Assimilation des observations satellitaires au-dessus des surfaces continentales

par Stéphanie Guedj

Thèse de doctorat en Télédétection, assimilation de données et physique de l'atmosphère

Sous la direction de Fatima Karbou et de Florence Rabier.

Soutenue en 2011

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Dans les modèles de prévision numérique du temps, les observations satellitaires sont devenues indispensables pour la production d'une analyse atmosphérique optimale. Or, malgré les performances et la maturité des systèmes d'assimilation actuels, ces observations demeurent fortement sous-exploitées au-dessus des surfaces continentales pour différentes raisons. L'objectif de cette étude est d'améliorer la représentation de la surface (en température et émissivité) afin de mieux assimiler les observations de télédétection dans les modèles. Dans un premier temps, nous avons cherché à vérifier la validité des hypothèses de surface pour le calcul de l'émissivité micro-onde au dessus d'une surface enneigée (région de l'Antarctique). L'effet de plusieurs hypothèses de surface sur les émissivités micro-ondes a été étudié et la qualité des simulations de températures de brillance a été sensiblement améliorée par la prise en compte d'une hypothèse pertinente. Par la suite l'objectif était d'étendre l'assimilation des données infrarouges sensibles aux surfaces continentales qui étaient jusque là rejetées des systèmes d'assimilation. Les recherches récemment effectuées pour l'assimilation des données micro-ondes au-dessus des continents, ont montré qu'un tel objectif est atteignable si la surface est mieux caractérisée. J'ai consacré une bonne partie de ma thèse a évaluer le potentiel d'une estimation de l'émissivité et de la température de surface à partir des données du radiomètre SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager) embarqué sur MSG (METEOSAT SECONDE GENERATION). La forte sensibilité aux nuages et les biais assez marqués de la température de surface analysée dans ALADIN m'ont poussée à préférer l'utilisation de climatologies d'émissivités IR du Land-SAF (EUMET-SAT Land Surface Analysis - Satellite Application Facilities) plutôt que d'estimer directement ces valeurs à partir des observations. J'ai montré qu'en me basant sur cette climatologie, on pouvait restituer des températures de surface à partir du canal IR10. 8 de même qualité que celles du Land-SAF et que l'utilisation de cette température de surface comme condition aux limites au modèle de transfert radiatif permet d'obtenir de bien meilleures simulations aux canaux SEVIRI. Enfin, des expériences d'assimilation, au sein de deux modèles à aire limitée, ont été conduites afin d'apprécier, pour la première fois, l'impact de l'assimilation des observations IR sensibles à la surface sur la qualité des analyses et des prévisions. L'impact prépondérant fut observé sur les analyses d'humidité avec une tendance à assécher l'atmosphère en période estivale et à l'humidifier en période hivernale. Ce changement d'humidité a été évalué avec succès près de la surface à l'aide de données GPS indépendantes. L'impact sur les prévisions et sur celles des précipitations en particulier, a été jugé positif principalement sur le sud de l'Europe.

  • Titre traduit

    Assimilation of satellite observations over land surfaces


  • Résumé

    In numerical weather prediction models, satellite observations are essential to perform optimal atmospheric analyses. Despite the performance and maturity of current assimilation systems, for different reasons these observations remain highly underutilized over land surfaces. This study aims to improve the description of the surface (temperature and emissivity) to better assimilate remote sensing observations in models. Initially, the validity of surface approximations used to calculate the microwave emissivity over snow surface was evaluated (over the Antarctica region). The impact of several surface approximations for microwave emissivity computation was studied and it was found that the quality of brightness temperature simulations was improved using relevant approximations. Thereafter, the objective was to extend the assimilation of infrared surface-sensitive observations over land which were until now rejected by the assimilation system. Recent researches to assimilate microwave observations over land have shown that this objective can be reached with an adequatly described surface. A large part of my PhD was devoted to the evaluate the potential to retrieve land surface emissivity and land surface temperature from data provided by the SEVIRI radiometer (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager) onboard METEO-SAT SECOND GENERATION. The strong sensitivity to clouds and the large bias found in the land surface temperature computed by the ALADIN meso-scale model encouraged me to use infrared emissivity climatology from the Land-SAF (EUMETSAT Land Surface Analysis - Satellite Application Facilities) rather than direct retrieval from SEVIRI observations. I have shown that, with these climatologies, the land surface temperature could be retrieved at channel IR10. 8 with the same quality as the one from the Land-SAF. The use of this temperature as boundary conditions of the radiative transfer model improve the brightness temperature simulations at SEVIRI channels. For the first time, assimilation experiments were conduced within the two limited area models to assess the impact of the assimilation of surface-sensitive infrared observations over the analysis and forecast skills. The predominant impact was observed on the analysis of the moisture with a tendency to dry out the atmosphere in summer and increase moisture in winter. The change in moisture was successfully evaluated near the surface, using independent GPS data. The impact on forecasts, in particular the cumulative precipitation forecasts, was considered to be positive mainly over southern Europe.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (178 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 169-178

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2011 TOU3 0351
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