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Tomographie GPS: analyse de la variabilité spatio-temporelle de la vapeur d’eau(1)

&Etude des processus responsables de la

formation de cirrus subvisibles dans l’UTLS tropicale(2)

Principaux collaborateurs:

Joël Van Baelen, LaMP, Clermont-Ferrand(1)

Andrea Walpersdorf, LGIT, Grenoble(1)

Mathieu Reverdy

Vincent Noël, LMD, Palaiseau(2)

Hélène Chepfer, LMD, Palaiseau(2)

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Plan

Tomographie GPS

Introduction GPSGPS atmosphériqueProblème inverseCampagne COPS

Cirrus subvisibles

Cirrus Subvisibles, caractéristiquesRépartition globale DJF, JJAStatistiques DJF, JJAExemples de rétro-trajectoire

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pourquoi étudier la vapeur d’eau ?

• Problématique des pluies intenses dans les Cévennes.• Elle joue un rôle important dans la plupart des processus

météorologiques:

– Formation et entretien de la convection.– Déclenchement des précipitations.

• Grande variabilité tant spatiale que temporelle.

• Paramètre physique difficile à étudier.

INTRODUCTION

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Systèmes existant pour étudier cette grandeur.

Mesures in situ Mise en oeuvre Fréquence Résultats

Radiosondages ++ toutes les 12 heures

profil

GPS + Tout temps

24h/24

Champ 2D

répartition 3D si réseau GPS dense

Radiomètres au sol

+++ Continue. Problème avec les nuages.

coupe

INTRODUCTION

Lidars ++++ Par beau temps

profil + coupe + répartition 3D possible

Système satellite Mise en oeuvre Fréquence Résultats

Radiomètres ++ 2 fois par jour Couverture globale

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• ZTD: retard total au zénith.

• ZTD=ZHD+ZWD

GPS ATMOSPHERIQUE

• Conversion du ZWD en IWV

• Projection sur la ligne de vue des satellites pour obtenir les SIWV

• Les SIWV vont être inversés dans le cadre de la tomographie

Hydrostatique

~2m30=2m10+20cm

HumideTrès variable:Entre 5cm et 40 cm

ZTD Retard total

ZHD Retard hydrostatique

ZWD Retard humide

IWV Vapeur d’eau intégrée

SIWV Vapeur d’eau intégrée oblique

Récapitulatif

Troposphère

Troposphère

Troposphère

ZTD et ZHD (m) ZWD (m)

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Le problème inverse

• Minimiser au plus les écarts aux valeurs réelles.

• De manière générale :– N mesures d’un paramètre (données d).– M mesures à estimer (inconnues m).

• Postulat : il existe un lien entre les inconnues et les données appelé modèle et noté G.

• Forme la plus simple d = G * m

PROBLEME INVERSE

• Données→ Modèle → Estimation des paramètres

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• Si données>inconnues : problème surdéterminé • Si données=inconnues : problème déterminé• Si données<inconnues : problème :

– Partiellement déterminé.

Ou

– Sous-déterminé.

• Tomographie GPS correspond au cas données<inconnues sous-déterminé.

PROBLEME INVERSE

Sous-systèmeindéterminé

Sous-systèmesurdéterminé

Système global

Système global sous-déterminé

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• Solution du problème inverse via la formule suivante : méthode des moindres carrés pondérés amortis.

0

112110 mGdWGWGGWmm e

tm

tm

PROBLEME INVERSE

: facteur de pondération.

m : solution recherchée.m0 : valeurs initiales.Wm et We : matrice de pondération.G : modèle → matrice de répartition des données.d : données → SIWV contenu en vapeur d’eau intégrée oblique.

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• Collecte ou calcul des paramètres atmosphériques:– ZTD, ZHD, ZWD. – IWV et SIWV.

• Définition d’un volume au-dessus du réseau GPS découpé en éléments de volume : les voxels.

• Répartition des SIWV (données) dans chaque voxel pour former le modèle G.

• Estimation des matrices de pondération et autres paramètres relatifs à l’équation du système inverse.

PROBLEME INVERSE

ZTD Retard total

ZHD Retard hydrostatique

ZWD Retard humide

IWV Vapeur d’eau intégrée

SIWV Vapeur d’eau intégrée oblique

Récapitulatif

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Campagne COPS• Convective and Orographically-induced Precipitation Study.• Campagne durant l’été 2007. Déploiement de divers instruments (radar, GPS, etc…) pour étudier des phénomènes

météorologiques. • Réseau GPS d’environ 50 stations avec un espacement d’environ 50 km.• Localisation intéressante pour connaître l’évolution de la vapeur d’eau dans la vallée du Rhin et pour comprendre les

mécanismes liés aux reliefs.

Campagne COPS

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Campagne COPS, 12/13 août 2007

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Campagne COPS, 12/13 août 2007

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pourquoi étudier les cirrus subvisibles ?

• Quantité significative de nuages de glace ultrafins (subvisible) dans la tropopause tropicale.

• Conditions nécessaire à leurs formations sont mal comprises.

– Observation par lidar CALIOP– Rétro-trajectoires– Couplage avec des modèles– …

INTRODUCTION

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Cirrus subvisible, caractéristiques

Première étape : trouver les cirrus subvisibles à partir des observations CALIOP (4 années dispo 06=>09)

Filtrage des données par caractéristique :Latitude comprise entre -30° et 30°Attenuated total backscatter (atb) inférieur à 1.2x10-3

(=>Epaisseur optique < ~0.03)

Vérification des cirrus trouvés en utilisant la température et l’altitude

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Cirrus subvisible, caractéristiques

Deuxième étape : Filtrer les données pour ne conserver que les cirrus importants

Collection de cirrus subvisibles de 100 km minimum (latitude).

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Répartition Globale DJF, JJA

Décembre, janvier, février Juin, juillet, août

Pour DJF 2006/2007, environ 1900 cirrus subvisibles de plus de 100 km ont été répertoriés.

Majoritairement situés en Amérique Centrale, Afrique, ceinture Asiatique et sur le Pacifique.

Pour JJA 2006, environ 800 cirrus subvisibles de plus de 100 km ont été répertoriés.

Pas de zones clairement définies. (A confirmer en Afrique et sur le Pacifique.

Pour DJF 06/07 :705 dans l’hémis. Nord1187 dans l’hémis. Sud

1095 à l’Est797 à l’Ouest

Pour JJA 06 :609 dans l’hémis. Nord169 dans l’hémis. Sud

477 à l’Est301 à l’Ouest

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Statistiques DJF, JJA

Décembre, janvier, février Juin, juillet, août

Température des cirrus plus froid en DJF:-75°C, -80°C en DJF contre -65°C, -70°C en JJA

Epaisseur optique plus faible en DJF:0.2 à 0.3 (x10-3) en DJF contre 0.3 à 0.4 (x10-3) en JJA

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Exemple rétro-trajectoire

Calcul sur 15 jours pour 2 cirrus en DJF et 1 en JJAIls semblent rester dans la ceinture tropicale (+/- 30°)

Rétro-trajectoires : Traversent des systèmes convectifs ?Proviennent de l’Himalaya ?Restent dans la ceinture tropicale => NAT (Nitric acid trihydrate)