fichier pdf - Laboratoire d`Optique Atmosphérique

N° d’ordre : 3688
THESE
Présentée à
L’université de sciences et technologie de Lille
Pour obtenir le grade de :
Docteur de l’université
Spécialité :
Lasers, Molécules et Rayonnement Atmosphérique
Par
Bertrand OVIGNEUR
Description des propriétés macrophysiques et
microphysiques des nuages par télédétection
active et passive – Application à la campagne
aéroportée FRENCH/DIRAC
Soutenue le 15 décembre 2005
M. Bernard GUILLEMET MdC, LaMP, Université B. Pascal Rapporteur
M. Jacques PELON DR, SA, Université P. et M. Curie Rapporteur
M. Laurent C.-LABONNOTE MdC, LOA, USTL Examinateur
Mme. Claudia STUBENRAUCH DR, LMD, Ecole polytechnique Examinatrice
M. Frédéric PAROL Pr, LOA, USTL Directeur de thèse
M. Gérard BROGNIEZ Pr, LOA, USTL Co-directeur de thèse
M. Yvonick HURTAUD Ing, DGA Membre invité
Laboratoire d’Optique Atmosphérique
UFR de Physique
Ecole doctorale Sciences de la Matière, du Rayonnement et de l'Environnement
Université de Sciences et Technologies de Lille

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Résumé
Les nuages sont l’une des principales sources d’incertitude de la prévision du climat
futur de la Terre. L’étude présentée vise à développer des méthodes affinant la description
tant macrophysique que microphysique des nuages à partir de mesures aéroportées. Ces
méthodes peuvent être à terme appliquées à des mesures spatiales du type de celles du train de
l’espace, l’A-train. A cet effet, les mesures de deux radiomètres (POLDER et MiniMIR) et
d’un lidar (LEANDRE) acquises pendant la campagne aéroportée FRENCH/DIRAC sont
exploitées.
Une méthode d’absorption différentielle est développée et utilisée pour corriger les
mesures des deux radiomètres POLDER et MiniMIR de l’absorption par les gaz
atmosphériques. POLDER, avec son large champ de vue, effectue une mesure radiométrique
multidirectionnelle. La luminance multidirectionnelle d’une scène nuageuse est obtenue en la
suivant sur plusieurs acquisitions successives de l’instrument.
POLDER et LEANDRE permettent une évaluation de l’altitude des nuages. Le lidar
fournit l’information la plus précise et peut permettre de discriminer les sommets et les bases
de plusieurs couches nuageuses. Par des méthodes stéréoscopiques ou basées sur l’absorption
par le dioxygène, POLDER fournit une information sur l’altitude des nuages. Celle-ci est
moins précise mais présente l’avantage de rendre compte du large champ spatial couvert par
l’instrument.
Les mesures polarisées de POLDER ou de LEANDRE permettent une estimation de la
phase thermodynamique des nuages, mais par commodité, une méthode simple basée sur le
rapport des luminances mesurées dans le visible et le moyen infrarouge par MiniMIR est
développée et privilégiée dans cette étude.
Finalement, une méthode d’estimation optimale est développée et mise en œuvre pour
déterminer l’épaisseur optique des nuages et la dimension des particules qui les constituent à
partir de mesures passives dans le visible et dans le moyen infrarouge. Comparée aux
méthodes précédemment développées au laboratoire, cette méthode permet d’obtenir des
précisions similaires sur les paramètres nuageux déterminés. Toutefois, elle offre l’avantage
d’exploiter naturellement les mesures multidirectionnelles de POLDER ainsi que d’autres
informations ou données auxiliaires. De part sa modularité, cette méthode pourrait permettre
d’exploiter en synergie les mesures de l’A-train.

