GT3 – Nuages et précipitation par mesures in-situ et télédétection

Motivations

Pour caractériser le climat des moyennes latitudes et son évolution future, nous avons besoin de connaître les moyennes climatiques locales, leurs variabilités inter-annuelle, saisonnière, diurne, leurs tendances décennales à multi-décennales et leurs extrêmes, notamment fréquence et intensité. L’un des enjeux pour cela concerne les difficultés rencontrées pour la modélisation des processus pilotant le cycle de vie des nuages. Or, ces-derniers modulent significativement les échanges radiatifs (Bony et al., 2004), dynamiques (Neggers et al., 2007) et le cycle de l’hydrologie (Lin et al., 2000). Ils constituent, l’incertitude la plus importante dans la compréhension du climat et de son évolution (rapports du GIEC). Ces difficultés dans la modélisation de ces processus est liée au fait que la couche limite nuageuse est un système fortement couplé, dont l’évolution est le résultat d’interactions complexes à l’interface Terre/Atmosphère [Stevens, 2007] modulé par l’entraînement d’air troposphérique au-niveau de l’inversion [Zhu et Albrecht, 2003]. Une meilleure compréhension de l’ensemble des processus physiques pilotant les phases de formation, persistance et dissipation des nuages est par conséquent un enjeu clé pour améliorer la prévision du climat de demain. La caractérisation des propriétés statistiques des nuages permet également d’évaluer en continu leur représentation dans les modèles. Ainsi tout changement dans les paramétrisations peut être évalué très rapidement grâce à ces observations continues. Le GT3 peut alors être un acteur clé pour caractériser finement les propriétés macro et microphysiques des nuages. A noter que le GT3 pilote les actions du centre de calibration et d’expertise des profileurs radar à 95GHz, nommé le CCRES.

Instruments

o Radar nuage
La technique radar est basée sur la télédétection active. L’onde émise est une onde électromagnétique en bande W (fréquence de 95GHz, longueur d’onde de 3.2mm). Le radar nuage considéré ici est le radar BASTA et il permet d’accéder à la distribution verticale des nuages et la vitesse de sédimentation des hydrométéores. Il dispose de plusieurs modes de fonctionnement allant d’une résolution verticale de 12.5 m à 100 m. Le mode dédié au brouillard et aux précipitations est le 12.5 m, le mode 100 m est particulièrement adapté aux nuages élevés. Un mode intermédiaire de 25 m est disponible et est présenté dans les exemples ci-dessous. Le radar mesure l’énergie rétro-diffusée par les hydrométéores, cette énergie peut donc être reliée à la quantité d’eau contenue dans le nuage (liquide et glace). Plus la résolution en distance est faible et plus la sensibilité du radar sera bonne. La capacité Doppler du radar permet de mesurer la vitesse des hydrométéores le long de la ligne de visée. Il est également possible d’estimer la taille des gouttes d’eau ou des cristaux de glace.

o Radar précipitation
Le radar Doppler en bande X (9.4 GHz) à visée verticale ROXI (Rain Obervation with a X-band Instrument) repose sur des technologies fiables (émetteur solide à faible puissance), à bas coût et facilement transportable. L’intérêt de cette bande de fréquence (8-12 GHz) par rapport à celle utilisée par les micro-rain radars du commerce (24 GHz ou bande K) est qu’elle est très peu atténuée en visée verticale pour les fortes précipitations et permet néanmoins de sonder les petites particules du spectre précipitant (bruine) et de ce fait possède une zone d’étude commune avec la bande W (BASTA). Il a pour objectif de fournir une climatologie (sur de longues durées et à haute résolution spatiale et temporelle) des propriétés microphysiques (selon la verticale dans les phases liquides et solides) des systèmes précipitants. Les applications sont multiples et vont de la caractérisation des variabilités spatio-temporelles de ces propriétés, à la validation de modèles globaux, de mésoéchelle ou modèle 1D à microphysique élaborée en passant par l’amélioration des méthodes d’inversion de la mesure de pluie à partir de mesures radiométriques satellitaires. Ils concernent également l’étalonnage de radar à balayage volumique (réseau Météo France) ou l’évaluation de concepts instrumentaux et méthodologiques nouveaux reposant sur les mesures multi-fréquentielles et multi-instruments.

o Imageur de ciel total
L’imageur de ciel total est un système simple d’appareil photo numérique associé à un objectif fish-eye, tourné vers le zénith, pour réaliser une image visible du ciel entier. Le système est automatisé pour effectuer des images régulièrement, avec un intervalle de temps variable d’un site à l’autre, mais de l’ordre de 1 à 15 minutes. Tous les sites mentionnés ci-dessus sont équipés d’un tel système, commercialisé ou développé en laboratoire, permettant ainsi un accès qualitatif à l’état du ciel, de jour. Quantitativement, on peut restituer la couverture nuageuse au-dessus du site. En combinant cet instrument à d’autres instruments comme un ceilomètre et/ou des capteurs de rayonnements, on peut restituer davantage d’information sur les caractéristiques des nuages présents.

o Spectropluviomètre
Le spectropluviomètre ou disdromètre est un appareil destiné à la mesure de la granulométrie des gouttes de pluie. Il permet de restituer le diamètre et la vitesse de chute des gouttes qui traverse la zone de capture. Chaque goutte est horodatée, il est donc possible en post traitement de calculer diverses quantités telles que l’intensité de pluie ou la réflectivité radar pour des temps d’intégrations quelconques. En outre grâce à un traitement simple il permet d’identifier facilement le type d’hydrométéore (neige ou pluie).

