Thèse de Raphael Peroni

Soutenance de thèse de Raphael Peroni - laboratoire LOA

Remote sensing of water vapour content above and around convective clouds

Résumé :

Malgré les avancées significatives dans la recherche en physique de l'atmosphère au cours des dernières décennies, de nombreuses incertitudes subsistent concernant notre compréhension du changement climatique. Les connaissances actuelles indiquent que les nuages jouent un rôle majeur dans ces incertitudes, en raison des interactions complexes impliquant les aérosols, la vapeur d'eau, les nuages, la circulation atmosphérique globale, la convection et les précipitations. La vapeur d'eau joue un rôle essentiel dans la formation et le développement des nuages, en particulier ceux issus de phénomènes convectifs qui, eux-mêmes, redistribuent la vapeur d'eau dans l'atmosphère par le biais d'échanges entre les nuages et leur environnement proche. Par conséquent, une compréhension plus approfondie de la teneur en vapeur d'eau au-dessus et autour des nuages est nécessaire pour améliorer notre compréhension des interactions entre la vapeur d'eau et les nuages, et aider la communauté scientifique à mieux contraindre les modèles de type LES et les modèles numériques de prévisions du temps. Notre recherche s'inscrit dans le cadre de la mission spatiale C³IEL, dont l'objectif est d'améliorer nos connaissances sur l’enveloppe 3D des nuages convectifs, leurs vitesses de développement horizontale et verticale, le contenu en vapeur au-dessus et autour, ainsi que l’activité électrique associée à ces systèmes convectifs. Au cours de cette thèse, notre attention s’est portée sur l'obtention du contenu intégré en vapeur d'eau en présence de nuages à partir d'observation satellite. La restitution de cette quantité a été effectuée grâce à une approche probabiliste Bayésienne : la méthode d'estimation optimale. Jusqu'à présent, peu d'études ont explicitement démontré la faisabilité d'une telle inversion en cas de ciel nuageux, en raison de la pénétration et diffusion du rayonnement dans le nuage qui augmente le nombre de paramètres intervenant dans la relation entre les luminances et le contenu en vapeur d'eau.

Des simulations de transfert radiatif ont été effectuées dans les trois bandes spectrales SWIR défini pour l’étude du contenu en vapeur d’eau dans le contexte de la mission C³IEL, suivant l’hypothèse d'une atmosphère constituée de couches plans-parallèles homogènes afin de générer des jeux de luminances synthétiques pour tester l'algorithme d'inversion développé au cours de cette thèse. L’application de notre algorithme d’inversion en conditions idéalisées a permis de montrer la faisabilité de la restitution du contenu intégré en vapeur d’eau au-dessus du nuage, situé au-dessus de l’océan à partir des luminances dans le SWIR, avec une précision de l'ordre de 1 kg/m² lorsque le nuage est optiquement dense. Cependant, la précision de cette restitution diminue à mesure que l’épaisseur optique du nuage diminue. L’application de l’algorithme sur des profils de vapeur d’eau réalistes, c'est-à-dire présentant des profils verticaux nuageux non homogènes, a montré que le contenu intégré en vapeur d’eau au-dessus de nuages d’eau liquide était restituable avec un biais positif, lié à la pénétration dans la nuage, de l'ordre de 2,18 kg/m², c'est-à-dire du même ordre de grandeur que ceux obtenus dans des travaux antérieurs en conditions de ciel clair. En présence de nuages de convection contenant de l'eau liquide et de la glace, caractérisés par une épaisseur géométrique importante et donc une altitude de sommet élevée, avec une épaisseur optique très élevée et des contenus en vapeur d'eau très faibles, l'algorithme d'inversion que nous avons développé ne permet pas de réaliser une restitution valable. Des pistes d’améliorations sont donc proposées afin d’améliorer les restitutions du contenu en vapeur d'eau dans des cas réalistes et de définir la limite restituable pour le contenu en vapeur d’eau.

Mots clés : Vapeur d'eau,Télédétection,Estimation optimale,Nuages,C³IEL