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Description of the macrophysical and microphysical
properties of clouds through active and passive remote
sensing – Application to the FRENCH/DIRAC airborne
campaign
Abstract
Clouds are one of the largest uncertainties in climate forcing assessments. This study
aims to develop methods to improve the macrophysical and microphysical cloud description.
These methods could use spatial measurements like the ones provided by the A-Train. For
that purpose, measurements from two radiometers (POLDER and MiniMIR) and a lidar
(LEANDRE) acquired during the FRENCH/DIRAC airborne campaign are processed and
analysed.
A differential absorption method is developed and used to correct the measurements of
the two radiometers POLDER and MiniMIR for absorption by the atmospheric gases.
POLDER, with its large field of view, provides multidirectional radiometric measurements.
The multidirectional radiance of a cloudy scene is obtained by following this scene on several
successive instrument acquisitions.
Both POLDER and LEANDRE allow the evaluation of the clouds altitude. The
highest accurate information is provided by the lidar which permits additionally to find cloud
top and bottom level on several layers. Through stereoscopy or molecular oxygen absorption,
POLDER provides information on cloud altitude. This last one is less accurate but has the
advantage of using the instrument’s large spatial field.
POLDER’s or LEANDRE’s polarised measurements can be used to estimate the cloud
thermodynamic phase, however in this study, we focus on the ratio between radiances
measured by MiniMIR in the visible and in the middle infrared.
Finally, an optimal estimation method is developed and used to determine the cloud
optical thickness and the particle size of these clouds through passive measurements in the
visible and in the middle infrared. In terms of accuracy, this method is in good agreement
with the ones previously developed in the lab. In addition, the optimal estimation method
allows the exploitation of POLDER’s multidirectional measurements and of some other
information or data.
Compare to methods afore developed in the laboratory, this method give the same accuracy.
However, it permits to naturally exploited POLDER’s multidirectional measurements and
some other information or data. Through its modularity, this method could permit the
processing of the A-Train’s measurements.

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Remerciements
Ce manuscrit conclut trois ans (et quelques mois) de travail, je tiens en ces quelques
lignes à exprimer ma reconnaissance à tous ceux qui de près ou de loin y ont contribué.
J’exprime en premier lieu ma gratitude à Frédéric Parol. Pour cette direction de thèse,
il a encadré ce travail, m’a guidé et fait confiance en me laissant une grande liberté d’action.
En tant que co-directeur de thèse, je remercie également Gérard Brogniez, en particulier pour
son “coaching” de fin de thèse.
Je remercie la Délégation Générale pour l’Armement qui a financé cette étude ainsi
que mon interlocuteur en son sein Yvonick Hurtaud.
Pour avoir accepté de rapporter ce travail bien que les délais soient tendus, j’assure ma
reconnaissance à Bernard Guillemet et Jacques Pelon. Ce dernier a joué le rôle de président de
jury et aurait par ailleurs déjà gagné sa place dans ces lignes pour la mise à disposition et la
hotline des données LEANDRE. Que soient remerciés les autres jurés Claudia Strubenrauch
et Laurent C.-Labonnote. Outre ce rôle académique, ce dernier m’aura particulièrement aidé
en répondant à nombre de mes questions relatives au code IHM ou à la mise en œuvre d’une
méthode d’estimation optimale.
Nombreux sont ceux à avoir au fil de ma thèse apporté leur contribution scientifique
voire leurs secours. Je tiens ainsi à remercier Philippe François qui a géré la base de données
aéroportées et qui a accordé ainsi qu’Anne-Claire Anselme bien du temps pour rechercher les
divers problèmes rencontrés lors de la prise en main des données POLDER. Relativement à la
simulation du rayonnement diffusé je remercie Bernard Bonnel et Lucile Duforet. Sans quitter
le littoral, je remercie Philippe Dubuisson pour les informations relatives au calcul de
l’absorption gazeuse. Les simulations exploitent les propriétés optiques de particules de glace
aussi je remercie Anthony Baran qui a accepté de communiquer celles des bullet-rosettes.
Concernant le lidar, je suis reconnaissant à Cyrille Flamant de m’avoir entretenu de
l’exploitation de ses mesures. Une estimation rapide de la phase a été un point clef de cette
étude aussi, que Jérôme Riédi soit remercié des informations distillées en ce sens. En fin de
documents, les résultats sont comparés à leurs homologues émanant de mesures in-situ, or
ceux-ci n’ont été possibles que par la participation d’Olivier Jourdan. A croire que tout ceci
ne faisait que froler la perfection, ils ont été plusieurs à bien vouloir relire ce document.
Aussi, en complement d’autres déjà sus-nommés, je remercie Celine Cornet. D’autres ont ici
été omis, je m’en désole mais ne les remercie pas moins.