Quantification de la vapeur d'eau atmosphérique par GPS et apport à la prévision des événements cévenols PDF Download
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La vapeur d'eau varie largement dans l'atmosphère avec des concentrations allant de la saturation dans les tropiques à des zones presque sèches au-dessus des zones continentales élevées. Une bonne connaissance du contenu en vapeur d'eau dans l'air est nécessaire pour la prévision des changements de phases, notamment les précipitations. La mesure de la variabilité de la vapeur d'eau est une lacune des systèmes d'observation. Par ailleurs, il est apparu que le positionnement précis des antennes GPS (Global Positionning System) était affecté par la variation de l'indice de réfraction dans la troposphère, ce qui rend particulièrement difficile l'estimation de la composante verticale. Cette variation est directement liée à la distribution des variables pression, température et humidité sur les trajets satellite-récepteur. On s'intéresse ici à l'étude des précipitations intenses et notamment aux épisodes Cévenols. Ce travail de thèse consiste dans un premier temps à vérifier la validité de la mesure GPS pour la quantification de la vapeur d'eau en la comparant avec des mesures issues de radiosondage et des sorties de modèle météorologique. On cherche à analyser si la quantification de vapeur d'eau par GPS permet de caractériser les forts événements précipitants (cumuls supérieurs à 150 mm) à l'aide d'observations conjointes sur les flux de surface. On étudie ensuite l'impact de l'assimilation de données GPS issues d'un réseau GPS dense sur la prévision des cumuls de pluies dans le modèle à haute-résolution (2.5 km) AROME. Finalement on évalue la qualité et l'apport de la mesure de vapeur d'eau par GPS en mer dans le cadre d'une campagne de mesure (VAPIMED)
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La vapeur d'eau varie largement dans l'atmosphère avec des concentrations allant de la saturation dans les tropiques à des zones presque sèches au-dessus des zones continentales élevées. Une bonne connaissance du contenu en vapeur d'eau dans l'air est nécessaire pour la prévision des changements de phases, notamment les précipitations. La mesure de la variabilité de la vapeur d'eau est une lacune des systèmes d'observation. Par ailleurs, il est apparu que le positionnement précis des antennes GPS (Global Positionning System) était affecté par la variation de l'indice de réfraction dans la troposphère, ce qui rend particulièrement difficile l'estimation de la composante verticale. Cette variation est directement liée à la distribution des variables pression, température et humidité sur les trajets satellite-récepteur. On s'intéresse ici à l'étude des précipitations intenses et notamment aux épisodes Cévenols. Ce travail de thèse consiste dans un premier temps à vérifier la validité de la mesure GPS pour la quantification de la vapeur d'eau en la comparant avec des mesures issues de radiosondage et des sorties de modèle météorologique. On cherche à analyser si la quantification de vapeur d'eau par GPS permet de caractériser les forts événements précipitants (cumuls supérieurs à 150 mm) à l'aide d'observations conjointes sur les flux de surface. On étudie ensuite l'impact de l'assimilation de données GPS issues d'un réseau GPS dense sur la prévision des cumuls de pluies dans le modèle à haute-résolution (2.5 km) AROME. Finalement on évalue la qualité et l'apport de la mesure de vapeur d'eau par GPS en mer dans le cadre d'une campagne de mesure (VAPIMED)
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La vapeur d’eau joue un rôle majeur dans le fonctionnement climatique et météorologique de la Terre. C’est notamment une variable clé pour comprendre les phénomènes de convection à l’origine des précipitations intenses. Or les prévisions quantitatives des pluies ne s’améliorent pas depuis 20 ans parce que -entre autres - la mesure de la variabilité de la vapeur d’eau est une lacune des systèmes d’observations. La précision de la mesure du contenu intégrée en vapeur d’eau par le système GPS est démontrée depuis une dizaine d’années. La tomographie GPS permet aujourd'hui de restituer le champ 3D de vapeur d’eau. Ce mémoire présente la théorie (méthodes des moindres carrés et filtre de Kalman), la validation et les applications du logiciel LOFTT_K de tomographie troposphérique GPS développé pendant cette thèse. La tomographie a été validée grâce à des simulations, des modèles météorologiques et des mesures indépendantes. Elle a ensuite été utilisée pour comprendre les interactions petites échelles entre les dynamiques locales (les brises) et de mésoéchelle (le mistral). Le GPS météorologique a permis aussi de caractériser les variations d’humidité pendant les pluies cévenoles. Enfin la tomographie GPS régionale a mis en évidence un mécanisme de chargement en humidité de l’atmosphère avant l’initiation de la convection. A l’avenir, les données GPS seront assimilées dans les modèles opérationnels de prévision météorologique. Elles doivent aussi servir à approfondir la connaissance des relations entre les précipitations, la convection et la dynamique de la vapeur d’eau
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Dans le golfe du lion et plus precisement au sud des Cevennes ont lieu principalement a l'automne des evenements meteorologiques specifiques d'une duree de deux a trois jours appeles episodes Cevenols. Les pluies intenses entrainees par ces evenements meteorologiques actuellement mal anticipes, provoquent des crues eclairs entrainant des degats materiels et parfois meme des victimes. L'evaluation de ces evenements, a ce jour, manque de fiabilite car les modeles meteorologiques sont mal contraints en raison de l'absence de mesures precises de quantite de vapeur d'eau tropospherique sur la mer Mediterranee. Actuellement est menee la campagne HyMex qui a pour objectif d'ameliorer ces modeles meteorologiques. Une solution possible pour realiser ces mesures en vapeur d'eau est l'utilisation de la methode Positionnement Ponctuel Precis (PPP). Ce travail consiste donc a valider le logiciel de calcul GPS (GPSPPP) base sur la methode PPP pour l'estimation du contenu integre en vapeur d'eau tropospherique par GPS embarque. Cette etape realisee nous utiliserons le logiciel GPSPPP dans le cadre de mesures sur un bateau durant la campagne HyMex."
