Academic literature on the topic 'Lidar – Météorologie'

The MEthane Remote sensing Lidar missioN (MERLIN), currently in phase C, is a joint cooperation between France and Germany on the development of a spatial Integrated Path Differential Absorption (IPDA) LIDAR (LIght Detecting And Ranging) to conduct global observations of atmospheric methane. This presentation will focus on the status of a LIDAR mission data simulator and processor developed at LMD (Laboratoire de Météorologie Dynamique), Ecole Polytechnique, France, for MERLIN to assess the performances in realistic observational situations.

La mesure de vent a distance par lidar doppler meteorologique presente un grand interet pour de nombreux domaines des sciences et des applications : variabilite climatique et bilan energetique, prevision meteorologique, pollution urbaine, securite aerienne, batiments et travaux publics, c'est dans ce cadre que le lmd/cnrs a developpe avec le soutien du cnes, les lidars doppler meteorologiques transportable (lvt) et aeroporte (wind) (en collaboration avec le dlr), et participe aux projets europeen et americain de lidar doppler spatial (aladin et sparcle). Le travail de these presente plusieurs facettes qui vont du traitement du signal, a l'exploitation geophysique des donnees de campagnes, en passant par les developpements methodologiques necessaires a la restitution des circulations atmospheriques et des flux turbulents. La these s'insere dans le cadre de travaux preparatoires a la mise en oeuvre de tels instruments dans des experiences internationales ou nationales comme map et esquif, et leur mise en place sur une plateforme spatiale.

Les systèmes de positionnement et de navigation par satellite (GNSS) ont connu un formidable essor au cours des deux dernières décennies au point d'être aujourd'hui un élément technologique universel. Le recours au positionnement précis par satellite est intégré à notre vie quotidienne: puces GPS intégrées dans les téléphones portables, systèmes de radionavigation utilisés pour le guidage d'engins agricoles, l'approche aérienne et maritime. Les stations GNSS déployées dans les réseaux géodésiques permanents participent au maintien des références géodésiques nationales et internationales et à la prévision météorologique. Ces applications scientifiques requièrent une mise en œuvre rigoureuse des équipements et un traitement sophistiqué des mesures. Une limitation de précision commune vient la présence d'erreurs dans les mesures dues à la traversée de l'atmosphère. L'amélioration des méthodes de correction de la propagation des signaux radiofréquence dans l'atmosphère a permis au cours des dix dernières années d'atteindre une précision sub-centimétrique en positionnement vertical et de faire des GNSS une technique de référence pour le sondage de la vapeur d'eau dans la troposphère. Ce manuscrit rassemble les résultats des recherches que j'ai développées au LATMOS et à l'IGN depuis une douzaine d'années dans le domaine du positionnement précis par GPS, de la télédétection de la vapeur d'eau atmosphérique par GPS et lidar Raman, et de l'étude du cycle de l'eau atmosphérique au moyen de systèmes d'observations et de modèles de prévision météorologique.