o Contenu en eau nuageuse
La sonde Gerber PVM-100 est un spectrophotomètre laser à diffusion directe qui permet de quantifier le volume d’eau contenu dans les gouttelettes de nuages (LWC en anglais). Cette sonde permet également de calculer la surface des gouttelettes et donc de déterminer le rayon effectif des gouttelettes (Gerber, 1984, 1991). La lumière laser émise entre deux branches de la sonde à la longueur d’onde λ = 0,780 µm est dispersée par les gouttelettes de nuage traversant le volume d’échantillonnage de 3 cm-3. Cette lumière est collectée par un système de lentilles dont l’angle varie de 0,25 à 5,2 °. La lumière diffusée est convertie en un signal proportionnel à la densité de gouttelettes (LWC) et à la densité de surface des particules (PSA) (Gerber et al., 1994). Les variables mesurées sont donc la teneur en eau des nuages (g / m3), la surface totale des particules et le rayon effectif des gouttelettes (2-70 µm).

o Granulomètre nuage
La distribution en taille des gouttelettes de nuage peuvent être mesurées à l’aide de plusieurs modèles de granulomètres: le Forward Scattering Spectrometer Probe (FSSP), le Fog Monitors (FM) et le Cloud Droplet Probe (CDP).
Le FSSP compte et mesure chaque gouttelette individuellement à partir d’un flux d’air aspiré, en utilisant l’intensité de la lumière laser diffusée vers l’avant (entre les angles 4 ° et 12 °) (λ = 0,633 µm) et la théorie de Mie, pour calculer la taille des gouttelettes (Knollenberg, 1981). Le fonctionnement, la précision, les limitations et les corrections sont détaillés par Dye et Baumgardner (1984), Baumgardner et al. (1985) et Baumgardner et Spowart (1990). Pour les nuages de gouttelettes d’eau, la précision du diamètre effectif dérivé et de la teneur en eau liquide a été estimée à 2 µm et 30%, respectivement (Febvre et al., 2012). Selon Gayet et al. (1996), les erreurs de concentration en particules peuvent atteindre 20 à 30%.
Le FM-100 est un spectromètre à diffusion directe (λ = 0,658 µm) placée dans sa propre soufflerie à ventilation active (Eugster et al., 2006), fabriquée par Droplet Measurement Technologies, Inc., Boulder, États-Unis. , conçu pour être utilisé pendant les études au sol. Cet instrument mesure la distribution de la taille en nombre des particules de nuage (avec une résolution temporelle élevée de l’ordre de 1sec) dans la plage de taille comprise entre 2 et 50 µm. Des détails sur le fonctionnement de cet instrument sont fournis par Droplet Measurement Technologies (2011). D’après Spiegel et al. (2012), les incertitudes de concentration dues aux pertes de particules, c’est-à-dire aux pertes d’échantillonnage et aux pertes au sein du FM-100, peuvent atteindre 100%.
Le CDP (Cloud Droplet Probe) est un spectromètre optique à diffusion directe (λ = 0,658 µm), fabriqué par Droplet Measurement Technologies, Inc., Boulder, États-Unis. La lumière diffusée par une particule est collectée sur une plage d’angles allant de 4 à 12 ° dans la direction avant, puis répartie de manière égale entre le qualificateur et le calibreur, ce qui permet à l’instrument de compter et de dimensionner les gouttelettes de nuage. D’après Lance et al. (2010), un surdimensionnement de 60% et un sous-dénombrement de 50% peuvent se produire en raison de coïncidences.

Variables

o Constante de calibration des radars nuage à 95 GHz
o Réflectivité et vitesse Doppler des hydrométéores liquides et solides entre le sol et 15km d’altitude.
o Microphysique nuageuse (phase, contenu en eau, taille, concentration).
o Couverture et typologie nuageuse de jour.
o Distribution en taille des hydrométéores proches de la surface (pluie, grêle, neige, nuage).
o Taux précipitant, contenu en eau et facteur de réflectivité radar (au sol)
o Granulométrie de la pluie : histogramme taille/vitesse des gouttes de pluie, distribution des tailles de gouttes (DSD) ainsi quelques moments et paramètres associés (au sol).

QC-QA

o CCRES (ACTRIS Centre for Cloud REmote Sensing)

Filière de traitements

o ELIFAN (Estimation de L’Indice de FrAction Nuageuse)
Un traitement homogène et centralisé des images des caméras de ciel entier d’ACTRIS-FR est réalisé à AERIS-Icare. Pour chaque caméra, toutes les images sont disponibles, mais aussi des mosaïques d’images (24 images par jour) et des animations, afin d’avoir un aperçu rapide de l’état du ciel un jour donné.
En outre, un traitement de l’image est réalisé pour restituer la couverture nuageuse en %. L’algorithme utilisé est appelé ELIFAN (Estimation de L’Indice de FrAction Nuageuse). Il est basé sur le rapport rouge sur bleu de chaque pixel, et d’un système de seuillage pour déterminer sur le pixel est de ciel clair ou nuageux. Deux traitements sont possibles, avec un seuillage absolu, et un seuillage différentiel, qui s’appuie sur une librairie de ciel bleu prise comme référence. ELIFAN fait l’objet d’une licence CeCILL et d’un GIT-Lab, pour permettre l’évolution libre du code au sein d’un groupe de travail.
Actuellement, les données des imageurs de P2OA, SIRTA, CO-PDD (5 caméras) sont disponibles sur le portail AERIS, avec la couverture nuageuse estimée par ELIFAN. 3 nouvelles caméras sont en cours de prise en compte dans ce chantier de données.

Highlights

o CCRES : campagne / résultats

Responsable

Jean-Charles Dupont – jean-charles.dupont (a) ipsl.fr