Proposition de Sujet de thèse 2020
Laboratoire (et n° de l’unité) dans lequel se déroulera la thèse : CNRM - UMR 3589
Titre du sujet proposé : Vers une synergie multi-missions infrarouge et micro-ondes pour l’assimilation des observations nuageuses.
Nom et statut (PR, DR, MCf, CR, …) du (des) responsable (s) de thèse (préciser si HDR) : Nadia Fourrié (CRCN, HDR) et Philippe Chambon (chercheur)
Coordonnées (téléphone et e-mail) du (des) responsable(s) de thèse :
Nadia Fourrié email : nadia.fourrie@meteo.fr Tél. :05.61.07.84.76 Philippe Chambon email : philippe.chambon@meteo.fr Tél. :05.61.07.85.78 Résumé du sujet de la thèse
Les phénomènes météorologiques dangereux tels que les cyclones tropicaux, les tempêtes ou les orages sont associés à des nuages et à de fortes précipitations qui causent, avec le vent associé, de nombreux dégâts. Afin de prévoir ces événements météorologiques, la prévision numérique du temps repose sur la modélisation des phénomènes atmosphériques et une analyse de la situation météorologique. Cette dernière est produite via l’assimilation de données à partir d’une prévision à courte échéance et d’observations de l’atmosphère de nature variée. Les prévisions sont comparées aux observations au moyen d'un opérateur d'observation qui simule leur équivalent modèle. Une grande partie provient des instruments à bord de satellites géostationnaires et défilants. Ceux-ci observent dans différentes longueurs d’onde infrarouges et micro-ondes et sont sensibles à différents paramètres comme la température et l’humidité mais aussi les nuages et les précipitations. Dans le spectre infrarouge thermique les hydrométéores observés sont l’eau liquide nuageuse et la glace des nuages. Dans le domaine micro-ondes, selon la fréquence considérée, les mesures sont sensibles à la pluie, la neige ou la glace nuageuse. Depuis plusieurs années dans les différents centres de prévision, des recherches sont menées afin de mieux déterminer les conditions initiales dans les zones pluvieuses et nuageuses.
À Météo-France, la méthodologie utilisée pour extraire un signal utile pour la prévision numérique dans les systèmes précipitants et nuageux repose sur une approche en deux étapes : (i) une inversion Bayésienne des observations satellitaires (ou radiances) vers une quantité plus facilement assimilable telle que l’humidité relative, (ii) l’assimilation de ces humidités relatives à travers un système variationnel (Duruisseau et al., 2018 ; Farouk, 2018). Le projet IMOTEP soumis au TOSCA (Infrarouge, Micro-Ondes et Transfert radiatif ensemblistes pour la prévision des Extrêmes de Précipitations) cherche à exploiter le contenu en information des nouvelles observations satellitaires en initialisant les prévisions au cœur des évènements extrêmes. Une des tâches de ce projet consiste à rechercher une synergie positive pour l’assimilation dans les zones nuageuses observées à la fois par des instruments micro-ondes et infrarouges.
L’objectif de la thèse est de proposer une méthode unique d’assimilation nuageuse pour les observations infrarouges et micro-ondes. Il s’agira d'adapter un opérateur d'observation (code de transfert radiatif) simulant au mieux les observations en fonction des variables simulées par le modèle et de sa représentation des nuages et des précipitations.
La première étape du travail a pour but d’étudier le degré de cohérence existant entre les inversions réalisées à partir des températures de brillance infrarouges et micro-ondes. Ce travail sera effectué sur des situations météorologiques observées en coïncidence par un
instrument infrarouge (ABI) en orbite géostationnaire et un instrument micro-onde (GMI). Ce travail sera réalisé à partir des prévisions du modèle de fine échelle de Météo-France pour les régions Outre-Mer AROME qui permet de représenter de façon réaliste les nuages. La cohérence ne sera sans doute pas la même sur tous les niveaux verticaux des profils restitués du fait des sensibilités différentes des instruments. On peut toutefois s’attendre à des inversions assez proches surtout près du sommet des nuages. Des résultats quantitatifs sur la cohérence infrarouge/micro-onde permettront ainsi de définir une structure verticale optimale des profils inversés qu'il sera possible d’assimiler dans un modèle de prévision du temps. Différentes propriétés radiatives disponibles dans la communauté scientifique seront testées. Les données du radar spatial DPR seront également utilisées comme référence pour la validation des inversions provenant à la fois des capteurs passifs micro-ondes et infrarouge.
Une fois cette cohérence obtenue, l’assimilation des températures de brillance infrarouges nuageuses par inversion bayésienne sera mise en place dans le modèle de prévision à échelle globale ARPEGE en complément de celles des données micro-ondes pluvieuses.
L’apport de la haute répétitivité temporelle des données géostationnaires, y compris sur des cas de tempêtes des moyennes latitudes et de cyclones tropicaux sera étudié.
Ces travaux constituent une étape préparatoire à l’assimilation en conditions nuageuses multi-capteurs des sondeurs micro-ondes et infrarouge à bord de la prochaine génération des satellites météorologiques opérationnels d'EUMETSAT MetOp-SG (MWI / ICI / IASI-NG) et MTG (IRS).
Nature du travail attendu et compétences souhaitées
Il est attendu de ce travail d’arriver à une compréhension avancée de la synergie entre données micro-ondes et infrarouge pour l’assimilation d’observation dans les zones nuageuses. Le candidat aura idéalement des connaissances en télédétection et en assimilation de données. Il sera titulaire d’un Master 2 ou d’un diplôme d’ingénieur spécialisé en sciences de l’atmosphère et/ou en télédétection.
Références bibliographiques
Duruisseau, F., Chambon, P., Guedj, S., Guidard, V., Fourrié, N., Taillefer, F., ... & Roca, R.
(2017). Investigating the potential benefit to a mesoscale NWP model of a microwave sounder on board a geostationary satellite. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 143(706), 2104-2115.
Guerbette, J., Mahfouf, J. F., & Plu, M. (2016). Towards the assimilation of all-sky microwave radiances from the SAPHIR humidity sounder in a limited area NWP model over tropical regions. Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography, 68(1), 28620.
Farouk, I., Fourrié, N., & Guidard, V. (2019). Homogeneity criteria from AVHRR information within IASI pixels in a numerical weather prediction context. Atmospheric Measurement Techniques, 12(6), 3001-3017.