Sur un site multi-influencé par des émissions urbaines et industrielles, l'analyse de la pollution aux aérosols, au voisinage des sources, requiert une connaissance multi-échelles de la dynamique atmosphérique. une campagne de mesure a été développée afin d'étudier la variabilité météorologique et micro-météorologique et l'évolution des particules, en particulier, submicroniques, sur une durée d'une année. Des oscillations de la concentration en aérosols, autour de la moyenne régionale, ont été identifiées le long du littoral dunkerquois, et attribuées aux phénomènes météorologiques locaux à proximité des industries. Des méthodes de reconnaissance et d'apprentissage supervisé, faisant appel aux mesures par anémomètre ultrasonique et aux profils verticaux du vent par lidar Doppler, ont été mises en œuvre pour établir la variabilité de phénomènes pertinents dans les événements de pollution de l'air : brise de mer, brouillard, front et tempête. L'analyse d'une base de données de six ans a permis de montrer que l’occurrence annuelle des brises de mer est corrélée à celle du nombre de journées anticycloniques. Par ailleurs, la fréquence annuelle des brouillards pourrait être liée à la concentration annuelle régionale en aérosols. L'analyse des covariances du vent a révélé deux situations contrastées, à faible et à fort flux turbulents. Le brouillard et la brise de mer, de faible flux, génèrent une pollution élevée aux PM₁, et sont le siège d'une forte concentration en aérosols organiques oxygénés (aérosols secondaires). Les situations à fort flux, favorisant les échanges verticaux, sont associées à une forte variabilité des sulfates particulaires. L'observation de longue durée a permis de mettre en évidence la construction d'épisodes de pollution particulaire, au cours de séquences de phénomènes météorologiques locaux, du fait des sources locales, mais aussi par incorporation de la pollution à plus grande échelle
On a site that is multi-influenced by urban and industrial emissions, the analysis of aerosol pollution, in the vicinity of sources, requires a multi-scale knowledge of atmospheric dynamics. A measurement campaign was developed in order to study the meteorological and micro-meteorological variability and the evolution of particles, in particular, submicronic evolution, during a one-year period.Oscillations of the aerosol concentration around the regional average were identified along the Dunkirk coastline, and were attributed to the local meteorological phenomena close to the industries. Recognition and machine learning methods using measurements by an ultrasonic anemometer and vertical wind profiles by a Doppler lidar, were implemented to define the variability of relevant phenomena in air pollution events : sea breeze, fog, front and storm. A six-years database analysis has highlighted a correlation between the annual sea breeze occurrence and the annual number of anticyclonic days. Furthermore, the annual fog frequency could be connected with the annual regional concentration of aerosols. Analysis of wind covariance revealed two contrasting situations, low-level and high-level turbulent fluxes. The fog and the sea breeze, with low-level fluxes, generate a high PM₁ pollution and are in favor of a high organic oxygenated aerosols concentration (secondary aerosols). High-level fluxes situations, favoring vertical exchanges, are associated with a large variability of sulfate aerosols. The long-term observation, made it possible to highlight the development of episodes of particulate pollution during local weather phenomena, owing to the local emissions, but also by taking into account the larger-scale pollution

Les cirrus sont des nuages de la haute troposphère. Leur influence sur le bilan radiatif de la terre est significative; sachant qu'ils couvrent en permanence le cinquième du globe. D'où la nécessité de connaître leurs propriétés optiques et physiques qui seront utiles pour les modèles climatiques. Le but principal de ce travail est l'étude de ces propriétés par télédétection optique lidar et radio métrique. Les méthodes d'inversion potentielle des mesures lidar dont nombreuses. Il s'est agi pour nous de tester ces méthodes en vue de trouver celle qui convient à l'étude des cirrus. La simulation des signaux lidar nous a permis non seulement de déterminer les performances et limitations des différents systèmes lidars utilisés, mais la comparaison des méthodes d'inversion. Des cas de cirrus liés à des phénomènes climatiques différents (aérojets, systèmes frontaux), ont été étudiés afin de mieux comprendre les phénomènes de formation, maintenance et dissipation de ce type de nuages

