Littérature scientifique sur le sujet « Vapeur d'eau atmosphérique – Mesure »

RésuméDans le cadre de l'étude de l'interaction eau-kaolinite, des mesures de conductivité (pertes diélectriques) et de permittivités réelles ont été entreprises à fréquence variable (103–107 Hz) et en fonction de la température (27–80°C). La conductivité croît avec la fréquence et la température de mesures. L'utilisation d'un modèle de conduction par déplacement de protons par sauts discrets entre sites localisés est applicable. La loi σ′(ω) ∼ Aωs est vérifiée. L'évolution du paramètre s en fonction de la pression de vapeur d'eau permet de déterminer le mécanisme d'établissement de la monocouche d'eau sur le solide. La permittivité réelle décroît avec la fréquence. C'est une fonction croissante de la pression de vapeur d'eau. Un calcul simple permet de retrouver la loi expérimentale relative à la permittivité ɛ′ ∼ exp(K√P).

La rareté des ressources en eau dans de nombreuses régions du monde, accentuée dans le contexte actuel de réchauffement climatique, encourage la recherche de solutions alternatives pour assurer l’alimentation en eau des populations. L’exploitation de l’eau atmosphérique apparaît désormais comme une option réaliste. Il s’agit essentiellement d’assurer la condensation de la vapeur d’eau, soit de manière passive dans des collecteurs de rosée, soit de manière active au moyen de dispositifs assez largement comparables à des climatiseurs. La collecte de rosée est à considérer comme une solution d’appoint, dont la productivité demeure limitée, mais économiquement viable et susceptible de répondre aux besoins des populations les plus défavorisées. Pour une production d’eau à plus grande échelle, les condenseurs de vapeur d’eau atmosphérique sont proposés, dont l’utilisation n’est possible que dans la mesure où le taux d’hygrométrie de l’air est suffisant. De nombreux développements existent pour ces équipements, avec des applications militaires qui intéressent le ministère de la Défense. Leur pertinence est à étudier au cas par cas, en fonction de la climatologie et de l’hydrologie du site pour lequel ils sont destinés.

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

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

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

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 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 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.

La vapeur d'eau atmosphérique est une ressource en eau sous exploitée. Les matériaux à forte émissivité infrarouge (rayonnement thermique) sont utilisés en climatisation passive de jour. De nuit, ils se refroidissent et sont une technologie bon marché, robuste et efficace pour condenser cette ressource renouvelable avec des rendements mesurés supérieurs à 0,6 L m-2 par nuit. L'enjeu de ces travaux de recherches était d'avancer la compréhension de ces systèmes, de mettre au point les outils et de développer les techniques permettant la réalisation de condenseurs de grandes dimensions.
Des matériaux (films polymères et peintures) originaux et innovants ont été développés pour ces applications : ils conjuguent une grande émissivité IR et un état de surface optimisé pour un coût inférieur à 1 € m-². Des simulations numériques CFD (Phoenics) ont été programmées dans le but d'optimiser la mise en œuvre des condenseurs de rosée sur des systèmes réels complexes et de grande superficie. De nouvelles méthodes d'estimation (mesure de volume ou estimation indirecte) de la ressource potentielle en eau de rosée sont discutées en fonction de l'influence des paramètres météorologiques pour les îles de Biševo (Croatie), Tahiti et Tikehau (P. Française) et les sites de Panandhro et Yellagiri Hills (Inde).
Enfin, deux systèmes réels novateurs ont été réalisés : une toiture pérenne de démonstration de
15,1 m² installée à Biševo (rendements moyens de 0,181 mm pour un maximum de 0,526 mm). Le second est la première usine à rosée, réalisée avec l'IIMA, dans l'état du Gujarat (Inde). La surface actuelle est de 850 m² et sera étendue à 15 000 m² pour produire jusqu'à 5 m3 d'eau pure par nuit.

Ce travail porte sur la détermination de la structure tridimensionnelle de la vapeur d'eau atmosphérique a partir des données satellitales et de l'analyse de sa variabilité. Une première partie du travail consiste a l'amélioration de la qualité de l'interprétation de radiances mesurées par satellite, en mettant au point une méthode nouvelle, après avoir constaté l'incapacité des méthodes antérieures a donner des résultats satisfaisants. Les données du contenu de l'atmosphère en vapeur d'eau obtenues sont validées par comparaison avec d'autres moyens de mesure. Ces résultats permettent d'établir une climatologie pertinente de la structure verticale de la vapeur d'eau de l'atmosphère, sur une période d'environ trente mois. L'ensemble des données validées est utilisé pour aborder une première analyse globale de la distribution verticale du contenu en vapeur d'eau. Un indicateur de la dynamique verticale est circonscris. Il permet l'étude des influences relatives de la dynamique verticale et de la température de surface sur la distribution verticale de la vapeur d'eau

Le travail présenté dans ce mémoire concerne le cadre global de la connaissance de notre atmosphère. L'exploitation des spectres atmosphériques requiert une bonne connaissance des paramètres de raies des molécules qui la composent. En particulier de la vapeur qui en est l'absorbant principal. Des spectres ont été enregistrés avec le spectromètre par transformation de Fourier construit au laboratoire et ceux ci ont été traités en ajustement multi-spectres avec le logiciel MultiFiT. Ce travail se focalise sur la mesure précise des intensités de raie dans deux régions spectrales. A 10 µm, région d'intérêt atmosphérique pour l'instrument IASI, deux études sur les intensités sont présentées. Pour l'isotopologue principal de 1200 à 1400 cm-1, 300 transitions ont pu être mesurées et comparées aux données de la littérature. Le but de ce travail était de déterminer la meilleure base de données pour l'exploitation des spectres IASI. De 1000 à 2300 cm-1, les isotopologues H218O et HD18O ont été étudié à partir de spectres enrichis en 18O. Ce travail a permis de mesurer et d'attribuer un ensemble de 2500 transitions. Enfin ce mémoire propose une révision complète des intensités de la région 1.25µm, qui présentent un important problème dans les bases de données. 39 spectres ont été enregistrés pour cette région avec des échantillons d'eau naturelle. Plus de 11000 transitions ont pu être mesurées et sont comparées aux données de la littérature. Une partie de ces intensités, publiées en 2010, a été exploité par L. Tallis de l'université de Reading. Enfin ce mémoire présente le début d'une exploitation des coefficients d'élargissement obtenus dans la région de 1.25µm
The work presented in this manuscript concern the knowledge of our atmosphere. In fact, the analysis of atmospheric spectra needs a good understanding of atmospheric molecular species. In particular the water vapor plays a special role as the first absorbent of earth's atmosphere. Spectra were recorded by Fourier transform spectrometer designed in the laboratory and lines parameters fitted with multi-spectra procedure named MultiFiT. The spectroscopic studies focus on lines intensity measurements for two different spectral ranges. The first presented is 10 µm, were two studies have been done. For the H216O isotopologue in the 1200 – 1400 cm-1 range, 300 transitions were measured and compared with literature data. The aim of this work was to determine the best spectroscopic database for IASI recording analysis. In 1000 to 2300 cm-1, H218O and HD18O isotopologue were measured with enriched 18O spectra. Over 2500 transitions were measured and assigned. Also this manuscript presents a huge work done in the 1.25µm region. This range appears in database with an important discrepancy for line intensities. 39 spectra were recorded with water vapor sample in natural abundance. Over 11000 transitions were measured and assigned, comparison to literature data are also presented. A part of this work were published in 2010 and used by L.Tallis, form University of Reading, for atmospheric application. At the end of this manuscript is presented the first comparisons with calculated data done for self broadening coefficients in the 1.25µm region