Dissertationen zum Thema „Vapeur d'eau – Mesure“

Ce travail presente l'etude theorique et la realisation du lidar aeroporte leandre ii pour la mesure de la vapeur d'eau a haute resolution spatiale et temporelle. Les objectifs de mesure concernent l'etude a meso-echelle de la distribution de la vapeur d'eau dans la basse troposphere. La realisation du systeme doit optimiser la mesure en prenant en compte la variabilite de la vapeur d'eau et les sources d'erreur liees aux systemes d'emission (laser) et de detection. L'etude detaillee du principe de la mesure lidar par absorption differentielle (dial) et des proprietes spectroscopiques des raies d'absorption et l'analyse des erreurs systematiques et statistiques sont developpees pour determiner les contraintes instrumentales. Quatre raies d'absorption sont selectionnees pour effectuer les mesures dans le domaine spectral de 730 nm impose par le choix du laser alexandrite. Une modelisation numerique de la mesure incluant les parametres atmospheriques et spectroscopiques ainsi que l'erreur statistique liee au bruit de detection est ensuite effectuee pour evaluer la precision de la mesure selon differentes configurations. Une fois les contraintes du systeme de mesure definies, la realisation du laser alexandrite bi-impulsion bi-longueur d'onde tenant compte des contraintes inherentes a l'utilisation aeroportee est presentee. Les caracteristiques spatiales et spectrales obtenues sont comparees aux valeurs requises. Des mesures en cuve d'absorption multi-passages permettent de verifier que les raies retenues sont bien isolees et que les caracteristiques du laser n'introduisent pas de biais sur la mesure. Les performances du lidar complet sont ensuite analysees en prenant en compte les limitations des detecteurs et du systeme d'analyse reels. Apres integration complete de l'instrument aeroporte, une campagne de validation a ete effectuee. Les mesures lidar sont en tres bon accord avec les mesures in-situ. L'analyse des resultats demontre que l'ensemble des performances obtenues repond aux objectifs scientifiques

Les observations des isotopologues stables de l'eau dans l'atmosphère fournissent des informations précieuses sur l'histoire de la condensation et de l'évaporation de la vapeur d'eau. La fourniture de telles données avec haute résolution verticale dans la basse troposphère (0-3 km) contribue à améliorer notre compréhension des processus de base tels que la formation de nuages, la convection humide et le mélange, et offre la possibilité d'augmenter la précision des prévisions faites par les modèles de circulation générale de l'atmosphère. Malgré les progrès de la télédétection depuis le sol et depuis l'espace, les produits d'inversion à partir de capteurs passifs sont sujettes à des biais et manquent de la résolution verticale requise pour les études du cycle de l'eau dans la basse troposphère. L'objectif de cette thèse est d'étudier une approche de télédétection active basée sur la méthode DIAL (differential absorption lidar) pour mesurer à la fois l'isotopologue principal de la vapeur d'eau H2(16)O et l'isotopologue semi-lourd de l'eau HD(16)O avec une résolution verticale et temporelle élevée (100-200 m, 10 min). Les performances attendues d'un tel instrument en termes d'erreurs aléatoires et systématiques ont été analysées en premier lieu à l'aide de simulations prenant en compte les paramètres instrumentaux et atmosphériques. L'analyse théorique a montré que la plage spectrale autour de 1,98 μm est appropriée pour la mesure DIAL de H2(16)O et HD(16)O et que ces mesures nécessitent un laser accordable dans cette plage de longueurs d'onde avec des énergies d'impulsion de dizaines de mJ. Pour répondre à cette exigence, une source laser paramétrique basée sur un oscillateur paramétrique optique à cavités imbriquées et un étage d'amplification paramétrique optique utilisant des cristaux de phosphate de titanyl de potassium périodiquement polarisés (PPKTP) de haute ouverture (5×7 mm^2) a été mise en place. Cette source émit une radiation monofréquence largement accordable (1,95-2,30 μm) avec des énergies allant jusqu'à 9 mJ pour des impulsions de 12 ns à une fréquence de répétition de 150 Hz. En utilisant la source laser développée, des mesures DIAL de H2(16)O et HD(16)O dans la couche limite atmosphérique ont été réalisées en mode de détection directe dans le cadre de plusieurs campagnes de mesure. Il a été montré qu'avec la configuration de lidar développée, les mesures des isotopologues avec une précision significative sont limitées aux premières centaines de mètres au-dessus du sol. Pour réaliser des mesures avec des résolutions et précisions adaptées aux études du cycle de l'eau dans toute la couche limite, des améliorations instrumentales supplémentaires en termes d'énergie laser et de réduction du bruit de détection sont nécessaires. Dans ce but, une étape supplémentaire est proposée pour la conception et la préparation d'une architecture lidar capable d'atteindre une sensibilité plus élevée grâce à un schéma d'amplification à double étage optimisé, ce qui devrait permettre d'atteindre des énergies de sortie supérieures à 40 mJ
Observations of stable water isotopologues in the atmosphere provide valuable insights into the condensation and evaporation history of water vapor. The provision of such data with sufficient vertical resolution in the lower troposphere (0–3 km) helps to improve our understanding of basic processes like cloud formation, moist convection and mixing, and offers the potential to increase the accuracy in the predictions made by atmospheric general circulation models. Despite the progress in remote sensing from the ground and from space, retrievals from passive sensors are prone to biases and lack the vertical resolution required for water cycle studies in the lower troposphere. The aim of this thesis is to investigate an active remote sensing approach based on the differential absorption lidar (DIAL) method to measure both the water vapor main isotopologue H2(16)O and the semiheavy water isotopologue HD(16)O with high vertical and temporal resolution (100–200 m, 10 min). The expected performance of such an instrument in terms of random and systematic errors was first analyzed using simulations accounting for instrumental and atmospheric parameters. The theoretical analysis showed that the spectral range around 1.98 μm is suitable for DIAL profiling of H2(16)O and HD(16)O and that range-resolved measurements require a tunable laser in that wavelength range with pulse energies of tens of mJ. To fulfill this requirement, a parametric laser source based on a nested-cavity optical parametric oscillator and an optical parametric amplification stage using state-of-the-art high-aperture (5×7 mm^2) periodically poled potassium titanyl phosphate (PPKTP) crystals was implemented. It delivers widely tunable (1.95–2.30 μm) single-frequency radiation with energies up to 9 mJ for 12 ns pulses at a repetition rate of 150 Hz. Using the developed laser source, DIAL measurements of H2(16)O and HD(16)O in the atmospheric boundary layer were conducted in direct-detection mode in the frame of several measurement campaigns. It was shown that with the developed lidar setup, isotopologue measurements with meaningful precision are limited to the first few hundred meters above the ground. To achieve measurements with range resolution and precision suitable for water cycle studies within the entire boundary layer, further instrumental improvements in terms of laser energy and reduced detection noise are necessary. For this purpose, a further step is proposed for the design and pre-development of a lidar setup capable of achieving a higher sensitivity thanks to an optimized double-stage amplification scheme for the laser transmitter that should allow to reach output energies >40 mJ

Cette thèse a pour but de démontrer qu'un capteur inter-digité à conductivité de surface peut permettre la mesure en absolu de la teneur en vapeur d'eau d'un boîtier hermétique de composant électronique. On trouvera tout d'abord, outre certains rappels et une rapide présentation des autres méthodes de mesure, la description détaillée du nouveau banc de test que nous avons mis au point (qui permet de travailler, soit sous vide, pour effectuer des mesures sur des positifs hermétiquement encapsulés, soit en atmosphère humide contrôlée, pour les études physiques et les calibrations sur boîtiers ouverts), puis de son automatisation. Ensuite, sera proposée une interprétation de la courbe de réponse d'un tel capteur (polarisé en continu) , qui correspond à l'évolution de son courant de fuite interélectrodes en fonction de la température lors du refroidissement du boîtier. Cette interprétation est basée sur l'étude des phénomènes d'adsorption, de changements de phase, d'électrolyse, et des réactions électrochimiques. La clarification de la position sur cette courbe de la température de rosée/gel permet la détermination directe de la teneur en eau. En vue de l'optimisation future du capteur, des essais spécifiques permettent alors de proposer des hypothèses sur certains phénomènes physiques pouvant influer sur sa précision ou sur sa durée de vie. Enfin, on y trouvera une approche de la limite de sensibilité d'un tel capteur, basée sur l'étude des changements de phase des molécules d'eau physisorbées dans les micro-porosités de l'oxyde

