Lidar Raman météorologique dédié à l’étude des cycles couplés des aérosols et de la vapeur d’eau

Meteorological Raman Lidar dedicated to the study of aerosols and water vapor coupled cycles

• Auteur / Autrice : Alexandre Baron
• Direction : Patrick Chazette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Météorologie, océanographie, physique de l'environnement
• Date : Soutenance le 27/11/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Ciarletti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Calpini, Alfons Schwarzenböeck, Alain Dabas, Alexandros Papayannis, Julien Totems
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Calpini, Alfons Schwarzenböeck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atmosphère -- Sondages laser

Humidité de l'air

Température atmosphérique

Aérosols atmosphériques

Spectroscopie Raman

Lidar

Mots clés libres

Lidar Raman

Aérosols

Cycle de l'eau

Température

Humidité relative

Hygroscopicité

Raman ldiar

Aerools

Water cycle

Temperature

Relative humidity

Hygroscopicity

Résumé

Les cycles couplés des aérosols, de la vapeur d’eau et des nuages sont à l’heure actuelle un domaine de recherche dynamique au cœur d’enjeux climatiques et météorologiques. Une meilleure compréhension des interactions entre ces différents cycles atmosphériques doit permettre de mieux appréhender les processus conduisant à des évènements météorologiques extrêmes et également de diminuer les incertitudes des projections climatiques, en grande partie liées aux interactions aérosols – nuages. Contribuant à ces efforts, les travaux présentés dans cette thèse sont fondés sur l'analyse d'observations expérimentales de terrain autour d’un instrument de télédétection émergent. Il s’agit d’un lidar Raman météorologique transportable capable de mesurer simultanément la température thermodynamique, le contenu en vapeur d'eau et les propriétés optiques des aérosols, dans la colonne atmosphérique. Cet instrument, développé au LSCE et nommé WALI, permet des observations continues dans la basse et moyenne troposphère avec une précision et des résolutions verticale et temporelle en adéquation avec les objectifs de ruptures énoncés par l’OMM. En premier lieu, le bilan de liaison de la chaîne d’acquisition de la température basée sur la spectroscopie Raman rotationnelle, nouvellement implémentée sur le lidar, a été obtenu à l’aide d’une modélisation directe – inverse. Les premières mesures de température par lidar, conduites durant une période très contrastée en température marquée par l’occurrence d’une vague de froid, ont permis une comparaison avec les sorties de modèles de prévisions météorologiques à méso-échelle (AROME/Météo-France) et globale (ERA5/ECMWF) et l'instrument IASI embarqué sur les satellites de la série METOP. Lors d’une configuration météorologique hivernale analogue ayant induit des épisodes de pollution majeurs en Île-de-France, un suivi des propriétés optiques des aérosols a été effectué. Enfin, une campagne de mesure multi-instruments incluant un volet aéroporté a été conduite aux abords du lac d’Annecy, avec une stratégie originale couplant la télédétection et l'observation in situ. Elle a permis une analyse préliminaire du cycle de l'eau dans un environnement montagneux complexe, incluant les liens entre la vapeur d'eau atmosphérique, les nuages, les aérosols et le lac. Le lidar Raman météorologique s’avère être un outil idoine pour étudier ces processus.

The coupled cycles of aerosols, water vapor and clouds are currently a dynamic field of research at the heart of climate and weather challenges. A better understanding of the interactions between these atmospheric cycles should allow to perceive the processes leading to extreme weather events and to reduce the uncertainties of climate projections, largely related to aerosol-cloud interactions. In line with these efforts, the work presented in this thesis are based on the analysis of experimental field observations, around a new tool for remote sensing. It is a transportable meteorological Raman lidar capable of simultaneous measurements of the thermodynamic temperature, water vapor content and optical properties of aerosols in the atmosphere. This instrument, developed at LSCE and called WALI, allows continuous observations in the lower and middle troposphere with a precision, and vertical and temporal resolutions in line with the breakthrough requirements set by the WMO. Firstly, the link budget of the temperature acquisition channel based on rotational Raman spectroscopy, newly implemented on the lidar, has been obtained using direct - inverse modeling. The first temperature measurements by lidar, carried out during a very contrasted period in terms of temperature marked by the occurrence of a cold spell, allowed a comparison with the outputs of mesoscale (AROME/Météo-France) and global (ERA5/ECMWF) weather prediction models and the IASI instrument onboard the METOP series satellites. During a similar winter meteorological configuration that induced major pollution events in Île-de-France, the optical properties of aerosols were monitored. Finally, a multi-instrument measurement campaign, involving aircrafts, was carried out on the shores of the Annecy lake, with an original strategy coupling remote sensing and in situ observations. They allowed preliminary analyses of the water cycle in a complex mountainous environment, including the links between atmospheric water vapor, clouds, aerosols and the lake. A meteorological Raman Lidar turns out to be a suitable tool to study these processes.