1 tomographie gps: analyse de la variabilité spatio-temporelle de la vapeur deau (1) & etude...
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Tomographie GPS: analyse de la variabilité spatio-temporelle de la vapeur d’eau(1)
&Etude des processus responsables de la
formation de cirrus subvisibles dans l’UTLS tropicale(2)
Principaux collaborateurs:
Joël Van Baelen, LaMP, Clermont-Ferrand(1)
Andrea Walpersdorf, LGIT, Grenoble(1)
Mathieu Reverdy
Vincent Noël, LMD, Palaiseau(2)
Hélène Chepfer, LMD, Palaiseau(2)
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Plan
Tomographie GPS
Introduction GPSGPS atmosphériqueProblème inverseCampagne COPS
Cirrus subvisibles
Cirrus Subvisibles, caractéristiquesRépartition globale DJF, JJAStatistiques DJF, JJAExemples de rétro-trajectoire
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pourquoi étudier la vapeur d’eau ?
• Problématique des pluies intenses dans les Cévennes.• Elle joue un rôle important dans la plupart des processus
météorologiques:
– Formation et entretien de la convection.– Déclenchement des précipitations.
• Grande variabilité tant spatiale que temporelle.
• Paramètre physique difficile à étudier.
INTRODUCTION
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Systèmes existant pour étudier cette grandeur.
Mesures in situ Mise en oeuvre Fréquence Résultats
Radiosondages ++ toutes les 12 heures
profil
GPS + Tout temps
24h/24
Champ 2D
répartition 3D si réseau GPS dense
Radiomètres au sol
+++ Continue. Problème avec les nuages.
coupe
INTRODUCTION
Lidars ++++ Par beau temps
profil + coupe + répartition 3D possible
Système satellite Mise en oeuvre Fréquence Résultats
Radiomètres ++ 2 fois par jour Couverture globale
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• ZTD: retard total au zénith.
• ZTD=ZHD+ZWD
GPS ATMOSPHERIQUE
• Conversion du ZWD en IWV
• Projection sur la ligne de vue des satellites pour obtenir les SIWV
• Les SIWV vont être inversés dans le cadre de la tomographie
Hydrostatique
~2m30=2m10+20cm
HumideTrès variable:Entre 5cm et 40 cm
ZTD Retard total
ZHD Retard hydrostatique
ZWD Retard humide
IWV Vapeur d’eau intégrée
SIWV Vapeur d’eau intégrée oblique
Récapitulatif
Troposphère
Troposphère
Troposphère
ZTD et ZHD (m) ZWD (m)
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Le problème inverse
• Minimiser au plus les écarts aux valeurs réelles.
• De manière générale :– N mesures d’un paramètre (données d).– M mesures à estimer (inconnues m).
• Postulat : il existe un lien entre les inconnues et les données appelé modèle et noté G.
• Forme la plus simple d = G * m
PROBLEME INVERSE
• Données→ Modèle → Estimation des paramètres
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• Si données>inconnues : problème surdéterminé • Si données=inconnues : problème déterminé• Si données<inconnues : problème :
– Partiellement déterminé.
Ou
– Sous-déterminé.
• Tomographie GPS correspond au cas données<inconnues sous-déterminé.
PROBLEME INVERSE
Sous-systèmeindéterminé
Sous-systèmesurdéterminé
Système global
Système global sous-déterminé
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• Solution du problème inverse via la formule suivante : méthode des moindres carrés pondérés amortis.
0
112110 mGdWGWGGWmm e
tm
tm
PROBLEME INVERSE
: facteur de pondération.
m : solution recherchée.m0 : valeurs initiales.Wm et We : matrice de pondération.G : modèle → matrice de répartition des données.d : données → SIWV contenu en vapeur d’eau intégrée oblique.
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• Collecte ou calcul des paramètres atmosphériques:– ZTD, ZHD, ZWD. – IWV et SIWV.
• Définition d’un volume au-dessus du réseau GPS découpé en éléments de volume : les voxels.
• Répartition des SIWV (données) dans chaque voxel pour former le modèle G.
• Estimation des matrices de pondération et autres paramètres relatifs à l’équation du système inverse.
PROBLEME INVERSE
ZTD Retard total
ZHD Retard hydrostatique
ZWD Retard humide
IWV Vapeur d’eau intégrée
SIWV Vapeur d’eau intégrée oblique
Récapitulatif
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Campagne COPS• Convective and Orographically-induced Precipitation Study.• Campagne durant l’été 2007. Déploiement de divers instruments (radar, GPS, etc…) pour étudier des phénomènes
météorologiques. • Réseau GPS d’environ 50 stations avec un espacement d’environ 50 km.• Localisation intéressante pour connaître l’évolution de la vapeur d’eau dans la vallée du Rhin et pour comprendre les
mécanismes liés aux reliefs.
Campagne COPS
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Campagne COPS, 12/13 août 2007
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Campagne COPS, 12/13 août 2007
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pourquoi étudier les cirrus subvisibles ?
• Quantité significative de nuages de glace ultrafins (subvisible) dans la tropopause tropicale.
• Conditions nécessaire à leurs formations sont mal comprises.
– Observation par lidar CALIOP– Rétro-trajectoires– Couplage avec des modèles– …
INTRODUCTION
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Cirrus subvisible, caractéristiques
Première étape : trouver les cirrus subvisibles à partir des observations CALIOP (4 années dispo 06=>09)
Filtrage des données par caractéristique :Latitude comprise entre -30° et 30°Attenuated total backscatter (atb) inférieur à 1.2x10-3
(=>Epaisseur optique < ~0.03)
Vérification des cirrus trouvés en utilisant la température et l’altitude
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Cirrus subvisible, caractéristiques
Deuxième étape : Filtrer les données pour ne conserver que les cirrus importants
Collection de cirrus subvisibles de 100 km minimum (latitude).
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Répartition Globale DJF, JJA
Décembre, janvier, février Juin, juillet, août
Pour DJF 2006/2007, environ 1900 cirrus subvisibles de plus de 100 km ont été répertoriés.
Majoritairement situés en Amérique Centrale, Afrique, ceinture Asiatique et sur le Pacifique.
Pour JJA 2006, environ 800 cirrus subvisibles de plus de 100 km ont été répertoriés.
Pas de zones clairement définies. (A confirmer en Afrique et sur le Pacifique.
Pour DJF 06/07 :705 dans l’hémis. Nord1187 dans l’hémis. Sud
1095 à l’Est797 à l’Ouest
Pour JJA 06 :609 dans l’hémis. Nord169 dans l’hémis. Sud
477 à l’Est301 à l’Ouest
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Statistiques DJF, JJA
Décembre, janvier, février Juin, juillet, août
Température des cirrus plus froid en DJF:-75°C, -80°C en DJF contre -65°C, -70°C en JJA
Epaisseur optique plus faible en DJF:0.2 à 0.3 (x10-3) en DJF contre 0.3 à 0.4 (x10-3) en JJA
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Exemple rétro-trajectoire
Calcul sur 15 jours pour 2 cirrus en DJF et 1 en JJAIls semblent rester dans la ceinture tropicale (+/- 30°)
Rétro-trajectoires : Traversent des systèmes convectifs ?Proviennent de l’Himalaya ?Restent dans la ceinture tropicale => NAT (Nitric acid trihydrate)