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La vapeur d'eau joue un rôle important en météorologie.Toutefois, sa variabilité spatio-temporelle a été un frein à son étude. Des chercheurs ont pu mettre en évidence le potentiel du Global Positioning System pour l'étudier. Les résultats sont nombreux. Une distribution 2D grâce aux valeurs intégrées ou une distribution 3D au moyen de la tomographie. Ce travail de thèse présente le logiciel de tomographie troposphérique GPS développé au sein du Laboratoire de météorologie physique. Il fonctionne grâce aux données GPS brutes et aux fichiers météorologiques au sol. L'application opérationnelle est ensuite présentée. Les résultats concernent l'Observatoire Hydrométéorologique des Cévènnes-Vivarais, le réseau GPS permanent de l'Institut Royal Météorologique de Belgique et la campagne Convective and Orographically-induced Precipitation Study. Ces résultats ont fait l'objet d'une étude avec des radars météorologiques afin d'appréhender le rôle de l'humidité pour l'initiation convective
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Ce travail traite essentiellement des problemes poses par la restitution de la vapeur d'eau atmospherique a partir du sondage vertical satellitaire. On commence par donner une description generale de la methode utilisee dans le cadre de cette etude. Il s'agit du systeme 3i (improved initialization inversion), concu pour la determination des parametres physiques de l'atmosphere a partir des mesures du sondeur tovs (tiros/n operational vertical sounder). Les problemes rencontres sont relates et abordes de facon approfondie, conduisant a l'elaboration d'une nouvelle version de l'algorithme d'estimation de la vapeur d'eau atmospherique a partir des mesures de l'instrument tovs. La qualite des resultats obtenus s'en est trouvee nettement amelioree comme le montrent les comparaisons effectuees vis-a-vis de ce qui est obtenu par d'autres sources de donnees: les analyses meteorologiques de l'ecmwf, les mesures par radiosondage et par radiometrie microondes basee au sol ainsi que les observations du ssm/i (special sensor microwave imager). Enfin, une methode est developpee pour l'utilisation des resultats obtenus afin de calculer la correction tropospherique humide a la verticale, necessaire au traitement des mesures d'altimetrie spatiale, en prevision des missions oceanographiques: franco-americaine topex-poseidon et europeenne ers1
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CE TRAVAIL TRAITE ESSENTIELLEMENT DES PROBLEMES POSES PAR LA RESTITUTION DE LA VAPEUR D'EAU ATMOSPHERIQUE A PARTIR DU SONDAGE VERTICAL SATELLITAIRE. ON COMMENCE PAR DONNER UNE DESCRIPTION GENERALE DE LA METHODE UTILISEE DANS LE CADRE DE CETTE ETUDE. IL S'AGIT DU SYSTEME 3I (IMPROVED INITIALIZATION INVERSION), CONCU POUR LA DETERMINATION DES PARAMETRES PHYSIQUES DE L'ATMOSPHERE A PARTIR DES MESURES DU SONDEUR TOVS (TIROS/N OPERATIONAL VERTICAL SOUNDER). LES PROBLEMES RENCONTRES SONT RELATES ET ABORDES DE FACON APPROFONDIE, CONDUISANT A L'ELABORATION D'UNE NOUVELLE VERSION DE L'ALGORITHME D'ESTIMATION DE LA VAPEUR D'EAU ATMOSPHERIQUE A PARTIR DES MESURES DE L'INSTRUMENT TOVS. LA QUALITE DES RESULTATS OBTENUS S'EN EST TROUVEE NETTEMENT AMELIOREE COMME LE MONTRENT LES COMPARAISONS EFFECTUEES VIS-A-VIS DE CE QUI EST OBTENU PAR D'AUTRES SOURCES DE DONNEES: LES ANALYSES METEOROLOGIQUES DE L'ECMWF, LES MESURES PAR RADIOSONDAGE ET PAR RADIOMETRIE MICROONDES BASEE AU SOL AINSI QUE LES OBSERVATIONS DU SSM/I (SPECIAL SENSOR MICROWAVE IMAGER). ENFIN, UNE METHODE EST DEVELOPPEE POUR L'UTILISATION DES RESULTATS OBTENUS AFIN DE CALCULER LA CORRECTION TROPOSPHERIQUE HUMIDE A LA VERTICALE, NECESSAIRE AU TRAITEMENT DES MESURES D'ALTIMETRIE SPATIALE, EN PREVISION DES MISSIONS OCEANOGRAPHIQUES: FRANCO-AMERICAINE TOPEX-POSEIDON ET EUROPEENNE ERS1
