettent ainsi de restituer plusieurs paramètres (phase, taille des gouttelettes ou des cristaux, phase, épaisseur optique...) mais avec certaines limitations et de larges erreurs. On peut citer, par exemple, les incohérences entre les mesures passives et les mesures actives (Delanoë and Hogan, 2008). Ces dernières sont en général plus précises, particulièrement sur le profilage vertical des nuages, et ne donnent pas les mêmes résultats que les mesures passives sur la quantité d’eau dans les nuages (Seethala and Horvath, 2010; Borg and Bennartz, 2007). Il y a également un désaccord sur les inversions entre les différentes longueurs d’onde des instruments passifs du à leurs différentes sensibilités ; les valeurs des paramètres inversés sont parfois différentes suivant le canal utilisé pour ces inversions, comme pour la taille des gouttelettes nuageuses (Platnick, 2000; Zhang and Platnick, 2011; Seethala and Horvath, 2010). Ces incohérences sont principalement dues à l’hypothèse forte de nuage homogène horizontalement et verticalement. Des études récentes permettent de prendre en compte de manière analytique et simplifiée les hétérogénéités nuageuses comme le profil vertical qui ont été réalisées à partir de l’instrument MODIS (MODerate resolution Imaging Spectrometer) (Chang, 2003). Les futurs instruments comme 3MI devraient permettre une meilleure caractérisation des nuages de part leur plus grand nombre de mesure et leur précision. C’est l’objectif principal de ce travail de thèse.
2.2
Objectifs et approche de notre étude
L’instrument 3MI est principalement dédié à l’étude des aérosols mais certaines de ces caractéristiques et propriétés peuvent être très utiles à l’étude des nuages tout comme l’a été son prédécesseur POLDER. Par exemple, l’extension des mesures multi-angulaires et polarisées vers le SWIR devrait permettre d’apporter de l’information sur la taille des gouttelettes nuageuses complémentaires à celle apportée par la polarisation. Le but principal de cette thèse est donc de déterminer à quel point et comment cet instrument permettra de mieux contraindre un ensemble
de paramètres permettant de décrire de manière plus réaliste les propriétés de la couverture nuageuse.
Dans la première partie, nous décrirons les observatoires spatiaux "A-Train" et EPS-SG ainsi que leurs différents satellites et instruments. Certains instruments comme POLDER ou MODIS permettent d’avoir une idée de l’apport de l’instrument 3MI de par leurs caractéristiques com- munes avec ce dernier. Il est donc important de faire un bilan de ces deux missions. De plus l’instrument 3MI sera accompagné d’autres instruments sur la mission EPS-SG et la complé- mentarité de ceux-ci pourrait-être utile à l’étude des nuages. Il est donc important de connaitre toutes les composantes de cette mission. Dans un deuxième temps, dans cette même partie, nous présenterons la méthode utilisée pour l’étude des mesures de 3MI et l’inversion permettant de déterminer les paramètres nuageux. Cette méthode, appelée méthode d’ "estimation opti- male", permet de décrire un contenu en information de mesures satellitaires sur des paramètres nuageux. Cette étude de contenu en information utilise le même formalisme que la méthode d’inversion ce qui nous permettra de tester et d’étudier quelques exemples d’inversions.
Dans la deuxième partie, nous étudierons les mesures de 3MI pour l’inversion des paramètres nuageux utilisant le modèle de nuage plan-parallèle et homogène. En effet, même en utilisant ce modèle, les mesures actuelles ne permettent pas de déterminer tous les paramètres dans tous les cas. L’extension des mesures multi-angulaires vers le SWIR pourrait permettre par exemple d’améliorer la détermination de la microphysique et de l’épaisseur optique nuageuse qui est difficile pour certaines géométries mono-angulaires. Cette caractéristique sera comparée aux mesures mono-angulaires de "type" 3MI. Nous étudierons également les capacités de cet instrument à restituer l’extension verticale du nuage. Nous utiliserons pour cela les mesures dans la bande A de l’oxygène qui ont les mêmes caractéristiques que celles de POLDER. La méthode d’estimation optimale nous permettra de développer une nouvelle méthode d’inversion de l’altitude, de l’épaisseur géométrique et optique de nuages.
Comme mentionné précédemment, l’hypothèse de nuage plan parallèle homogène pose quelques problèmes de cohérence entre les différentes longueurs d’onde. De plus, on peut remarquer de nombreuses incohérences entre les inversions des instruments passifs tels que MODIS ou POLDER sous cette hypothèse et celles des instruments actifs. On entrevoit donc la nécessité de complexifier ce modèle de nuage. Nous développerons dans la troisième partie une
première modélisation simple du profil vertical nuageux à partir des résultats de mesures actives et de simulations thermodynamiques de nuages. Ce modèle permet de décrire entièrement mais de façon approximative un nuage verticalement hétérogène avec cinq paramètres que nous présenterons. Suite au développement, nous testerons la sensibilité des mesures de 3MI à ces paramètres pour avoir une vision qualitative des capacités de 3MI à inverser un profil nuageux. Nous procéderons à une étude de contenu en information sur sept types de nuages correspondant au classement de l’ISCCP pour des nuages liquides et à un exemple de simulation de nuages résultant d’un modèle LES (Large-Eddy Simulation) (Miller et al., 2016). Nous mènerons une étude d’impact des erreurs liées à notre modèle sur le contenu en information. Nous discuterons ensuite des améliorations et des complexifications possibles de notre modèle pour qu’il soit plus proche de la réalité.
Nous présenterons dans un dernier chapitre les conclusions de ce travail de thèse et discute- rons des différentes perspectives possibles.