La théorie de Lorenz-Mie généralisée (TLMG) est développée pour la description de la diffusion d’un faisceau incident quelconque par un sphéroïde homogène. Les expressions analytiques d’amplitude des champs diffusés, des sections efficaces de diffusion, d’absorption, et d’extinction, de pression, de radiation sont obtenues et des calculs numériques sont présentés. Pour enlever la contrainte de la TLMG dans les calculs numériques pour un sphéroïde de grande taille, l’optique géométrique classique est étendue au cas d’un faisceau gaussien diffusé par un sphéroïde. En ce qui concerne l’expérience, un système optique sur la base de l’extinction spectrale de la lumière est développé et appliqué à la mesure de vapeur humide dans une turbine à EDF. L’influence de la diffusion multiple sur le spectre d’extinction et celle de la diffusion des particules situées dans le bord de zone de la mesure sont analysées en utilisant le modèle de Monte Carlo
The generalized Lorenz-Mie (GLMT) is developed to describe the interaction between an arbitrary shaped beam and a homogeneous spheroid. Analytical expressions of the amplitudes of the scattering fields, absorption and extinction crosssections, and the radiation pressure are obtained. The numerical results are also presented. To overcome the drawback of the GLMT in numerical calculation for a large spheroid, the classical geometrical optics is extended to the case of Gaussian beam scattering by a spheroid. In experimental aspect, an optical system on the basis of the spectral light extinction method is developed and used for wet steam measurement in EDF. The influences of the scattering by the particles in the edge measurement zone and of the multiple scattering on the extinction spectrum are analyzed by using the Monte Carlo method

La vapeur d'eau atmosphérique est un élément important du cycle hydrologique. Ce gaz à effet de serre a des effets dominants sur le climat et sur le réchauffement climatique. Sa distribution est très variable à l'échelle mondiale et temporelle et ses mécanismes de répartition peu connue. Cette thèse porte d'une part sur l'étude de la colonne totale de vapeur d'eau au dessus de l'Observatoire de Haute Provence (OHP), mesurée avec les instruments SAOZ et Elodie depuis le sol, et avec les instruments embarqués sur satellite, GOME, GOME2 et SCHIAMACHY, et d'autre part sur la région côtière de la Méditerranée grâce aux données des mêmes satellites. L'analyse de ces données disponibles de 1995 à 2009 a permis leur validation, l'interprétation des champs de variabilités de la vapeur d'eau intégrant les mécanismes de distribution géographiques à l'échelle de l'OHP, ainsi que de leurs variations saisonnières et de leurs tendances à long terme au dessus de l'OHP et de la Méditerranée
The atmospheric water vapor is an important component of the hydrologic cycle. As greenhouse gas it has dominant effects on climate and global warming. Its distribution is highly variable at global and temporal scales and its mechanisms still poorly understood. This thesis deals with one hand on the study of total column water vapor over the Observatoire de Haute Provence (OHP) in Southern France, measured with instruments SAOZ and Elodie from the ground, and with instruments on satellites, GOME, and GOME2 SCHIAMACHY, and the other hand on the Mediterranean coastal region using data from the same satellites. Analysis of these data available from 1995 to 2009 allowed their validation and interpretation of field variability of water vapor incorporating the mechanisms of geographical distribution across the OHP, and their seasonal variations and their long-term trends over the OHP and the Mediterranean

Le suivi des processus industriels, le controle des teneurs en gaz a caractere polluant dans l'atmosphere et l'etude des reactions chimiques requierent des instruments capables de detecter de tres faibles teneurs. La spectrometrie d'absorption infrarouge a diode laser apporte une solution a ce probleme en permettant des sensibilites importantes et des temps de reponse de l'ordre de la minute. Ce memoire presente l'etude et la realisation d'un tel spectrometre pour la detection de faibles teneurs en vapeur d'eau. Celui-ci se caracterise par une source laser a semiconducteur du type ingaasp ayant une longueur d'onde d'emission egale a 1,37 micrometre, par l'utilisation d'une cellule multipassage du type herriot ayant une longueur totale de passage d'une vingtaine de metres, enfin par un faible encombrement. Le signal d'absorption est obtenu par un balayage rapide en longueur d'onde, realise en modulant le courant de diode. Une double voie, mesure et reference, permet de s'affranchir de la vapeur d'eau residuelle dans la tete de detection. Le faible signal d'absorption est converti apres amplification en un signal numerique puis moyenne sur plusieurs passages dans le but d'ameliorer le rapport signal sur bruit. Le mode principal de la diode est centre sur la bande d'absorption situee a 1,4 micrometre correspondant a une transition vibrationnelle harmonique. Avec un tel dispositif nous avons montre qu'il etait possible de detecter des concentrations de vapeur d'eau de l'ordre de 100 ppb, avec un signal sur bruit de 10. La sensibilite est essentiellement limitee par des interferences parasites et par l'utilisation d'une diode multimodes. L'emploi d'une source laser monomode (diode dfr ou diode a cavite externe) devrait permettre la mesure de teneur en h#2o inferieures a 10 ppb. Cette technique peut etre etendue a la detection de petites molecules possedant des liaisons x-h (x=c, n, o. . . )

L'amelioration des previsions meteorologiques necessite une connaissance precise des profils de vent et des contenus de vapeur d'eau dans l'atmosphere. A cette fin, plusieurs projets de lidars embarques sur satellites sont a l'etude dans les differentes agences spatiales. Ce travail est consacre au dimensionnement de la source laser d'un lidar coherent emettant a 2 m. Cette source permettra la mesure simultanee de vapeur d'eau et de vent dans la basse troposphere, depuis l'espace. Une pre-etude de faisabilite definit les contraintes energetiques du laser (2 a 5 joules), ainsi que les principales caracteristiques temporelles et spectrales de l'emission. Compte-tenu des contraintes de spatialisation qui imposent le choix d'une technologie tout solide, deux materiaux - le tm:ho:yag et le tm:ho:ylf - adaptes au pompage par diodes, ont ete pre-selectionnes. Nous avons developpe un modele numerique decrivant le fonctionnement des sources laser utilisant ces materiaux, en nous appuyant sur les resultats d'un ensemble d'experiences de caracterisation effectuees en laboratoire. Ce modele a ensuite ete exploite pour concevoir et dimensionner une source laser capable d'emettre l'energie requise. Les meilleurs resultats sont obtenus avec le tm:ho:ylf et une emission a deux impulsions laser par impulsion de pompage. Differentes options sont proposees, qui mettent en uvre un oscillateur et une chaine de 3 amplificateurs pour le niveau 2 joules et 4 amplificateurs pour le niveau 5 joules. Le rendement energetique global approche les 5%. Nous avons, par ailleurs, effectue une premiere etape dans la maitrise des caracteristiques spatiales et spectrales en realisant un oscillateur monomode de faible energie (10 mj) adapte a la mesure du vent par lidar doppler.