Les nuages montrent des variabilités tridimensionnelles complexes (3D) dans leurs propriétés géométriques, optiques et microphysiques horizontales et verticales. Généralement et pour des raisons pratiques, les nuages sont supposés être homogènes et parallèles dans les algorithmes de calcul du signal lidar/radar (problème direct) et dans les algorithmes de récupération des propriétés des nuages (problème inverse). L'objectif de ce travail est d'évaluer les effets de l'hétérogénéité des nuages et de la diffusion multiple sur des caractéristiques mesurées directement par le lidar/radar, nous ne traitons que les sources d'erreurs liées au problème direct. Nos évaluations sont basées sur l'échantillonnage aléatoire et sur la comparaison entre les profils moyens des nuages 3D et des nuages 1D équivalents plan-parallèles. Nous avons développé et validé un outil à cet effet. Le simulateur lidar/radar/radar Doppler (McRALI). Il est basé sur le modèle 3DMCPOL (Cornet et al., 2010). Les nuages 3D utilisés sont générés par le générateur de champs de nuages 3D (3DCLOUD_V2) (Szczap et al., 2014). Les comparaisons avec des publications et des codes de référence, ont montré de bonnes cohérences entre le code McRALI et les résultats publiés. On a étudié les effets de l'hétérogénéité 3D des nuages sur trois échelles 333 m, 1 km et 5 km. Les résultats obtenus ont montré que les biais sur le coefficient de rétrodiffusion β, sur le coefficient de rétrodiffusion intégré γ et sur le facteur de dépolarisation δ augmentent avec l’augmentation de l’échelle et l’épaisseur optique. L’étude sur un nuage de type cirrus de cristaux de glace plaquette ont montré que les profils moyens de β ainsi que de γ sont statistiquement égaux à l’échelle de 333 m. Au contraire, à l’échelle de 1 km les biais sont statistiquement significatifs. Le biais sur δ est statistiquement significatif pour les deux échelles. Les tests sur les mesures de radar CPR Doppler EarthCARE ont montré qu’il y a un écart sur la vitesse Doppler mesuré proche de la discontinuité dans un nuage discontinu, cet écart dépond le degré de la discontinuité, les propriétés optiques et géométriques du nuage et la géométrie du système radar. Ce travail contribue à une meilleure compréhension des effets de l'hétérogénéité des nuages sur les caractéristiques mesurées directement par le lidar / radar
Clouds display complex three-dimensional (3D) variability in their horizontal and vertical geometric, optical and microphysical properties. Generally and for practical reasons, the clouds are supposed to be homogeneous and parallel in the algorithms for calculating the lidar / radar signal (direct problem) and in the algorithms for the retrieval of the properties of the clouds (inverse problem). The objective of this work is to evaluate the effects of cloud heterogeneity and multiple scattering on the characteristics measured directly by the lidar / radar. In this study, we only deal with the sources of errors related to the direct problem. Our assessments are based on random sampling and comparison between the average profiles of 3D clouds and 1D equivalent plane-parallel clouds. Therefore, we developed and validated a tool called the lidar / radar / Doppler radar simulator (McRALI). The latter tool is based on the 3DMCPOL model (Cornet et al., 2010). The 3D clouds, used in the current study, were generated by the 3D cloud field generator (3DCLOUD_V2) (Szczap et al., 2014). The tested McRALI code revealed good coherence with earlier published studies. We studied the effects of 3D cloud heterogeneity on three scales 333 m, 1 km and 5 km. The results obtained showed that the biases on the backscattering coefficient β, on the integrated backscattering coefficient γand on the depolarization factor δ increase with increasing the scale and the optical thickness. The study of a cirrus cloud of ice crystals showed that the average profiles of β as well as the γ are statistically equal to the 333 m scale. On the contrary, the biases are statistically significant at 1 km scale. The bias on δ is statistically significant for both scales. The tests carried out on the EarthCARE Doppler CPR radar measurements showed that there is a difference in the measured Doppler velocity close to the discontinuity in a discontinuous cloud. This difference is due to the degree of the discontinuity, the optical, the geometrical properties of the cloud and the geometry of the radar system. This work contributes to better understanding of the effects of cloud heterogeneity on the characteristics measured directly by the lidar / radar

Lorsqu'on parle de réchauffement climatique, on ne peut négliger les effets directs et indirects des nuages de glace non précipitants sur le bilan radiatif de notre planète. Ces nuages, pas assez documentés aujourd'hui, constituent le fond de commerce de cette thèse. Nous avons développé des méthodes radar et radar/lidar permettant de documenter les propriétés microphysiques et radiatives des nuages de glace non précipitants. A partir d'une de ces méthodes (la méthode radar : RadOn) nous avons établi et discuté une climatologie nuageuse au-dessus de trois sites Européens participant au projet européen CloudNET. Nous avons également comparé les résultats de cette climatologie avec la représentation des nuages dans quatre modèles de prévision européens. Tout ceci dans le cadre de la préparation des futures missions spatiales, CloudSat/Calipso et EarthCare
Regarding climate change, direct and indirect effects of the non precipitating ice clouds are essential contributors to the earth radiation balance. The cloud properties are however still not well documented. Therefore, during this PhD we have developed radar and radar/lidar methods in order to document the microphysical and radiative properties of the non precipitating clouds. Using the new radar method (RadOn) we have developed and discussed a cloud climatology over three European sites in the framework of the European CloudNET project. We have also compared the climatology results to the representation of clouds in four European weather forecast models. In the framework of the preparation of the future spatial missions, CloudSat/Calipso and EarthCare

