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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.

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1 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) Mathieu Reverdy Principaux collaborateurs: Joël Van Baelen, LaMP, Clermont-Ferrand(1) Andrea Walpersdorf, LGIT, Grenoble(1) Vincent Noël, LMD, Palaiseau(2) Hélène Chepfer, LMD, Palaiseau(2)

2 Plan Tomographie GPS Cirrus subvisibles Introduction GPS
GPS atmosphérique Problème inverse Campagne COPS Cirrus subvisibles Cirrus Subvisibles, caractéristiques Répartition globale DJF, JJA Statistiques DJF, JJA Exemples de rétro-trajectoire

3 pourquoi étudier la vapeur d’eau ?
INTRODUCTION 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.

4 Systèmes existant pour étudier cette grandeur.
INTRODUCTION Systèmes existant pour étudier cette grandeur. Mesures in situ Mise en oeuvre Fréquence Résultats Radiosondages ++ toutes les 12 heures profil Radiomètres au sol +++ Continue. Problème avec les nuages. coupe Lidars ++++ Par beau temps profil + coupe + répartition 3D possible Système satellite Mise en oeuvre Fréquence Résultats Radiomètres ++ 2 fois par jour Couverture globale GPS + Tout temps 24h/24 Champ 2D répartition 3D si réseau GPS dense

5 ZTD: retard total au zénith. ZTD=ZHD+ZWD
GPS ATMOSPHERIQUE ZTD: retard total au zénith. ZTD=ZHD+ZWD Récapitulatif ZTD Retard total ZHD Retard hydrostatique ZWD Retard humide IWV Vapeur d’eau intégrée Hydrostatique Humide Très variable: Entre 5cm et 40 cm SIWV Vapeur d’eau intégrée oblique ~2m30=2m10+20cm 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 IWV Troposphère SIWV ZTD Troposphère IWV Troposphère ZTD et ZHD (m) ZWD (m)

6 Le problème inverse Minimiser au plus les écarts aux valeurs réelles.
PROBLEME INVERSE Le problème inverse Données → Modèle → Estimation des paramètres 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

7 Si données>inconnues : problème surdéterminé
PROBLEME INVERSE 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. Sous-système indéterminé surdéterminé Système global Système global sous-déterminé

8 PROBLEME INVERSE Solution du problème inverse via la formule suivante : méthode des moindres carrés pondérés amortis. 1 3 2 : 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.

9 paramètres atmosphériques: ZTD, ZHD, ZWD. IWV et SIWV.
PROBLEME INVERSE Récapitulatif ZTD Retard total 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. ZHD Retard hydrostatique ZWD Retard humide IWV Vapeur d’eau intégrée SIWV Vapeur d’eau intégrée oblique

10 Campagne COPS Campagne COPS Convective and Orographically-induced Precipitation Study. Campagne durant l’été 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.

11 Campagne COPS, 12/13 août 2007

12 Campagne COPS, 12/13 août 2007

13 pourquoi étudier les cirrus subvisibles ?
INTRODUCTION 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

14 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

15 Cirrus subvisible, caractéristiques
Deuxième étape : Filtrer les données pour ne conserver que les cirrus importants Collection de cirrus subvisibles de 100 km minimum (latitude).

16 Répartition Globale DJF, JJA
Décembre, janvier, février Juin, juillet, août Pour DJF 06/07 : 705 dans l’hémis. Nord 1187 dans l’hémis. Sud 1095 à l’Est 797 à l’Ouest Pour JJA 06 : 609 dans l’hémis. Nord 169 dans l’hémis. Sud 477 à l’Est 301 à l’Ouest 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.

17 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

18 Exemple rétro-trajectoire
Calcul sur 15 jours pour 2 cirrus en DJF et 1 en JJA Ils 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)


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