Réservé lors de sa mise en service aux applications militaires, le système GPS (Global Positioning System) est désormais utilisé par la communauté scientifique civile pour des applications de positionnement de précision; dans un souci d'amélioration de la précision du positionnement vertical par GPS, une action de recherche est menée conjointement depuis 1999 entre l'Institut Géographique National (IGN) et le Service d'Aéronomie (SA) du CNRS. Cette amélioration concerne la précision de la détermination du délai troposphérique (principalement dû à la présence de vapeur d'eau dont la distribution spatiale est très variable) qui limite actuellement la précision de la restitution de la composante verticale par GPS. Cette thèse porte donc sur l'étude d'une méthode de correction des mesures GPS de la propagation troposphérique et la validation du concept proposé à partir de mesures atmosphériques et de simulations numériques.

Dans un premier temps, le système GPS est présenté dans son utilisation géodésique classique; un bilan d'erreur est donné, en insistant particulièrement sur la modélisation du délai troposphérique qui intervient dans les observations GPS. L'erreur de positionnement induite par des hétérogénéités atmosphériques est estimée par simulation simplifiée de la chaîne de traitement GPS d'une ligne de base en double différence. Il en ressort qu'une correction externe des mesures GPS est nécessaire, et que les méthodes de traitement GPS actuelles (correction a priori et estimation de paramètres troposphériques) ne sont pas adaptées à des situations présentant de fortes hétérogénéités dans la distribution de vapeur d'eau atmosphérique.

Dans un second temps, l'étude se focalise sur le mode de la correction des mesures GPS à utiliser. Après une rapide revue des différentes techniques de sondage de la vapeur d'eau troposphérique, les précisions des délais troposphériques humides obtenus à partir d'une mesure résolue en distance sont comparées, par simulation, à celles obtenues à partir d'une mesure intégrée; de ces simulations, il est conclu qu'une mesure résolue (rapport de mélange ou concentration absolue), fournie par un lidar Raman à balayage, permet d'obtenir la précision sub-millimétrique visée sur le délai troposphérique humide.

Le développement instrumental d'un lidar Raman vapeur d'eau à balayage est ensuite abordé. Le principe de la mesure de vapeur d'eau par lidar Raman est présenté, et compte-tenu des configurations instrumentales existantes, des contraintes d'encombrement imposées par la mobilité du système et des performances obtenues par un simulateur développé pour l'occasion, les caractéristiques d'un nouveau système lidar Raman sont présentées. Les premiers résultats expérimentaux obtenus en visée zénithale lors de la campagne ESCOMPTE en 2001 et d'une campagne de mesure à Toulouse au CNRM en 2002 sont présentés, validant ainsi le simulateur instrumental du lidar Raman développé pour le sondage de la vapeur d'eau atmosphérique.

Dans une dernière partie, le bénéfice d'une correction externe des mesures GPS par lidar Raman à balayage est démontré par la simulation numérique. Les observations GPS et les corrections lidar correspondantes sont calculées à partir d'une simulation de l'évolution de la distribution spatiale de la vapeur d'eau effectuée à méso-échelle par le modèle MM5. La simulation concerne une journée d'étude de la campagne IHOP (International H2O Project) pour un cas où la couche limite est très hétérogène. La stratégie d'observation est discutée en fonction de l'erreur obtenue. Il est montré que les erreurs de positionnement sub-millimétriques (environ 10 fois plus faibles que celles obtenues lors d'un traitement GPS classique) peuvent être obtenues sur une période de 24 heures, avec un balayage séquentiel et homogène de la constellation de satellites GPS (5 minutes d'observation par satellite pour des élévations supérieures à 5°).

La zone Cévennes-Vivarais et son extension jusque la Méditerranée a été choisie par l'OHM-CV (Observatoire Hydrométéorologique-Méditerranéen des Cévennes-Vivarais) pour la fréquence et la représentativité des événements de pluies intenses qu'elle subit. Depuis 2002, des campagnes automnales de mesures GPS y sont menées dans le but d'améliorer notre connaissance du champ de vapeur d'eau troposphérique associé aux événements de pluie intense. Les observations GPS météorologiques sont les ZTD (délais troposphériques au zénith) et les gradients de délais. Exprimé par une composante Est-Ouest (Gew) et une composante Nord-Sud (Gns), le gradient de délai traduit l'anisotropie du champ de vapeur d'eau à proximité du site GPS.Pour le traitement des observations GPS des réseaux permanents et temporaires de la région de l'OHM-CV, une configuration optimale a été recherchée à partir de différents tests de sensibilité. Une précision de 5 mm sur les ZTD peut être obtenue avec cette stratégie d'analyse pour le réseau régional GPS de la région de l'OHM-CV ; Gew est précis à 6 mm près, alors que Gns apparaît moins précis (à 12 mm près) du fait de l'absence de satellite survolant le pôle Nord.Afin de préparer l'assimilation des observations GPS par les systèmes d'assimilation de données à méso-échelle de Météo-France (modèle de Météo-France AROME), des simulateurs d'observations GPS (ZTD, STD et gradients) ont été implémentés dans le modèle non-hydrostatique à haute résolution Méso-NH. Le laboratoire numérique que constitue le modèle Méso-NH a été un moyen efficace de quantifier la sensibilité des simulations de délais à différentes formulations de la réfractivité atmosphérique.

La détection des systèmes précipitants convectifs dangereux est une question de première importance pour la sécurité aérienne. Dans ce travail de thèse, nous développons des applications pour le domaine de la sécurité aérienne, en utilisant l’instrumentation micro-ondes active (radars) et passive (radiomètres) pour la détection des systèmes précipitants, et plus particulièrement les zones grêlifères, ainsi que pour la météorologie, c’est-à-dire la climatologie de la vapeur d’eau et de la réfraction anormale de la mesure radar au sol. Dans une première partie nous recherchons les configurations radars les plus adaptées pour l’observation des systèmes précipitants intenses, notamment la fréquence et la résolution angulaire, tout en imposant les contraintes de taille et poids des antennes à destination de l’aviation commerciale. Ensuite nous étudions les résultats de la technique bilongueur d'onde, inédite pour les radars aéroportés. Cette partie vise à améliorer la qualité des observations des radars aéroportés pour l’aviation civile.Dans une seconde partie, nous étudions la climatologie du cycle journalier, et de ses variations saisonnières, de la vapeur d'eau en Afrique de l'Ouest. La vapeur d'eau étant l'un des gaz atmosphériques les plus importants (effet de serre, source de rayonnement, cycle hydrologique, etc.) il est nécessaire de connaître en détail sa distribution
The detection of dangerous convective precipitating system is crucial for the civil aviation safety. In this work, we develop applications for the aviation safety by using active (radar) and passive (radiometer) microwave instrumentation in order to detect precipitating systems, notably hail area. We also develop applications for the meteorology, i.e. a climatology of water vapor and the anomalous propagation of the microwave signal that is inducted by water vapor.In the first part, we study the best configuration for civil aviation airborne radars for the observation of precipitating systems, notably the frequency and the beamwidth. We have applied the constrain on the radar antenna of civil aviation that its size and its weight. Then we study the results of the dual-wavelength technic for the detection of hailstorm. This part aims to improve the quality of the observations made by civil aviation airborne radars. In the second part, we study the climatology of the water vapor diurnal cycle, and its seasonnal variations, in West Africa. Water vapor is one of the most important atmospheric gases (greenhouse effect, radiation, hydrological cycle, etc.), it is thus necessary to know in details the water vapor distribution in the troposphere. Based on this water vapor study, we then analyse the impact of the water vapor on the air refractivity and the propagation of microwaves. A climatology of anomalous propagation has been built for the instrumentation that uses microwaves

