Remote sensing of water vapour content above and around convective clouds
Télédétection du contenu en vapeur d'eau au-dessus et autour de nuages convectifs
Résumé
Despite significant advances in atmospheric physics research over the past few decades, many uncertainties persist regarding our understanding of climate change. Current knowledge indicates that clouds play a major role in these uncertainties due to complex interactions involving aerosols, water vapor, clouds, global atmospheric circulation, convection, and precipitation. Water vapor plays a crucial role in clouds formation and development, especially those resulting from convective phenomena that redistribute water vapor in the atmosphere through exchanges between clouds and their immediate environment. Therefore, a better understanding of water vapor content above and around clouds is necessary to improve our comprehension of interactions between water vapor and clouds and to help the scientific community better constrain LES models and numerical weather forecasting models. Our research is part of the C³IEL space mission, which aims to enhance our knowledge of the 3D envelope of convective clouds, their horizontal and vertical development velocities, the water vapor content above and around clouds, and the electrical activity associated with these convective systems. The focus of this thesis concerns the retrieval of integrated water vapor content in the presence of clouds from satellite observations. This retrieval was achieved through a Bayesian probabilistic approach: the optimal estimation method. So far, few studies have explicitly demonstrated the feasibility of such inversion under cloudy atmosphere because of the complexity related to the penetration and scattering of radiation within the cloud. This increases the number of parameters involved in the relationship between radiance and water vapor content.Radiative transfer simulations were conducted in the three SWIR spectral bands defined for the study of water vapor content in the context of the C³IEL mission. The atmosphere was assumed to be composed of homogeneous plan-parallel layers, and synthetic radiance datasets were generated for testing the retrieval algorithm developed in this thesis. The feasibility of retrieving integrated water vapor content above a cloud and over the ocean from SWIR radiances was shown with a precision of approximately 1 kg/m² for optically dense clouds. However, the precision of this retrieval decreases as the cloud optical thickness decreases. Tests were then realized with realistic water vapor and cloud extinction profiles that present non-homogeneous cloudy vertical profiles. This shows that integrated water vapor content above liquid water clouds could be retrieved with a positive bias related to cloud penetration of approximately 2.18 kg/m². This value is of the same order of magnitude than those obtained in previous work under clear-sky conditions. In the presence of convective clouds containing both liquid and ice water, characterized by a significant vertical extension and thus a high top altitude, very high optical thickness and very low water vapor content, the retrieval algorithm does not succeed to provide a valid retrieval. Suggestions are therefore proposed to improve water vapor content retrievals in realistic cases and define the retrievable limit for water vapor content.
Malgré les avancées significatives dans la recherche en physique de l'atmosphère au cours des dernières décennies, de nombreuses incertitudes subsistent concernant notre compréhension du changement climatique. Les connaissances actuelles indiquent que les nuages jouent un rôle majeur dans ces incertitudes, en raison des interactions complexes impliquant les aérosols, la vapeur d'eau, les nuages, la circulation atmosphérique globale, la convection et les précipitations. La vapeur d'eau joue un rôle essentiel dans la formation et le développement des nuages, en particulier ceux issus de phénomènes convectifs qui, eux-mêmes, redistribuent la vapeur d'eau dans l'atmosphère par le biais d'échanges entre les nuages et leur environnement proche. Par conséquent, une compréhension plus approfondie de la teneur en vapeur d'eau au-dessus et autour des nuages est nécessaire pour améliorer notre compréhension des interactions entre la vapeur d'eau et les nuages, et aider la communauté scientifique à mieux contraindre les modèles de type LES et les modèles numériques de prévisions du temps. Notre recherche s'inscrit dans le cadre de la mission spatiale C³IEL, dont l'objectif est d'améliorer nos connaissances sur l'enveloppe 3D des nuages convectifs, leurs vitesses de développement horizontale et verticale, le contenu en vapeur au-dessus et autour, ainsi que l'activité électrique associée à ces systèmes convectifs. Au cours de cette thèse, notre attention s'est portée sur l'obtention du contenu intégré en vapeur d'eau en présence de nuages à partir d'observation satellite. La restitution de cette quantité a été effectuée grâce à une approche probabiliste Bayésienne : la méthode d'estimation optimale. Jusqu'à présent, peu d'études ont explicitement démontré la faisabilité d'une telle inversion en cas de ciel nuageux, en raison de la pénétration et diffusion du rayonnement dans le nuage qui augmente le nombre de paramètres intervenant dans la relation entre les luminances et le contenu en vapeur d'eau.Des simulations de transfert radiatif ont été effectuées dans les trois bandes spectrales SWIR défini pour l'étude du contenu en vapeur d'eau dans le contexte de la mission C³IEL, suivant l'hypothèse d'une atmosphère constituée de couches plans-parallèles homogènes afin de générer des jeux de luminances synthétiques pour tester l'algorithme d'inversion développé au cours de cette thèse. L'application de notre algorithme d'inversion en conditions idéalisées a permis de montrer la faisabilité de la restitution du contenu intégré en vapeur d'eau au-dessus du nuage, situé au-dessus de l'océan à partir des luminances dans le SWIR, avec une précision de l'ordre de 1 kg/m² lorsque le nuage est optiquement dense. Cependant, la précision de cette restitution diminue à mesure que l'épaisseur optique du nuage diminue. L'application de l'algorithme sur des profils de vapeur d'eau réalistes, c'est-à-dire présentant des profils verticaux nuageux non homogènes, a montré que le contenu intégré en vapeur d'eau au-dessus de nuages d'eau liquide était restituable avec un biais positif, lié à la pénétration dans la nuage, de l'ordre de 2,18 kg/m², c'est-à-dire du même ordre de grandeur que ceux obtenus dans des travaux antérieurs en conditions de ciel clair. En présence de nuages de convection contenant de l'eau liquide et de la glace, caractérisés par une épaisseur géométrique importante et donc une altitude de sommet élevée, avec une épaisseur optique très élevée et des contenus en vapeur d'eau très faibles, l'algorithme d'inversion que nous avons développé ne permet pas de réaliser une restitution valable. Des pistes d'améliorations sont donc proposées afin d'améliorer les restitutions du contenu en vapeur d'eau dans des cas réalistes et de définir la limite restituable pour le contenu en vapeur d'eau.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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