Le travail de thèse s'organise en plusieurs parties. Le premier chapitre décrit le cadre scientifique dans lequel s'inscrit la thèse : branche atmosphérique du cycle du carbone, changement climatique et protocole de Kyoto, réseau de mesures actuel et principales missions spatiales. Ce chapitre montre notamment comment s'insèrent les différents aspects que j'ai traité pendant la thèse: modélisation, expérimentation et études théoriques dans le cadre plus général de la restitution des flux de surface et de la mesure du C02 atmosphérique. Au final, je m'intéresse plus particulièrement à l'apport scientifique et aux objectifs d'une mesure de C02 atmosphérique par Lidar DIAL à partir de l'espace. Dans le chapitre II, on s'intéresse au domaine d'étude et plus particulièrement à l'évolution du C02 atmosphérique à la méso-échelle. La représentativité temporelle horizontale et verticale d'une mesure de C02 est évaluée dans le but de cadrer l'étude expérimentale. Par ailleurs on y étudie les processus à l'origine de la variabilité du rapport de mélange dans les différentes parties de 1'atmosphère pour mettre au point une méthode de mesure efficace permettant de rendre compte des phénomènes observés. Nous verrons comment cc travail d'étude du C02 atmosphérique à la moyenne échelle a permis, entre autre, de mettre au point une méthode originale de restitution et de caractérisation des flux de surface naturels dans la région du Sud-Ouest parisien. Fort de cette étude et des objectifs de mesure décrits dans le chapitre I, le chapitre III discute la mesure DIAL avant d'en rechercher une optimisation pour obtenir le maximum de précision sur la mesure de concentration. Un soin tout particulier est porté à la spectroscopie, à l'optimisation de paramètre tels que l'épaisseur optique de la colonne d'air sondée et l'énergie des impulsions lasers émises dans l'atmosphère, et à l'analyse des erreurs statistiques et systématiques. Le chapitre IV décrit le système expérimental réalisé au Laboratoire de Météorologie dynamique pendant ces trois années: LIDIA. " Lidar pour la mesure du Dioxyde de carbone Atmosphérique ". Le Lidar DIAL Doppler a été conçu à partir d'un Lidar Doppler déjà existant au Service d'Aéronomie [Bruneau-00, Le Rille-02]. Le chapitre décrit le Lidar, les différentes transformations, les éléments ajoutés et les performances du système global dans le cadre des mesures DIAL. Un intérêt particulier est donné au traitement de signal. Suit alors la partie principale du travail de recherche avec la présentation et la discussion des résultats expérimentaux. Des mesures réalisées de jour et de nuit en fin d'année 2004 et pendant l'année 2005 y sont décrites pour illustrer les différentes possibilités d'une mesure DIAL pour répondre aux objectifs scientifiques décrits dans le chapitre I : mesures intégrées au niveau du sol et validation avec des mesures in-situ, mesures verticales dans la couche limite atmosphérique (CLA), utilisation des cibles nuageuses, mesures dans la troposphère libre et mesures résolues dans la CLA. Nous voyons notamment l'apport de mesures de vent et de vitesses verticales simultanées avec des mesures de concentration pour expliquer les processus naturels ou anthropiques à l'origine de la variation temporelle du rapport de mélange en CO2. Le dernier chapitre s'appuie sur le travail expérimental précédent pour prévoir les performances de futurs systèmes de mesure DIAL aéroporté ou spatial capable de répondre aux objectifs scientifiques à moyen et long terme. Différentes perspectives de travail pour l'amélioration du système expérimental et pour la conception d'un nouveau système y sont abordées. Enfin une conclusion permet de souligner et de rassembler les principaux résultats du travail de thèse.