La connaissance et le suivi de la composition chimique des aérosols atmosphériques sont très importants pour la compréhension et l'évaluation du climat, des processus environnementaux et de la qualité de l'air. La composition des aérosols détermine l'efficacité des interactions avec les nuages, l'interaction directe avec le rayonnement, l'évaluation de « Particulate Matter » (PM) et l'impact sur l'écosystème marin après le dépôt des aérosols. Les poussières minérales représentent la deuxième, après les aérosols marins, plus grande fraction des émissions des aérosols. L'effet radiatif net de la poussière atmosphérique dépend de sa composition minéralogique. La grande variété de la minéralogie du sol détermine la variabilité de la composition des poussières atmosphériques, mais un lien direct entre les deux n'est pas évident. L'objectif de cette thèse est d'établir un cadre pour la restitution cohérente des propriétés optiques des aérosols atmosphériques et des composants des aérosols en utilisant la synergie des mesures solaires et infrarouges thermiques (TIR). L'implémentation de ce développement est faite dans le cadre de l'algorithme GRASP (Dubovik et al., 2021). La synergie entre les deux parties des spectres vise à améliorer la sensibilité aux propriétés microphysiques des aérosols et de caractériser plus finement les composants minéralogiques de la poussière, par exemple en séparant les fractions de quartz et d'argile. Le développement présenté est une extension de l'approche GRASP/Component développée précédemment (Li et al., 2019). Une nouveauté importante est l'intégration de l'émission Planck dans le schéma de transfert radiatif de Ordres Successifs de Diffusion qui est employé par l'algorithme GRASP. En outre, des méthodologies line-by-line et K-Distribution pour intégrer les lignes d'absorption des gaz et une méthodologie pour traiter l'indice de réfraction très variable des aérosols minéraux dans le TIR ont été implémentées afin de remplir les objectifs. Des tests synthétiques ont été réalisés pour évaluer la précision i) de la méthodologie conçue pour les simulations de mesures d'un radiomètre infrarouge thermique et ii) de la paramétrisation réactualisée des composants de l'aérosol. En outre, une étude a été menée sur l'influence des informations supposées a priori. Une amélioration de la sensibilité aux grosses particules, une caractérisation plus fine des composants de la poussière, la restitution de la hauteur moyenne de couche des aérosols à partir de mesures passives et enfin la restitution de la concentration totale dans la colonne atmosphérique de vapeur d'eau ont été illustrées comme faisables en s'appuyant sur la synergie des mesures Solaire-TIR. Ainsi, le nouvel algorithme de restitution GRASP/Component combinant le spectre solaire-TIR a été appliqué aux mesures combinées du photomètre solaire AERONET (Holben et al., 1998) et du radiomètre infrarouge thermique CLIMAT (Legrand et al., 1999; Brogniez et al., 2003) au Sénégal. Les observations réelles, obtenues entre novembre 2020 et avril 2021 sur le site de Dakar Belair, ont été sélectionnées pour l'application de l’algorithme. Un accord important a été trouvé entre les valeurs restituées et les résultats correspondants du produit standard d'AERONET. Il a été constaté que la vapeur d'eau totale dans la colonne atmosphérique et la hauteur moyenne de couche des aérosols peuvent être restituées simultanément avec les caractéristiques des aérosols. Les restitutions ont montré une bonne corrélation avec la vapeur d'eau dérivée indépendamment par l’algorithme AERONET et un accord qualitatif a été observé avec les mesures de profils d'aérosols par un système lidar. Les étapes suivantes du travail incluent une validation plus poussée des composants d'aérosol restitués. La perspective réside dans l'application de l'algorithme à une combinaison des capteurs 3MI et IASI qui seront lancé à bord de la mission spatiale MetOp-SG A ou des missions similaires
Knowledge and monitoring of atmospheric aerosol chemical composition is highly important for the understanding and evaluation of Earth's climate, environmental processes and air quality. The aerosol composition drives the efficiency of interactions with clouds, direct interaction of radiation with the Particulate Matter, impact on marine ecosystem after the aerosol deposition, etc.. Mineral dust represents the second, after the marine aerosol, largest fraction of the global atmospheric aerosol emissions. The net radiative effect of the atmospheric dust depends on its mineralogical composition. The vast variety of soil mineralogy determines the variability of airborne dust composition, but direct link between them is not evident. Mineralogical composition of volcanic ash is even less predictable, while has an importance for aviation safety. Finally, the fraction of aerosol hygroscopic species is determinant for aerosol cloud interactions. The objective of this thesis is to establish a framework for the combined and consistent retrieval of atmospheric aerosol optical properties and aerosol components using synergy of solar and Thermal Infrared (TIR) measurements. The implementation is done as part of the GRASP algorithm (Dubovik et al., 2021). Synergy between both parts of the spectra is expected to provide an enhanced sensitivity to aerosol microphysical properties as well as a finer characterization of the mineral dust components, e.g. Quartz and clays fractions separation. The presented development is an extension the of previously developed GRASP/Components approach (Li et al., 2019). An important update has been done on the incorporation of Planck emission into the Successive Orders of Scattering radiative transfer scheme that is employed in the GRASP algorithm. In addition, line-by-line and K-Distribution methodologies to integrate gas absorption lines and a methodology to deal with the highly varying aerosol refractive index in TIR was implemented in order to fulfill the objectives. Synthetic tests were performed to evaluate the accuracy of (i) the designed methodology for the measurements simulation of a thermal infrared radiometer and (ii) the updated aerosol components parameterization. Furthermore, a synthetic study was conducted to evaluate the influence of a priori assumed information. An enhancement of the sensitivity to the coarse mode particles, a finer characterization of the dust components, the retrieval of the Aerosol Mean Height (AMH) from passive measurements and finally the retrieval of total column water vapor concentration was illustrated as possible based on the Solar-TIR measurements synergy. Namely, the new combined solar-TIR GRASP/Components retrieval algorithm was applied to the AERONET (AErosol RObotic Network) (Holben et al., 1998) sun photometer and the CLIMAT Thermal Infrared radiometer (Legrand et al., 1999; Brogniez et al., 2003) combined measurements conducted by LOA in Senegal. The observations conducted between November 2020 to April 2021 at the Dakar Belair site were selected for the application of the Solar-TIR GRASP/Components retrieval. A high degree of agreement was found between the derived values and the corresponding standard AERONET retrievals. Moreover, it was found that the total column water vapor and AMH can be retrieved simultaneously with the aerosol characteristics. The retrievals showed good correlation with the independently derived AERONET precipitable water and a qualitative agreement with lidar aerosol profiles observations. The future steps of this work include a further validation of the retrieved aerosol components. The perspective is in the algorithm application to combined 3MI and IASI-NG sensors that will fly onboard of MetOp-SG A space mission or similar

La tropopause tropicale est une région de l'atmosphère où l'abondance de vapeur d'eau (H2O) affecte le climat. Cette thèse examine le rôle de la convection profonde sur la variabilité de H2O dans cette région. En se basant sur les observations de l'instrument spatial Microwave Limb Sounder (MLS), je montre que la convection continentale impacte le cycle diurne de H2O par injection de cristaux de glace hydratant après sublimation cette région de l'atmosphère. Dans le cadre du projet TRO-pico, je présente aussi un cas d'étude en se focalisant sur le Sud du Brésil. J'analyse également la variabilité du monoxyde de carbone (CO) troposphérique grâce à l'Atmospheric InfraRed Sounder (AIRS). Cette étude est complétée par l'évaluation de la version 6 des inversions de AIRS et de la fusion de données combinant les observations de AIRS à celles du Tropospheric Emission Spectrometer (TES) et MLS. Je démontre ainsi la valeur ajoutée de ces produits pour des études liées à la qualité de l'air, la dynamique et le transport dans la haute troposphère-basse stratosphère
The Tropical Tropopause Layer (TTL) is a key region of the atmosphere where abundance of water vapor (H2O) can affect the climate. In this thesis, I address the question of the impact of deep convection on the H2O variability in the TTL. Based on the space-borne Microwave Limb Sounder (MLS) observations, I show that the continental convection drives the H2O diurnal variability in the TTL where the sublimation of ice crystals injected by overshoots has a moistening effect. As part of the TRO-pico project, I also emphasize the results obtained in southern Brazil. I also analyze the tropospheric carbon monoxide (CO) variability derived from the Atmospheric InfraRed Sounder (AIRS) measurements. This study is completed by the validation of the AIRS CO operational product version 6, and that of the data fusion combining observations from AIRS with the Tropospheric Emission Spectrometer (TES) and MLS, providing valuable information for air quality, upper troposphere-lower stratosphere dynamics and transport studies

