3D wind vectors measurement with remotely piloted aircraft system for aerosol-cloud interaction study

par Radiance Calmer

Thèse de doctorat en Océan, atmosphère, climat

Sous la direction de Gregory Roberts.

Le président du jury était Céline Mari.

Le jury était composé de Gregory Roberts, Andréa Flossmann, Bruno Neininger, Wolfgang Junkermann, Marie Lothon.

Les rapporteurs étaient Andréa Flossmann, Bruno Neininger, Wolfgang Junkermann.

  • Titre traduit

    Mesure du vecteur tridimensionnel du vent à partir de drones pour l'étude des interactions aérosol-nuage


  • Résumé

    Le projet européen BACCHUS (impact of Biogenic versus Anthropogenic emissions on Clouds and Climate: towards a Holistic UnderStanding) porte sur les interactions aérosol-nuage. Les vitesses du vent vertical à proximité de la base des nuages et les spectres des noyaux de condensation des nuages (CCN) sont deux paramètres d'entrée importants pour les modèles de parcelle aérosol-nuage dans la détermination des propriétés microphysiques et optiques des nuages. Par conséquent, la présente étude se concentre sur le développement et la mise en oeuvre de mesures de vent atmosphérique afin d’améliorer les études de fermeture aérosolnuage. Les systèmes d'aéronefs pilotés à distance (RPAS) ont démontré leur potentiel en tant qu'outils pour la recherche atmosphérique dans l’étude de la couche limite, des aérosols et des nuages. Cependant, en tant qu'outil récent en recherche atmosphérique, le RPAS nécessite un développement instrumental pour répondre aux besoins d'observation actuels. Une sonde à 5 voies est développée pour une plateforme d'aéronef piloté à distance (RPA), assistée par un système de navigation inertiel (INS) pour obtenir les trois vecteurs du vent atmosphérique. La sonde à 5 voies est d'abord calibrée dans une soufflerie (à Météo-France, Toulouse, France), et une analyse d'erreur est effectuée sur la mesure du vent vertical. Les vecteurs de vent obtenus à partir de vols de RPA sont comparés à des vecteurs de vent déterminés à partir d'anémomètres soniques situés à différents niveaux d’un mât météorologique de 60 m (Centre de Recherches Atmosphériques, Lannemezan, France). Une bonne concordance entre les fonctions de densité de probabilité de la vitesse verticale du vent est obtenue. La densité spectrale de puissance des trois composantes du vent suit la ligne -5/3 en régime de turbulence établie (loi de Kolmogorov). Les valeurs d’énergie cinétique turbulente (TKE), calculées à partir du RPA, sont légèrement supérieures à celles de l'anémomètre sonique. Cependant, les résultats concordent avec ceux rapportés dans d'autres expériences comparant les plateformes RPAs à des anémomètres soniques (Lampert et al. (2016), Båserud et al. (2016)). Comme le RPA équipé d'une sonde à 5 voies (définie comme le ``wind-RPA'') est développé pour les observations aérosol-nuage, les vitesses verticales (updraft) près de la base des nuages sont comparées avec les données d’un radar de nuage au cours d'une campagne de mesures BACCHUS (Mace Head Research Station, Irlande). Trois études de cas illustrent la similitude des vitesses verticales dans les nuages mesurées par le wind-RPA et le radar de nuage. Une bonne concordance entre les vitesses verticales des deux instruments à travers différentes conditions météorologiques est établie. Les mesures de vitesse verticale du wind-RPA sont implémentées dans le modèle de parcelle aérosol nuage pour mener une étude de fermeture (campagne de mesures BACCHUS à Chypre). Les distributions de taille des aérosols et les CCN mesurés par un site au sol servent de paramètres d’entrée au modèle avec les vitesses verticales mesurées par le RPA. Le modèle de parcelle aérosol-nuage montre que l'entraînement dans les nuages a un impact plus important sur les propriétés optiques des nuages que la variabilité de la vitesse verticale et que la concentration en aérosols. Les résultats du cas d’étude de Chypre sont cohérents avec les résultats des études de fermeture similaires de la campagne de mesures à Mace Head (Sanchez et al., 2017) et renforcent l'importance d'inclure les processus d'entraînement dans les modèles de nuages pour réduire les incertitudes liées aux interactions aérosol-nuage.


  • Résumé

    The European project BACCHUS (impact of Biogenic versus Anthropogenic emissions on Clouds and Climate: towards a Holistic UnderStanding) focuses on aerosol-cloud interactions. Vertical wind velocities near cloud base, and cloud condensation nuclei (CCN) spectra, are the two most important input parameters for aerosol-cloud parcel models in determining cloud microphysical and optical properties. Therefore, the present study focuses on the instrumental development for vertical wind measurements to improve aerosol-cloud closure studies. Enhancements in Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) have demonstrated their potential as tools in atmospheric research to study the boundary layer dynamics, aerosols and clouds. However, as a relatively new tool for atmospheric research, RPA require instrumental development and validation to address current observational needs. A 5-hole probe is implemented on a remotely piloted aircraft (RPA) platform, with an inertial navigation system (INS) to obtain atmospheric wind vectors. The 5- hole probe is first calibrated in a wind tunnel (at Météo-France, Toulouse, France), and an error analysis is conducted on the vertical wind measurement. Atmospheric wind vectors obtained from RPA flights are compared with wind vectors determined from sonic anemometers located at different levels on a 60 m meteorological mast (Centre de Recherches Atmosphériques, Lannemezan, France). Good agreements between vertical wind velocity probability density functions are obtained. The power spectral density of the three wind components follow the -5/3 line for the established regime of turbulence (Kolmogorov law). Turbulent kinetic energy (TKE) values calculated from the RPA are somewhat higher than TKE compared to the sonic anemometer; however, the results agree with those reported in other experiments that compare RPA platforms and sonic anemometers (Lampert et al. (2016), Båserud et al. (2016)). As the RPA equipped with a 5-hole probe (defined as the ``wind-RPA'') is developed for aerosol-cloud observations, updraft velocities near cloud base are compared with cloud radar data during a BACCHUS field campaign (Mace Head Research Station, Ireland). Three case studies illustrate the similarity of in-cloud updrafts measured between the wind-RPA and the cloud radar. A good agreement between vertical velocities of both instruments over a range of different meteorological conditions is found. Updraft velocity measurements from the wind-RPA are implemented in the aerosol-cloud parcel model to conduct a closure study for stratocumulus case with convection sampled during a BACCHUS field campaign in Cyprus. Aerosol size distributions and CCN were measured at a ground-site, which served as input to the aerosol-cloud parcel model along with the updraft velocities at cloud base measured by the RPA. In addition, the RPA conducted a vertical profile through the cloud layer and measured the shortwave transmission of solar irradiance during the ascent. The aerosol-cloud parcel model also shows that entrainment has a greater impact on cloud optical properties than variability in updraft velocity and aerosol particle concentration. Results of the case study for the Cyprus field experiment are consistent with results for similar closure studies conducted during the Mace Head field campaign (Sanchez et al., 2017), and reinforce the significance of including entrainment processes in cloud models to reduce uncertainties in aerosol-cloud interactions.


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