Etude des effets des hétérogénéités spatiales tridimensionnelles des nuages sur les observables lidar et radar embarqués sur plateforme satellite

par Alaa Alkasem

Thèse de doctorat en Physique de l'Atmosphère

Sous la direction de Valery Shcherbakov.

Le président du jury était Joël Van Baelen.

Le jury était composé de Julien Delanoë, Nadia Fourrié, Céline Cornet, Frédéric Szczap.

Les rapporteurs étaient Julien Delanoë, Nadia Fourrié.


  • Résumé

    Les nuages montrent des variabilités tridimensionnelles complexes (3D) dans leurs propriétés géométriques, optiques et microphysiques horizontales et verticales. Généralement et pour des raisons pratiques, les nuages sont supposés être homogènes et parallèles dans les algorithmes de calcul du signal lidar/radar (problème direct) et dans les algorithmes de récupération des propriétés des nuages (problème inverse). L'objectif de ce travail est d'évaluer les effets de l'hétérogénéité des nuages et de la diffusion multiple sur des caractéristiques mesurées directement par le lidar/radar, nous ne traitons que les sources d'erreurs liées au problème direct. Nos évaluations sont basées sur l'échantillonnage aléatoire et sur la comparaison entre les profils moyens des nuages 3D et des nuages 1D équivalents plan-parallèles. Nous avons développé et validé un outil à cet effet. Le simulateur lidar/radar/radar Doppler (McRALI). Il est basé sur le modèle 3DMCPOL (Cornet et al., 2010). Les nuages 3D utilisés sont générés par le générateur de champs de nuages 3D (3DCLOUD_V2) (Szczap et al., 2014). Les comparaisons avec des publications et des codes de référence, ont montré de bonnes cohérences entre le code McRALI et les résultats publiés. On a étudié les effets de l'hétérogénéité 3D des nuages sur trois échelles 333 m, 1 km et 5 km. Les résultats obtenus ont montré que les biais sur le coefficient de rétrodiffusion β, sur le coefficient de rétrodiffusion intégré γ et sur le facteur de dépolarisation δ augmentent avec l’augmentation de l’échelle et l’épaisseur optique. L’étude sur un nuage de type cirrus de cristaux de glace plaquette ont montré que les profils moyens de β ainsi que de γ sont statistiquement égaux à l’échelle de 333 m. Au contraire, à l’échelle de 1 km les biais sont statistiquement significatifs. Le biais sur δ est statistiquement significatif pour les deux échelles. Les tests sur les mesures de radar CPR Doppler EarthCARE ont montré qu’il y a un écart sur la vitesse Doppler mesuré proche de la discontinuité dans un nuage discontinu, cet écart dépond le degré de la discontinuité, les propriétés optiques et géométriques du nuage et la géométrie du système radar. Ce travail contribue à une meilleure compréhension des effets de l'hétérogénéité des nuages sur les caractéristiques mesurées directement par le lidar / radar.

  • Titre traduit

    Study of the effects of three-dimensional spatial heterogeneities of clouds on lidar and radar observables embedded on a satellite platform


  • Résumé

    Clouds display complex three-dimensional (3D) variability in their horizontal and vertical geometric, optical and microphysical properties. Generally and for practical reasons, the clouds are supposed to be homogeneous and parallel in the algorithms for calculating the lidar / radar signal (direct problem) and in the algorithms for the retrieval of the properties of the clouds (inverse problem). The objective of this work is to evaluate the effects of cloud heterogeneity and multiple scattering on the characteristics measured directly by the lidar / radar. In this study, we only deal with the sources of errors related to the direct problem. Our assessments are based on random sampling and comparison between the average profiles of 3D clouds and 1D equivalent plane-parallel clouds. Therefore, we developed and validated a tool called the lidar / radar / Doppler radar simulator (McRALI). The latter tool is based on the 3DMCPOL model (Cornet et al., 2010). The 3D clouds, used in the current study, were generated by the 3D cloud field generator (3DCLOUD_V2) (Szczap et al., 2014). The tested McRALI code revealed good coherence with earlier published studies. We studied the effects of 3D cloud heterogeneity on three scales 333 m, 1 km and 5 km. The results obtained showed that the biases on the backscattering coefficient β, on the integrated backscattering coefficient γand on the depolarization factor δ increase with increasing the scale and the optical thickness. The study of a cirrus cloud of ice crystals showed that the average profiles of β as well as the γ are statistically equal to the 333 m scale. On the contrary, the biases are statistically significant at 1 km scale. The bias on δ is statistically significant for both scales. The tests carried out on the EarthCARE Doppler CPR radar measurements showed that there is a difference in the measured Doppler velocity close to the discontinuity in a discontinuous cloud. This difference is due to the degree of the discontinuity, the optical, the geometrical properties of the cloud and the geometry of the radar system. This work contributes to better understanding of the effects of cloud heterogeneity on the characteristics measured directly by the lidar / radar.


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