Nous avons mis au point une méthodologie qui nous a permis de développer un algorithme purement statistique de restitution des profils de vapeur d'eau à partir des observations fournies par les instruments SAPHIR et MADRAS du satellite Megha-Tropiques, et aussi de quantifier l'incertitude conditionnelle d'estimation. Trois modèles ont été optimisés pour l'estimation des profils sur 7 couches de la troposphère et de la fonction de distribution de la probabilité (pdf) de l'erreur conditionnelle sur chacune des couches. L'effort porté sur l'optimisation des modèles statistiques a permis de démontrer que la précision de la restitution est indépendante de l'approche et qu'elle est directement reliée aux contraintes physiques du problème posé. Ainsi, le maximum de précision est obtenu aux couches situées dans la moyenne troposphère (biais maximum de 2,2%) tandis que la précision se dégrade aux extrêmes de la troposphère, ce qui est expliqué par le contenu en information des deux instruments. A partir de la densité de probabilité de l'erreur conditionnelle, des intervalles de confiance conditionnels de l'humidité ont été estimés. On observe sur les données synthétiques que l'hypothèse Gaussienne est plus performante. Cette méthode a été appliquée sur des données réelles et l'exploitation des ces données a révélé un comportement semblable aux données de l'apprentissage, avec une bonne performance (biais de -5,77% et coefficient de corrélation de 0,86) en moyenne troposphère et une dégradation aux extrêmes de la colonne atmosphérique
We designed a methodology that allows us to develop a purely statistic water vapor profile restitution algorithm from Megha-Tropiques SAPHIR and MADRAS instruments with synthetic observations, and specially to quantify the restitution of conditional uncertainties. Three statistical models were optimized using this learning database to estimate seven layers tropospheric water vapor profiles and their conditional error probability density function (pdf). The optimized models lead us to conclude a model-independency restitution accuracy and this accuracy is directly related to physical constraints. Also, maximal precision was achieved in mid-tropospheric layers (maximal bias: 2. 2% and maximal correlation coefficient: 0. 87) while extreme layers show degraded precision values (at surface and the top of the troposphere, maximal bias: 6. 92 associated to a fort dispersion with correlation coefficient: 0. 58), this behavior could be explained by instrumental information lack. From conditional error probability functions, knowing observed brightness temperatures, humidity confidence intervals were estimated by each layer. The two hypotheses were tested and we obtained better results from the Gaussian Hypothesis. This methodology was tested using real data and results are consistent with the learning database with better accuracy (bias: -5. 77%) at mid-tropospheric layers, degrading it to extreme layers

Dans les applications industrielles et lors des opérations de transport du gaz naturel, la présence d'eau sous forme liquide ou en phase vapeur peut entraîner la formation d'hydrates provoquant le colmatage des unités industrielles et des lignes de conduites et il est indispensable de définir précisément les seuils de déshydratation à réaliser, afin d'éviter la formation d'hydrates. Cela est réalisé à l'aide d'un modèle thermodynamique qui prédit la stabilité des hydrates, en fonction de la température, de la pression et de la composition du gaz.Les modèles thermodynamiques classiques, développés uniquement sur la base de données expérimentales de formation d'hydrates en présence d'eau liquide, surestiment fortement la température de dissociation des hydrates en l'absence d'une phase aqueuse.Dans le but de définir un modèle thermodynamique capable de représenter convenablement les équilibres de phases vapeur-hydrate et prédire ainsi la température de dissociation des hydrates que l'on soit en présence ou en l'absence d'eau liquide, nous avons mis au point une méthodologie originale pour la détermination de la température de dissociation des hydrates de corps purs et de mélanges en l'absence d'eau liquide. Cette méthodologie, basée sur le suivi de la teneur en eau de phase vapeur, en fonction de la température par coulométrie Karl Fischer, a permis la détermination de la température de dissociation de plusieurs hydrates simples et mixtes à des teneurs en eau et pressions différentes ainsi que les quantités d'hydrates formées dans ces conditions.Sur la base de ces nouvelles données, nous avons défini un modèle thermodynamique basé sur l'utilisation de l'approche de Dharmawardhana pour le calcul de la fugacité de l'eau dans l'hydrate vide,le potentiel de Kihara pour le calcul de la constante de Langmuir et l'équation d'état CPA (Cubic Plus Association) pour la modélisation des phases fluides. Nous avons montré que l'utilisation de l'équation d'état CPA, capable de prendre en compte l'auto association de l'eau apporte une amélioration très significative.Le développement d'un flash biphasique hydrate-fluide nous a permis de calculer les quantités d'hydrates mixtes formées et de les comparer à nos données expérimentales.

Malgré l'amélioration constante des modèles de prévision opérationnelle, certains événements demeurent difficilement prévisibles, même à courte échéance. Dans ces cas, la qualité de la prévision dépend fortement de celle des conditions initiales qui lui sont fournies. Dans ce contexte, il apparaît essentiel d'améliorer des méthodes existantes et d'en développer de nouvelles afin de prendre au mieux en compte les incertitudes liées aux conditions initiales, en particulier pour la prévision d'événements intenses tels que les fortes pluies qui touchent régulièrement le bassin Méditerranéen. L'impact d'incertitudes aux conditions initiales sur la prévision de la dite “supertempête” d'Alger (novembre 2001) a été examiné au travers de simulations haute résolution réalisées avec le modèle Méso-NH. Ce cas était caractérisé par la présence d'un profond thalweg d'altitude associé à une cyclogenèse intense. Il a été montré qu'une faible perturbation initiale de la profondeur du thalweg d'altitude (et de l'intensité de l'anomalie positive de tourbillon potentiel associée) pouvait se propager et s'intensifier durant la simulation, impactant alors la prévision du cyclone de surface. Une étude détaillée des conditions de développement de la convection profonde dans chaque expérience a montré que les perturbations de petites échelles observées sur les champs de précipitations étaient directement liées à la prévision du cyclone et donc aux perturbations initiales. Dans une seconde partie, l'influence de corrections de tourbillon potentiel sur la prévision du même cas d'étude a été examinée. A l'aide du modèle opérationnel Français ARPEGE, nous avons montré que la prévision démarrant de l'analyse opérationnelle du 9 novembre 2001 à 1200 UTC n'était pas capable de reproduire le cycle de vie et le creusement de la dépression de surface. Des corrections locales de tourbillon potentiel guidées par des observations satellites issues du canal vapeur d'eau de Meteosat 7 ont conduit à une amélioration significative de la prévision du minimum dépressionnaire et des précipitations associées. A l'aide de simulations très haute résolution (2 km) Méso-NH et de l'utilisation de l'approche dite modèle-vers-satellite, nous avons montré que l'impact des modifications initiales était particulièrement positif lors des périodes de forte activité convective précédent celles de précipitations intenses.