Les circulations locales des masses d'air jouent un rôle primordial sur la qualité de l'air en zone côtière, urbaine et industrielle. La compréhension de la dynamique de la basse troposphère est nécessaire à la prévision des épisodes de pollution atmosphérique. Dans ce contexte, la combinaison de dispositifs de télédétection et de stations de mesure au sol, apporte une meilleure compréhension de la structure et de la dynamique de la basse troposphère au cours d'évènements météorologiques locaux. La campagne ESCOMPTE a pu documenter les émissions polluantes, la dynamique et la chimie de l'atmosphère de la région de Marseille-Berre afin de tester et de valider les modèles de pollution, en les confrontant aux données expérimentales au sol, aéroportées et par télédétection (lidar UV et IR, radar UHF, sodar). Le lidar de l'Université du Littoral-Côte d'Opale a mesuré la distribution verticale de l'ozone et de l'extinction à proximité de Marseille, zone soumise aux influences de la côte, du relief et de la zone urbaine dense. L'analyse de la structure fine de la stratification complexe observée au cours d'épisodes de pollution photochimique, a mis en évidence un mécanisme de confrontation de brises déterminant pour la couche limite urbaine et le transport des polluants. Dans le cas de la zone littorale fortement industrialisée de la région Nord-Pas-de-Calais, l'analyse de la dynamique de la basse troposphère par le lidar UV, un sodar et des stations de mesure au sol, au cours d'évènements de brise de mer, a permis de déterminer de manière fine la structure verticale de la brise, son évolution temporelle ainsi que son impact sur la dispersion horizontale et verticale des polluants
The circulations of local air masses play a primordial role on the air quality in coastal, urban and industrial areas. The understanding of the lower troposphere dynamic is necessary to predict atmospheric pollution events. In this context, the combination of remote sensing devices aund ground stations gives a better understanding of the structure and dynamic of the lower troposphere during local meteorological events. The ESCOMPTE campaign was able to characterise polluants emission, dynamic and the atmospheric chemistry composition of Marseille-Berre region in order to test and validate photochemical models by the comparison of experimental data set obtained at ground level, from airborne measurement platform and by ground based remote sensing devices ( UV and IR lidar, UHF radar, sodar). The lidar of the University du Littoral-Côte d'Opale measured the vertical distribution of ozone and extinction coefficient near Marseille which is influenced by the coastline, the relief and the dense urban area. The analysis of the fine structure of the complex stratification observedduring photochemical pollution events, highlighted the importance of the confrontation between the sea breezes, influencing the urban boundary layer pollutant transport. The sea breeze of the highly industrialised coastline of the Nord-Pas-de-Calais region was characterised by the use of the UV lidar, a sodar and ground based measurements. This permitted the determination of the sharp vertical structure and the temporal evolution of the sea breeze demonstrating its influence on the vertical and horizontal pollution dispersion

Dans les zones côtières, l’industrie de l’énergie éolienne migre vers l’environnement marin, où de vastes espaces sont encore disponibles avec des conditions de vent plus fort et mieux contrôlé. L’environnement marin impose de nouveaux défis à une industrie éolienne pourtant bien établie. Il est impératif de prédire et de décrire avec précision la ressource éolienne en mer afin de concevoir des solutions techniques rentables. L’écoulement concerné est caractérisé par une couche limite atmosphérique (CLA), turbulente, où la dynamique de l’océan modifie considérablement l’écoulement atmosphérique par une capacité thermique plus élevée, et par des interactions vent-vagues complexes, importantes dans des situations assez courantes. Cette thèse passe en revue et étend les connaissances actuelles concernant les interactions vent-vagues dans la partie inférieure de la CLA Marine (CLAM), où elles peuvent être importantespour la caractérisation de la ressource éolienne. La CLAM est étudiée par des expériences physiques et numériques, afin de révéler le rôle des mouvements Induits par les Vagues (IV) transférés de la mer vers l’atmosphère. Grâce à l’utilisation d’expériences physiques et numériques complémentaires, de nouvelles perspectives sur les processus d’interaction vent-vague sont obtenues
In coastal areas, the wind energy industry migrates to the offshore environment, where huge spaces are still available in stronger and better behaved wind conditions. The offshore environment imposes new challenges to a well established wind energy industry. It is imperative to accurately predict and describe the offshore wind resource in order to design cost efficient solutions. The concerned flow is characterized by a turbulent Atmospheric Boundary Layer (ABL) where the ocean’s dynamics significantly alter the atmospheric flow through higher heat capacity and complex wind-wave interactions important in fairly common situations.So this Thesis reviews and extends the current knowledge regarding Wind-Wave interactions in the lower part of the Marine ABL (MABL), where they are possibly significant in the characterization of the wind resource. The MABL is investigated through physical and numerical experiments, to reveal the role of Wave Induced (WI) motions transferred from the sea into the atmosphere. Thanks to the use of complementary physical and numerical experiments, new insights on the wind-wave interaction processes are obtained