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LE RADIOMETRE POLDER (POLARIZATION AND DIRECTIONALITY OF THE EARTH'S REFLECTANCES), PLACE SUR UNE ORBITE POLAIRE HELIOSYNCHRONE EN AOUT 1996, EFFECTUERA DES MESURES SPECTRALES, MULTIDIRECTIONNELLES ET POLARISEES DU RAYONNEMENT SOLAIRE REFLECHI PAR LE SYSTEME TERRE-ATMOSPHERE. POUR LA VERSION SATELLITAIRE DE POLDER LA RESTITUTION DES PARAMETRES GEOPHYSIQUES A PARTIR DES MESURES SERA FAITE QUOTIDIENNEMENT A L'AIDE D'ALGORITHMES PREPARES AVANT LE LANCEMENT. LES MISSIONS SCIENTIFIQUES ONT ETE REGROUPEES DANS TROIS CHAINES DE TRAITEMENT: COULEUR DE L'OCEAN, BILAN RADIATIF ET NUAGE, TERRES EMERGEES. NOTRE TRAVAIL SE SITUE DANS LE CADRE DE LA PREPARATION DES ALGORITHMES TERRES EMERGEES ET PORTE PLUS PRECISEMENT SUR LA DETECTION DES NUAGES D'UNE PART ET LA QUANTIFICATION DE LA VAPEUR D'EAU ATMOSPHERIQUE D'AUTRE PART. AFIN DE METTRE AU POINT LES DIFFERENTS TESTS NUAGEUX, NOUS NOUS SOMMES BASES SUR DES SIMULATIONS DE TRANSFERT RADIATIF, SUR DES MESURES ISSUES DE LA VERSION AEROPORTEE DE POLDER ET D'AUTRES CAPTEURS. LA SECONDE PARTIE DE CE TRAVAIL A POUR OBJECTIF D'ESTIMER LE CONTENU EN VAPEUR D'EAU ATMOSPHERIQUE A PARTIR DES MESURES POLDER. S'APPUYANT SUR DES SIMULATIONS DE TRANSFERT RADIATIF, EN CONDITIONS CLAIRES, UNE FONCTION RELIANT LE RAPPORT DES REFLECTANCES AU CONTENU EN VAPEUR D'EAU A ETE DEVELOPPEE. LES INCERTITUDES LIEES A DIFFERENTS PARAMETRES INSTRUMENTAUX ET GEOPHYSIQUES ONT EGALEMENT ETE ESTIMEES (DE L'ORDRE DE 10%). LA METHODE A PU ETRE VALIDEE GRACE A DES MESURES ISSUES DE DIFFERENTES CAMPAGNES AEROPORTEES DE POLDER
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Cette thèse s'intéresse aux liens entre l'évolution du contenu en eau de l'atmosphère et la formation des précipitations. L'objectif général des travaux qui y sont présentés est d'améliorer la compréhension des mécanismes de formation des précipitations en se basant sur des mesures de vapeur d'eau effectuées principalement par GPS. Une étude statistique originale effectuée à partir de 5 années de mesures (GPS, pluviomètre et capteurs météorologiques au sol, situés sur le campus des Cézeaux, Clermont-Ferrand) a permis de mettre en évidence qu'en moyenne l'augmentation du contenu intégré en vapeur d'eau (IWV) est un précurseur de la formation des pluies, et que les variations de l'humidité dans la colonne atmosphérique toute entière sont pour l'essentiel découplées de celles observées à la surface. En effet, contrairement à l'humidité au sol, l'IWV atteint son maximum en moyenne 20 minutes avant le pic de précipitations. Cela semble indiquer que lorsque les précipitations commencent la condensation devient prépondérante à l'échelle de la colonne atmosphérique toute entière tandis qu'au niveau du sol il y a une forte évaporation. L'étude détaillée des précipitations convectives qui se sont produites sous le vent des Vosges le 18 Juillet 2007 (période d'observation intensive 9a de la campagne Convective and Orographically- induced Precipitation Study - COPS), a permis de mettre en évidence l'apport essentiel du GPS pour l'étude des précipitations convectives dans une région de moyenne montagne. En effet, grâce à une utilisation combinée de mesures radar à haute résolution, d'analyses de surface et de stations GPS (permettant d'observer des structures du champ de vapeur d'eau à petite échelle et haute résolution temporelle, à 2D et 3D), nous avons montré que l'accumulation d'humidité précédait de plusieurs heures l'initiation de la convection et que le déclenchement convectif est favorisé par la convergence du flux d'humidité. Cette dernière est associée à une convergence du vent dans les basses couches, ce qui entraîne un important transport vertical de la vapeur d'eau, observé grâce à la tomographie GPS. La direction du vent en amont du relief s'est révélée contrôler pour beaucoup la localisation des zones de convergence. Le forçage local dû à l'orographie à petite échelle (
Author: Karen Boniface
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