Le radiometre micro-onde amsu-b dont les frequences sont comprises entre 90 et 200 ghz permettra d'acceder aux profils de vapeur d'eau et aux contenus en eau liquide. Cependant, les phenomenes d'absorption par la vapeur d'eau et l'eau liquide posent bon nombre de problemes a ces frequences, et il est courant d'utiliser des modeles semi-empiriques pour rendre compte des absorptions observees. La comparaison des temperatures de brillance simulees a partir d'un modele de transfert radiatif pour des frequences egales a celles d'amsu-b montrent que dans certaines conditions (aux tropiques) les ecarts peuvent atteindre 4 degres kelvin. Pour effectuer un choix parmi les nombreux modeles proposes dans la litterature internationale, il est indispensable, d'une part, de cerner les differences entre ces modeles, et d'autre part, de les comparer a des resultats experimentaux. Les cavites non accordables du ral qui presentent l'avantage d'offrir de longs parcours optiques (echantillons gazeux) et de n'etre que tres peu sensibles a la forme des echantillons (eau liquide), sont parmi les instruments les plus appropries pour effectuer ces mesures. Il ressort de cette etude que les modeles de liebe pour la vapeur d'eau et celui de manabe pour l'eau liquide sont parmi ceux qui reproduisent le mieux les absorptions observees. Contrairement a certains auteurs, nous avons trouve que l'absorption par la vapeur d'eau dependait du carre de la teneur en vapeur d'eau

Le GPS est la technique de positionnement global la plus utilisée ; sa précision planimétrique en mode géodésique atteint le niveau millimétrique. Cependant, une limite importante réside dans la détermination de la composante verticale (3-15~mm pour des sessions de 24~h) dont l'estimation est dégradée par la perturbation de la propagation des signaux lors de la traversée de la troposphère.
L'action NIGPS, menée en collaboration par l'IGN et le SA (CNRS), vise à développer une correction de ces effets atmosphériques basée sur le sondage de l'humidité à l'aide d'un lidar Raman vapeur d'eau à visée multi-angulaire. Ce travail de thèse s'inscrit dans la continuité des travaux présentés en 2005 par Jérôme Tarniewicz et consiste à poursuivre l'étude méthodologique, les développements instrumentaux et la validation expérimentale de l'analyse conjointe des observations GPS et lidar.
Après l'étude à partir de simulations numériques de l'effet de la troposphère sur le GPS et de sa correction, nous nous intéressons à la restitution précise de mesures de vapeur d'eau par lidar Raman. Les données acquises lors de la campagne VAPIC permettent de vérifier l'impact de la troposphère sur le GPS. La comparaison des observations lidar à celles issues d'autres instruments permet de valider la mesure lidar et souligne la capacité de cette technique à restituer des variations rapides de vapeur d'eau. Une première évaluation de la correction des observations GPS par des mesures lidar au zénith est réalisée sur des sessions GPS de 6 h et montre l'apport de cette technique sur les cas considérés. Ces résultats devraient cependant être améliorés grâce la prise en compte de visées lidar obliques.

La vapeur d'eau est un élément clé dans l'atmosphère moyenne. Elle est impliquée dans le bilan radiatif de la terre et elle joue un rôle capital dans plusieurs réactions chimiques. Grâce à sa durée de vie relativement longue, elle peut aussi être utilisée comme traceur de la dynamique de l'atmosphère moyenne. Quelques instruments spatiaux mesurent la vapeur d'eau. Le NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change) dispose de quelques instruments au sol majoritairement situés aux latitudes moyennes de l'hémisphère nord permettant de valider ces données. Le radiomètre micro-onde mobile (MobRa) rendu opérationnel pendant cette thèse, mesure des profils verticaux de vapeur d'eau entre 25 et 60 km d'altitude, avec une résolution verticale variant de 10 à 20 km. A travers le phénomène du transfert radiatif, il est expliqué comment le rayonnement émis par les molécules de vapeur d'eau stratosphérique et mesuré au sol contient une information sur la distribution verticale de cette espèce chimique. L'instrument est présenté en détail, en insistant sur les points qui ont donné lieu à des modifications et améliorations, à savoir les méthodes de mesure et de calibration, la réduction des données ainsi que l'estimation des différents paramètres instrumentaux. La méthode de restitution des profils verticaux basée sur l'estimation optimale est présentée, avec une analyse détaillée du contenu en information et des erreurs. La validation de l'instrument est effectuée en comparant les mesures réalisées par MobRa à Toulouse et à Saint-Denis de la Réunion avec les données satellites du capteur MLS sur le satellite Aura
The Mobile Radiometer (MobRa) which is the object of this thesis retrieves vertical profiles of water vapour from 25 to 60 km of altitude with a vertical resolution ranging from 10 to 20 km. Through the radiative transfer equation, we explain how the radiation emitted by the molecules of middle-atmospheric water vapour and measured from the ground contains information on the vertical distribution of the chemical species. The instrument is fully described, with an emphasis on the key points that have required changes and improvements, such as measurement and calibration methods, control and acquisition, data reduction and estimation of instrumental parameters. The retrieval method based on the Optimal Estimation Method used to retrieve vertical profiles from the measured spectra is presented, together with a detailed information content and error analysis. The instrument validation is achieved by comparing measurements performed by MobRa in Toulouse and at the Reunion Island vs. Satellite data from the Microwave Limb Sounder on the Aura platform

Avec le lancement du radiometre hyperfrequence ssm/i en juin 1987, nous sommes pour la premiere fois capable de mesurer le contenu integre en vapeur d'eau, sur les oceans, dans la plupart des conditions meteorologiques, avec une resolution spatiale de 25 km. Notre objectif etait d'assimiler ce type de donnees dans des modeles meteorologiques pour evaluer l'amelioration des champs d'humidite et autres champs thermodynamiques, tels que les flux de surface. Nous avons travaille avec deux modeles meteorologiques utilisant des techniques d'assimilation tres differentes, le modele meso-echelle peridot et le modele global arpege/ifs. Dans le cas du modele peridot, sur une situation frontale bien documentee, nous avons examine la reponse du modele a l'assimilation, par interpolation optimale, des donnees ssm/i: nous avons introduit des donnees en fin de cycle d'assimilation, avec ou sans correlation temperature-humidite, teste la sensibilite au profil d'erreur du modele, puis utilise un cycle d'assimilation utilisant trois fois les donnees ssm/i. Dans tous les cas, l'impact maximum est situe dans les zones ou les structures dynamiques ne sont pas preponderantes. Le fait que le modele peridot soit a aire limitee (les conditions aux limites sont fixes) et que la methode utilisee n'introduise pas de lien entre les champs limite l'impact possible de telles donnees d'humidite (assimilees apres tous les autres parametres). Dans le cas du modele arpege/ifs la methode utilisee est une methode variationnelle quadri-dimensionnelle. Les donnees ssm/i introduites dans un cycle de 24 heures aident a la minimisation de la fonction cout globale. Les resultats obtenus sont preliminaires, car le modele est en cours de developpement (il ne contient pas toutes les parametrisations physiques necessaires). Les modifications des champs dynamiques autant que d'humidite, localement tres importantes, montrent neanmoins la coherence des donnees ssm/i avec les autres observations et leur impact potentiel

Le present travail se rapporte aux equilibres de phases des systemes proches des melanges rencontres lors du traitement du gaz naturel (transport, purification). Ces systemes peuvent etre composes d'hydrocarbures legers (methane, ethane, propane, etc), de gaz acides (sulfure d'hydrogene, dioxyde de carbone), de methanol (solvant, inhibiteur) et d'eau. On presente un appareillage qui permet d'acquerir les donnees d'equilibres bi- et triphasiques de melange d'hydrocarbures legers, de methanol et d'eau a basse temperature. La mise au point de cet appareil, la procedure de mesure et la determination de systemes binaires, ternaires ou quaternaires sont decrites en detail. Le domaine d'etude de l'ensemble experimental s'etend de -100c a 0c en temperature et de 0 a 100 bar en pression. Pour modeliser ces systemes, on a tente de representer simultanement les equilibres liquide-vapeur et liquide-liquide des binaires correspondants en appliquant les methodes: mhv2 et wong et sandler. Selon le formalisme de ces deux methodes l'equation d'etat cubique soave-redlich-kwong est couplee systematiquement au modele d'enthalpie libre d'exces nrtl

