Études des variations décennales de la température de la moyenne atmosphère

par Robin Wing

Thèse de doctorat en Météorologie, océanographie, physique de l'environnement

Sous la direction de Alain Hauchecorne et de Philippe Keckhut.

Soutenue le 21-02-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (Guyancourt) (laboratoire) , Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (laboratoire) .

Le président du jury était Chantal Claud.

Le jury était composé de Alain Hauchecorne, Philippe Keckhut, Chantal Claud, Wolfgang Steinbrecht, Albert Hertzog.

Les rapporteurs étaient Nathalie Brun-Huret, Alexis Le Pichon.


  • Résumé

    L'atmosphère moyenne de la Terre est un laboratoire naturel pour les études de la dynamique géophysique des fluides et de l'optique pour la mesure des gaz. Les recherches dans cette région ont longtemps été limitées par le manque d'observations à long terme susceptibles de couvrir l'ensemble de la région, de la troposphère à la haute mésosphère et à la thermosphère inférieure. Les dernières décennies ont vu la construction de nombreux observatoires au sol et le lancement d'instruments par satellite dans le but de fournir les mesures nécessaires pour comprendre la chimie, la dynamique et les changements climatiques à long terme de l'atmosphère moyenne. La télédétection atmosphérique, tant au sol que dans l’espace, présente des avantages et des inconvénients évidents. Les premiers étant capables de fournir des mesures bien calibrées et à haute résolution sur un seul site et les derniers permettant une couverture globale au prix de la résolution et d'un certain degré de certitude lors de l'étalonnage. Pour ce travail, nous utilisons des mesures de température obtenues à l'aide d'une technique de télédétection au sol basée sur le lidar à diffusion de Rayleigh et nous effectuons des comparaisons systématiques avec les profils de température générés à l'aide de trois instruments de télédétection passif basés sur des satellites: Sondeur Micro-onde sur satellite Aura (MLS). Sondage de l'atmosphère par radiométrie des émissions à large bande (SABER) et surveillance mondiale de l'ozone par occultation d'étoiles (GOMOS).Ce manuscrit a trois résultats principaux: 1a) Résultats de plusieurs améliorations de l’algorithme de la température lidar, qui ont permis de corriger un bias froid sur les températures mésosphériques jusqu’à 20 K à 90 km. 1b) Meilleur accord entre les températures du lidar et les profils de température SABER et MLS entre 70 km et 90 km. 1c) Une validation croisée entre les températures d’un lidar de température de Rayleigh et d’un lidar d’ozone co-localisés, qui donne confiance en la stabilité de la technique du lidar et justifie l’utilisation de la température par lidar comme base de données de référence pour la validation par satellite. 2a) Présentation d’une comparaison décennale entre les températures lidar validées et les températures produites par SABER et MLS. 2b) Nous montrons un biais froid dans les mesures satellitaires par rapport au lidar (-6 K pour SABER et -17 K pour MLS) dans la région de stratopause, un biais chaud (6 K près de 60 km) dans la mésosphère d’été, et un biais structuré verticalement pour MLS (-4 à 4 K) qui couvre la moyenne atmosphère. 2c) Nous réduisons l'ampleur du biais en dècallant verticalement la hauteur de la stratopause satellite et constatons une amélioration de la comparaison de température lidar-satellite qui en résulte. Ce résultat a des implications importantes pour la notification des températures des satellites en fonction de la hauteur géopotentielle. 3a) La comparaison des profils de température lidar avec la nouvelle base de données de température GOMOS montre que les altitudes géométriques des satellites peuvent être mieux estimées par les techniques d'occultaion que par l'inférence des niveaux de pression à partir des données radiométriques 3b) de l'effet des marées sur les comparaisons de température entre lidar et satellite lorsque Le passage supérieur du satellite est décalé dans le temps par rapport à la mesure lidar et peut être de l'ordre de 2 à 4 K en fonction de la phase de l'heure solaire.

  • Titre traduit

    Study of the decadal variations in the temperature of the middle atmosphere


  • Résumé

    The Earth's middle atmosphere is a pristine natural laboratory for the study of geophysical fluid dynamics and optics in neutral gasses. Research in this region has long been limited by a lack of long-term observations which are capable of covering the entire region from the troposphere to the upper mesosphere and lower thermosphere. Past decades have seen the construction of many ground based observatories and launches of satellite based instruments in an effort to provide the measurements needed to understand the chemistry, dynamics, and long-term climactic changes in the middle atmosphere. Both ground-based and space-based atmospheric remote sensing have clear strengths as well as limitations; the former being able to provide high resolution, well calibrated measurements at a single site and the latter allowing for global coverage at the cost of resolution and some degree of certainty in calibration. For this work we are using temperature measurements produced from a Rayleigh-scatter lidar ground-based remote sensing technique and making systematic comparisons to temperature profiles produced from three passive scanning satellite-based remote sensing instruments: Microwave Limb Sounder on the Aura satellite (MLS), Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry (SABER), and Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS).This manuscript has three main results: 1a) Results of several improvements to the lidar temperature algorithm resulting in a cooling of the mesospheric temperatures by up to 20 K at 90 km. 1b) Better agreement between the cooled lidar temperatures and temperature profiles from SABER and MLS between 70 km and 90 km. 1c) A cross-validation between temperatures from a co-located Rayleigh temperature lidar and ozone lidar which provides confidence in the stability of the lidar technique and justification for the use of lidar temperatures as a reference database for satellite validation. 2a) Presentation of a decadal comparison between the validated lidar temperatures and the temperatures produced by SABER and MLS. 2b) We show a cold bias in the satellite measurements with respect to the lidar (-6 K for SABER and -17 K for MLS) in the stratopause region, a warm bias (6 K near 60 km) in the summer mesosphere, and a vertically structured bias for MLS (-4 to 4 K) which spans the middle atmosphere. 2c) We reduce the magnitude of the bias by vertically shifting the height of the satellite stratopause and see an improvement in the resulting lidar-satellite temperature comparison. This result has important implications for the reporting of satellite temperatures as a function of geopotential height. 3a) Comparison of lidar temperature profiles with the newly created GOMOS temperature data base shows that satellite geometric altitudes can be better estimated by occultaion techniques than by inference of pressure levels from radiometric data 3b) The effect of tides on lidar to satellite temperature comparisons when the satellite overpass is temporally offset from the lidar measurement can be on the order of 2 to 4 K depending on the phase of the solar hour.


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