Tomographie GPS: analyse de la variabilit

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Tomographie GPS analyse de la variabilité
spatio-temporelle de la vapeur deau(1)Etude
des processus responsables de la formation de
cirrus subvisibles dans lUTLS tropicale(2)
Mathieu Reverdy
Principaux collaborateurs Joël Van Baelen,
LaMP, Clermont-Ferrand(1)Andrea Walpersdorf,
LGIT, Grenoble(1)
Vincent Noël, LMD, Palaiseau(2) Hélène Chepfer,
LMD, Palaiseau(2)
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Plan

• Tomographie GPS
• Introduction GPS
• GPS atmosphérique
• Problème inverse
• Campagne COPS
• Cirrus subvisibles
• Cirrus Subvisibles, caractéristiques
• Répartition globale DJF, JJA
• Statistiques DJF, JJA
• Exemples de rétro-trajectoire

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pourquoi étudier la vapeur deau ?
INTRODUCTION

• 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.

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Systèmes existant pour étudier cette grandeur.
INTRODUCTION
Mesures in situ Mise en oeuvre Fréquence Résultats
Radiosondages toutes les 12 heures profil
Radiomètres au sol Continue. Problème avec les nuages. coupe
Lidars Par beau temps profil coupe répartition 3D possible
Système satellite Mise en oeuvre Fréquence Résultats
Radiomètres 2 fois par jour Couverture globale
GPS Tout temps 24h/24 Champ 2D répartition 3D si réseau GPS dense
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GPS ATMOSPHERIQUE

• ZTD retard total au zénith.
• ZTDZHDZWD

Récapitulatif
ZTD Retard total
ZHD Retard hydrostatique
ZWD Retard humide
IWV Vapeur deau intégrée
Humide
Hydrostatique
Très variable Entre 5cm et 40 cm
SIWV Vapeur deau intégrée oblique
2m302m1020cm

• 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

ZTD et ZHD (m)
ZWD (m)
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Le problème inverse
PROBLEME INVERSE

• Données

? Modèle
? Estimation des paramètres

• Minimiser au plus les écarts aux valeurs réelles.
  
• De manière générale
• N mesures dun 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

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PROBLEME INVERSE

• Si donnéesgtinconnues problème surdéterminé
• Si donnéesinconnues problème déterminé
• Si donnéesltinconnues problème
• Partiellement déterminé.
• Ou
• Sous-déterminé.
• Tomographie GPS correspond au cas
  donnéesltinconnues sous-déterminé.

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PROBLEME INVERSE

• Solution du problème inverse via la formule
  suivante méthode des moindres carrés pondérés
  amortis.

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PROBLEME INVERSE
Récapitulatif
ZTD Retard total

• Collecte ou calcul des
• paramètres atmosphériques
• ZTD, ZHD, ZWD.
• IWV et SIWV.
• Définition dun 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 léquation du système
  inverse.

ZHD Retard hydrostatique
ZWD Retard humide
IWV Vapeur deau intégrée
SIWV Vapeur deau intégrée oblique
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Campagne COPS
Campagne COPS

• Convective and Orographically-induced
  Precipitation Study.
• Campagne durant lété 2007. Déploiement de divers
  instruments (radar, GPS, etc) pour étudier des
  phénomènes météorologiques.
• Réseau GPS denviron 50 stations avec un
  espacement denviron 50 km.
• Localisation intéressante pour connaître
  lévolution de la vapeur deau dans la vallée du
  Rhin et pour comprendre les mécanismes liés aux
  reliefs.

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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 ?
INTRODUCTION

• 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

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Cirrus subvisible, caractéristiques
Première étape trouver les cirrus subvisibles à
partir des observations CALIOP (4 années dispo
06gt09) Filtrage des données par
caractéristique Latitude comprise entre -30
et 30 Attenuated total backscatter (atb)
inférieur à 1.2x10-3 (gtEpaisseur optique lt
0.03) Vérification des cirrus trouvés en
utilisant la température et laltitude
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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 06/07 705 dans lhémis. Nord 1187
dans lhémis. Sud 1095 à lEst 797 à lOuest
Pour JJA 06 609 dans lhémis. Nord 169 dans
lhémis. Sud 477 à lEst 301 à lOuest
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.
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Statistiques DJF, JJA
Décembre, janvier, février
Juin, juillet, août
Température des cirrus plus froid en DJF -75C,
-80C en DJF contre -65C, -70C 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
JJA Ils semblent rester dans la ceinture
tropicale (/- 30)
Rétro-trajectoires Traversent des systèmes
convectifs ? Proviennent de lHimalaya
? Restent dans la ceinture tropicale gt NAT
(Nitric acid trihydrate)