Ces dernières années, la mesure des isotopologues de l'eau est devenue de plus en plus importante pour les sciences de l'atmosphère. A cause de l'influence des conditions climatiques sur les rapports isotopiques, la composition isotopique de l'eau conservée dans la glace en Antarctique et en Arctique peut être utilisée comme un paléothermomètre permettant de comprendre les changements passés du climat. La mesure des variations de la composition isotopique de la vapeur d'eau dans l'atmosphère peut servir à étudier le cycle hydrologique global de la terre et à raffiner les modèles de circulation atmosphérique.Alors que la méthode conventionnelle pour la mesure des isotopes de l'eau, la Spectrométrie de Masse des Rapports Isotopiques (IRMS), n'est pas adaptée aux mesures en continu et in-situ des isotopes de vapeur d'eau, le développement récent des spectromètres laser offre une méthode simple et robuste pour effectuer des recherches sur le terrain avec une bonne résolution temporelle. Pourtant, jusqu'à présent la plupart des instruments optiques exigent des niveaux d'humidité relativement élevés avec des concentrations d'eau supérieures à 1000 ppmv, ce qui exclut les mesures dans quelques unes des régions les plus intéressantes pour l'investigation des variations isotopiques dans l'eau, telles que les couches élevées de l'atmosphère ou les régions centrales de l'Antarctique.Ce travail introduit un nouveau spectromètre laser infrarouge qui est basé sur la technique d'OFCEAS et qui a été conçu spécialement pour la mesure des quatre isotopologues H2_16O, H2_18O, H2_17O et HDO dans un environnement sec avec des concentrations d'eau de quelques centaines à seulement quelques dizaines de ppmv. L'instrument qui a été développé dans le cadre de cette thèse montre une stabilité de mesure supérieure comparée aux instruments OFCEAS précédents, avec des temps d'intégration optimaux pouvant aller jusqu'à plusieurs heures et une longueur de trajet optique effective de plus de 30 km.La performance globale de l'instrument est analysée et le problème de la dépendance des mesures isotopiques vis-à-vis de la concentration d'eau avec laquelle l'expérience est effectuée est investigué en détail. La présence d'un motif fixe spectral est identifiée comme la source principale de bruit et analysée en détail.En outre, un nouveau système de calibration pour des mesures d'isotopes de vapeur d'eau est présenté. Ce système a été développé dans le cadre de cette thèse afin de disposer d'un moyen fiable et stable pour la calibration des mesures des variations isotopiques de la vapeur d'eau. Le système de calibration est basé sur l'injection continue d'eau dans une chambre d'évaporation avec deux pousse-seringue au nanolitre. Il est capable de générer une vapeur d'eau standard entre 5 et 15000 ppmv. Une simulation modélisée de l'injection d'eau, qui est en bon accord avec les expériences, est présentée.Ensuite une première utilisation du spectromètre OFCEAS dans la station de recherche norvégienne (Troll) en Antarctique est exposée en détail. Les données enregistrées pendant une période de trois semaines de Février à Mars 2011 sont présentées et discutées, en particulier relativement aux problèmes de calibration rencontrés avec un système de calibration rudimentaire construit sur place. Pendant cette période le spectromètre a mesuré en continu les isotopologues de vapeur d'eau dans l'atmosphère sur le site de la station.Pour conclure, nous allons présenter le projet Isocloud, un projet international avec pour but d'étudier des effets de (super)saturation en utilisant la chambre à nuages AIDA du KIT en Allemagne. Notre spectromètre et le système de calibration faisaient partie de ce projet. Les données expérimentales de quatre campagnes de mesure sont présentées et des résultats préliminaires sont discutés. Nous concluons avec la discussion d'un protocole de mesure optimal et donnons des perspectives pour le futur
In recent years, the measurement of water isotopologues has become increasingly important for atmospheric research. Due to the influence of climatic conditions on the isotope ratios, the isotopic composition of water stored in the ice in Antarctica and the Arctic can be used as paleothermometers to reconstruct past climate changes. The measurement of changes of the isotopic composition of water vapor in the atmosphere can be used to study the global hydrolocal cycle and to refine atmospheric circulation models.Whereas the conventional method for water isotope measurements, Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS), is not adapted for in-situ continuous measurements of water vapor isotopes, the recent development of laser spectrometers offers a comparably easy and robust method to conduct in-the-field research with good time resolution. However, until now, most optical instruments require relative high humidity levels with water concentrations of at least several 1000 ppmv, which excludes measurements in some of the most interesting regions for water isotope research, such as the upper atmosphere and the central regions of Antarctica.In this work, we present a novel infrared laser spectrometer based on the technique OFCEAS, specifically designed to measure the four isotopologues H2_16O, H2_18O, H2_17O and HDO under very dry conditions, at water concentrations of some hundred to only tens of ppmv. The instrument developed during this thesis shows much higher measurement stability over time compared to previous OFCEAS instruments with optimum integration times of up to several hours and a very long effective path length of more than 30 km. At water concentrations around 80 ppmv, a precision of 0.8‰, 0.1‰ and 0.2‰ for d2H, d18O and d17O respectively could be achieved with an integration time of 30 to 60 min and at the optimum water concentration of ~650 ppmv, of 0.28‰, 0.02‰ and 0.07‰ respectively.An investigation of the overall performance of the instrument is presented and we specifically discuss the problem of a dependence of the isotope measurements on the water concentration at which a measurement is carried out. As main source of the concentration dependence, pattern noise is identified and a detailed analysis of the noise sources is given.Furthermore, a new calibration system for water vapor isotope measurements, the Syringe Nanoliter Injection Calibration System (SNICS), is introduced, which was developed in the framework of this thesis to offer a more reliable and stable means for the calibration of water vapor isotope measurements. This calibration system is based on the continuous injection of water into an evaporation chamber with two nanoliter syringe pumps and is able to generate standard water vapor in a range of 5 to 15 000 ppmv. A model simulation of the water injection is presented and shows a good agreement with experimental results.Subsequently, a first employment of the OFCEAS spectrometer at the Norwegian research station of Troll in Antarctica is discussed. Data from a three-week period from February and March 2011, during which the spectrometer continuously measured water vapor isotopologues in the atmosphere at the research station, is shown and problems and possibilities are discussed.Finally, the Isocloud project, an international project to study (super)saturation effects at the AIDA cloud chamber of the Karlsruhe Institute Technology in Germany, is introduced, in which we participated with both the spectrometer and the calibration instrument. Experimental data of the four measurement campaigns is presented, preliminary results are discussed. We conclude with a discussion of the optimum measurement protocol and give an outlook for the future

La vapeur d’eau est le principal gaz à effet de serre de l’atmosphère et implique un processus de rétroaction climatique positif qui se traduit par une augmentation importante de l’humidité dans la troposphère dans les prochaines décennies. La vapeur d’eau joue également un rôle primordial dans le système climatique, notamment via le transport d’énergie de l’équateur vers les pôles. Malgré ceci, la compréhension des mécanismes qui contrôlent la distribution de la vapeur d’eau sur le globe reste insuffisante, ce qui se répercute sur les prédictions de l’évolution de notre climat. Depuis quelques années, les observations de la composition isotopique de la vapeur d’eau se sont révélées être particulièrement utiles pour aider à mieux comprendre les processus hydrologiques car les différents isotopologues de la vapeur d’eau (H216O, H218O, HDO) se comportent différemment selon les processus en jeu.

Dans cette perspective, les mesures de radiances du système terre-atmosphère dans l’infrarouge thermique par l’Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge (IASI) à bord de la plateforme météorologique MetOp, peuvent fournir des observations du rapport isotopique δD (rapport HDO/H216O), à l’échelle globale et à haute résolution spatio-temporelle, pour autant que la restitution du rapport puisse être obtenue avec une précision suffisante.

