Etude du couplage radar-lidar sur plates-formes spatiales et aeroportees. Application a l'etude des nuages, des aerosols et de leurs interactions - Université Pierre et Marie Curie Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

Study of the airborne and spaceborne radar and lidar coupled platforms and applications to aerosols, clouds and aerosol-cloud interactions characterisation

Etude du couplage radar-lidar sur plates-formes spatiales et aeroportees. Application a l'etude des nuages, des aerosols et de leurs interactions

Damien Josset
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 890514

Résumé

The aerosol and cloud effect on climate is the main uncertainty on global warming prediction through their influence on the solar radiative forcing and their interactions. Using simultaneous lidar, radar and radiometry measurements is one of the path explored by the scientic community to reduce this uncertainty. It is the reason for the development of new instruments onboard the A-Train platforms and the associated development of operational algorithms. Those algorithms possess some intrisic limitation which lead us to revisit the data analysis procedure of the A-Train spaceborne platform (CALIPSO, CLOUDSAT) and to develop our own algorithms through the analysis of sea surface echo, and to identify theoretical multi-wavelength oceanic surface model with self-consistent scattering properties observed by different instruments. Using this model and the observations of the micro-wave radiometer AMSR-E, allowed to improve the calibration procedure of both lidar and radar instruments with the identication of a systematic and high signal to noise ratio calibration reference. This calibration increases the accuracy of physical parameters retrieved on the research operational products and give access to a higher number of derived products. Using the sea surface reference provided by the active (radar) and passive (radiometer) microwave sensors also allows to measure the aerosol optical thickness at the lidar wavelength. This measurement does not use any assumptions on the scatterers microphysical properties, is usable day and night, offers the highest available signal to noise ratio and allows a good aerosol-cloud discrimination with the lidar multispectral vertical information. The comparison with MODIS shows a good statistical agreement. The new methodologies developped for the A-Train offer a complete tool to analyse both vertical structure of aerosols and clouds as well as the aerosol optical thickness over the ocean and liquid water clouds. This opens a new way for aerosol direct radiative forcing quantication, which is out of range of present radiometric measurements. The preliminary studies we conducted confirm the signicant positive radiative forcing on the Gulf of Guinea area in presence of the biomass burning aerosol plumes observed during the AMMA campaign. The negative forcing over the ocean is an order of magnitude lower than the positive forcing over the cloud layers. The positive radiative forcing we observed on the Gulf of Guinea area (between +5 and +10 W/m2 ) is strongly dependent of cloud cover which can be better characterized by the small scale A-Train measurements, and the warming induced by aerosol direct effect must be better parameterized in the climate models. The emission of absorbing aerosols (fire, pollution...) and their long range transport at elevated altitudes when they can stay over clouds, represent a critical burden on the climate system. The present estimation of a global negative forcing of -0. 5 W/m2 to characterize the aerosol radiative effect needs to be carefully examined to the light of this impact.
L'effet des aerosols et des nuages sur le climat, qu'il s'agisse de leur forcage radiatif propre ou de leur interactions constitue actuellement la plus grande incertitude du systeme climatique. L'utilisation couplee de nouveaux moyens d'observations comme le lidar ou le radar avec la radiometrie fait partie des pistes de recherches retenues par la communaute scientique pour reduire ces incertitudes justifiant le developpement et la mise en oeuvre de ces nouveaux instruments sur les plates-formes de l'A-Train et le developpement des algorithmes operationnels associes. Ces algorithmes possedent certaines limitations intrinseques, ce qui nous a amene a la revision des methodes d'analyse standard des donnees issues des plates-formes spatiales de l'A-Train (CALIPSO, CLOUDSAT), au developpement de nos propres algorithmes a travers l'etude de l'echo de surface oceanique, et a l'identication d'un modele theorique de diffusion par la surface compatible avec les observations multispectrales de ces instruments actifs. L'utilisation de ce modele avec les observations actives et celles du radiometre micro-onde AMSR-E a permis d'ameliorer les procedures d'etalonnage absolu du lidar et du radar en offrant une reference systematique possedant un important rapport signal sur bruit. L'amelioration de l'etalonnage de ces instruments permet ensuite d'affiner la precision de la restitution des parametres microphysiques dans les produits operationnels de recherche, et doit donner acces a un plus grand nombre de produits derives. La reference de surface issue des mesures des instruments micro-ondes actifs (radar) et passifs (radiometre) permet ainsi de determiner l'epaisseur optique des aerosols aux longueurs d'onde du lidar. Cette methode de restitution ne fait aucune hypothese sur la microphysique des particules diffusantes, est utilisable de jour et de nuit, possede un rapport signal sur bruit important a grande resolution spatiale et offre la possibilite de discriminer les aerosols et les nuages grace aux mesures multispectrales sur la verticale. Les comparaisons avec les mesures du radiometre MODIS montrent un bon accord statistique. Ces mesures d'epaisseur optique au-dessus de l'ocean et des nuages d'eau liquide ouvrent une nouvelle voie pour quantier le forcage radiatif direct des aerosols en presence de nuage, hors de portee des mesures radiometriques actuelles. Les premieres etudes que nous avons effectuees ont confirme que lors des episodes de feux observes pendant la campagne AMMA, le forcage est fortement positif sur le Golfe de Guinee (entre +5 et +10 W/m2 en moyenne diurne). Le forcage negatif en air non-nuageux au-dessus de l'ocean est inferieur d'un ordre de grandeur au forcage positif du aux aerosols transportes au-dessus des nuages. Le forcage radiatif positif observe sur le Golfe de Guinee est ainsi fortement dependant de la couverture nuageuse et les mesures a petite echelle de l'A-Train permettent de mieux le caracteriser a plus grande echelle. Ainsi, le rechauffement induit par l'effet direct des aerosols sera mieux pris en compte dans les modeles climatiques. L'emission d'aerosols absorbants (feux, pollution...) et leur transport a moyenne et grande echelle en altitude representent un point critique de l'evolution du systeme climatique et des interactions environnement-climat. L'hypothese usuellement admise d'un forcage direct negatif de -0, 5 W/m2 pour caracteriser l'effet radiatif des aerosols demande a etre examinee avec attention en etablissant une meilleure quantication de la contribution des aerosols absorbants (d'origine naturelle ou anthropique) au-dessus des nuages a l'echelle globale.
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Dates et versions

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  • HAL Id : tel-00559472 , version 1

Citer

Damien Josset. Etude du couplage radar-lidar sur plates-formes spatiales et aeroportees. Application a l'etude des nuages, des aerosols et de leurs interactions. Océan, Atmosphère. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2009. Français. ⟨NNT : 2009PA066061⟩. ⟨tel-00559472⟩
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