Dans ce travail, nous présentons une méthodologie robuste et précise pour la restitution du profil de δD à partir des spectres IASI. Basée sur la méthode d’estimation optimale, elle consiste à appliquer des contraintes d’inversion adaptées afin d’obtenir des profils de δD fiables. Nous décrivons le choix de celles-ci et nous montrons que la méthode mise en place permet de fournir des profils de δD qui présentent un maximum de sensibilité dans la troposphère libre. L’adéquation de la méthode mise en place est ensuite évaluée grâce à une étude d’inter-comparaison avec des mesures dérivées de l’instrument spatial TES (Tropospheric Emission Spectrometer sur AURA) et FTIR localisés au sol. L’exactitude des profils IASI a aussi pu être déterminée grâce à des comparaisons avec des mesures in situ.

Dans une autre partie du travail, nous nous attachons à préciser les applications liées à l’utilisation des nouvelles mesures dans le domaine des géosciences. Nous documentons ainsi les capacités du sondeur IASI à fournir des mesures de δD à une résolution spatio-temporelle inégalée et décrivons les diverses distributions obtenues. Nous montrons et analysons notamment les premières cartes globales à haute résolution de δD dans la troposphère. Les mesures de δD et de l’humidité sont analysées conjointement à l’aide de modèles simples et permettent de démontrer la plus-value mesures de δD depuis les satellites. Parmi les résultats les plus significatifs, citons la mise en évidence de la signature isotopique des différentes sources de la vapeur d’eau (évaporation continentale/océanique), et celle de l’empreinte des différents processus hydrologiques qui contrôlent l’humidification de l’atmosphère (convection, mélange de masse d’air, ré-évaporation des gouttes de pluie).

Doctorat en Sciences
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La place de la vapeur d'eau est centrale dans le système climatique : à l'échelle globale, elle participe à la redistribution de l'excédent d'énergie des régions tropicales vers les régions polaires via les grandes cellules de circulation, à méso-échelle elle participe au développement (maturation, dissipation) des systèmes nuageux, précipitants ou non, et à plus petite échelle, ce sont les lois de la thermodynamique humide qui régissent la microphysique de ces nuages. Finalement c'est le plus abondant des gaz à effet de serre qui est au centre d'une boucle de rétroaction fortement positive. La mission satellite Megha-Tropiques a été conçue pour améliorer la documentation du cycle de l'eau et de l'énergie des régions tropicales, via notamment trois instruments : deux radiomètres microondes MADRAS (un imageur) et SAPHIR (un sondeur) respectivement dédiés à l'observation des précipitations (liquides et glacées) et de l'humidité relative atmosphérique, et un radiomètre multi-spectral ScaRaB pour la mesure des flux radiatifs au sommet de l'atmosphère dans le bilan de l'eau et l'énergie de l'atmosphère tropicale et décrire l'évolution de ces systèmes. Les caractéristiques des instruments embarqués permettraient une résolution étendue autours de la raie à 183 GHz du spectre microonde, qui permet de sonder le contenu en vapeur d'eau même en présence des nuages convectifs. Afin de construire une base d'apprentissage où les valeurs d'entrée et sortie soient parfaitement colocalisées et qui, en même temps, soit représentative du problème à modéliser, une large base de radiosondages obtenus par ciel claire et couvrant la bande tropicale (±30° en latitude) sur la période 1990-2008 a été exploitée en parallèle à un modèle de transfert radiatif pour l'obtention des températures de brillance simulées des deux radiomètres. Nous avons mis au point une méthodologie qui nous a permis de développer un algorithme de restitution des profils de vapeur d'eau à partir des observations SAPHIR et MADRAS, et surtout de quantifier l'incertitude conditionnelle d'estimation. L'approche s'est orientée vers l'exploitation des méthodes purement statistiques de restitution des profils afin d'extraire le maximum d'information issues des observations, sans utiliser d'information complémentaire sur la structure thermodynamique de l'atmosphère ou des profils a priori, pour se concentrer sur les diverses restrictions du problème inverse. Trois modèles statistiques ont été optimisés sur ces données d'apprentissage pour l'estimation des profils sur 7 couches de la troposphère, un réseaux de neurones (modèle perceptron multicouches), le modèle additif généralisé et le modèle de machines à vecteur de support (Least Square-Support Vector Machines), et deux hypothèses de modélisation de la fonction de distribution de la probabilité (pdf) de l'erreur conditionnelle sur chacune des couches ont été testées, l'hypothèse Gaussienne (HG) et le mélange de deux distributions Gaussiennes (M2G). L'effort porté sur l'optimisation des modèles statistiques a permis de démontrer que les comportements des trois modèles d'estimation sont semblables, ce qui nous permet de dire que la restitution est indépendante de l'approche utilisée et qu'elle est directement reliée aux contraintes physiques du problème posé. Ainsi, le maximum de précision pour la restitution des profils verticaux d'humidité relative est obtenu aux couches situées dans la moyenne troposphère (biais maximum de 2,2% et coefficient de corrélation minimum de 0,87 pour l'erreur d'estimation) tandis que la précision se dégrade aux extrêmes de la troposphère (à la surface et proche de la tropopause, avec toutefois un biais maximale de 6,92% associé à une forte dispersion pour un coefficient de corrélation maximum de 0,58 pour l'erreur d'estimation), ce qui est expliqué par le contenu en information des mesures simulées utilisées. A partir de la densité de probabilité de l'erreur, connaissant les températures de brillance observées, des intervalles de confiance conditionnels de l'humidité de chacune de couches de l'atmosphère ont été estimés. Les algorithmes d'inversion développés ont été appliqués sur des données réelles issues de la campagne "vapeur d'eau" de validation Megha-Tropiques de l'été 2012 à Ouagadougou qui a permis d'obtenir des mesures par radiosondages coïncidentes avec les passages du satellite. Après prise en compte de l'angle de visée, des incertitudes liées à l'étalonnage de SAPHIR et des erreurs associées à la mesure in situ, l'exploitation de ces données a révélé un comportement semblable aux données de l'apprentissage, avec une bonne performance (biais de 4,55% et coefficient de corrélation de 0,874 sur l'erreur d'estimation) en moyenne troposphère et une dégradation aux extrêmes de la colonne atmosphérique (biais de -4,81% et coefficient de corrélation de 0,419). L'application systématique sur l'ensemble des mesures réalisées par SAPHIR permettra donc mener des études de la variabilité de la vapeur d'eau tropicale en tenant compte des intervalles de confiance associés à la restitution.

L'etude du climat a l'echelle globale est un des sujets majeurs qui mobilise la communaute scientifique. De par leur couverture spatiale et leur repetitivite temporelle, les mesures des capteurs embarques sont potentiellement adaptees a ces travaux mais elles sont malheureusement assez souvent perturbees par l'atmosphere. Ce travail de these est consacre a l'etude de certaines caracteristiques de l'atmosphere des regions du sahel et aux applications qui peuvent en decouler en teledetection spatiale. La premiere partie est consacree a la presentation de methodes de traitement permettant d'extraire des mesures photometriques: le contenu integre en vapeur d'eau de l'atmosphere, l'epaisseur optique des aerosols et le coefficient d'angstrom. Le suivi a partir de plusieurs annees de mesures photometriques sur deux sites en afrique de l'ouest des caracteristiques de ces trois parametres atmospheriques est ensuite presente et discute. La seconde partie est destinee a quantifier et illustrer, a partir de simulations, l'influence de cette variabilite de cette atmosphere du sahel sur certains signaux utilises en teledetection spatiale (reflectances bidirectionnelles, indice ndvi). Une etude de la precision des corrections dites atmospheriques est ensuite exposee. Enfin, on propose une methode simple de correction dans le cas d'applications utilisant des series temporelles. La troisieme partie enfin est consacree a l'inversion de l'epaisseur optique des aerosols a partir des images spatiales, aussi bien sur des sites marins que sur des sites continentaux. On utilise pour cela des methodes disponibles dans la litterature et les mesures de differents capteurs aussi bien dans les regions tropicales que temperees