Activités liées à l'étude du Cycle de l'eau atmosphérique dans l'équipe SPACE

La composante Cycle de l'Eau de l'équipe SPACE s'intéresse à la caractérisation des trois états de l'eau dans l'atmosphère: la vapeur d'eau, les nuages liquides et glacés et les précipitations liquides et glacées.

Image d'un cumulonimbus pour illustrer de façon simplifiée le cycle de l'eau atmosphérique au-dessus de l'océan.

Distribution de l’eau atmosphérique (H. Brogniez)

Thèses en cours: T. Lefebvre

CDD en cours: I. Gharbi

La vapeur d’eau a des propriétés radiatives exceptionnelles, absorbant le rayonnement du proche infrarouge jusqu’à la micro-onde, et est conduite par de fortes contraintes thermodynamiques, par le biais de lois bien établies de la physique. C’est pourquoi l’importance radiative de l’eau atmosphérique dans le maintien du bilan d’énergie thermique du système terrestre n’est pas contestée : le lien entre la température, la vapeur d’eau et le rayonnement infrarouge crée une rétroaction positive qui réchauffe encore plus le climat mondial par un forçage externe. Des théories plus ou moins complexes ont été développées pour fournir des cadres analytiques permettant de décrire la distribution de l'humidité relative tropicale, mais les interactions entre environnement et nuages ​​sont nombreuses, de même que les processus impliqués dans ces interactions.

Nous utilisons principalement les observations obtenues par satellite de la vapeur d’eau (METEOSAT, Megha-Tropiques) couplés aux observations de la couverture nuageuse (ISCCP, CloudSat& CALIPSO) afin de caractériser les éléments de la variabilité des processus, principalement dans les régions tropicales : évolution diurne, distribution régionale et influence des cellules de circulation, rôle des types nuageux…

Nuages (M . Chiriaco, J. Delanoë)

Thèses en cours: C. Aubry

Thèse soutenue en 2022: P. Vishwakarma (manuscrit)

Post-Doc en cours: S. Jorquera

Les nuages jouent un rôle essentiel sur le bilan radiatif de la Terre. Ils pouvent, selon les cas, amplifier l'effet de serre ou l'effet parasol. Ces effets vont dépendre fortement de leurs caractéristiques microphysiques et macrophysiques: épaisseur, nature liquide ou glacée, altitude. Il convient donc d'étudier ces propriétés micro- et macrophysiques mais également de les confronter à leur représentation dans les modèles de nuage et de climat.

Les méthodes mises en œuvres pour réaliser ces études sont essentiellement liées à la télédétection actives. L'équipe SPACE, avec l'appui des équipes techniques du LATMOS, conçoit, développe, déploie et exploite des instruments sol (BASTA, RASTA), aéroportés (RASTA, RALI) ou spatiaux (CloudSat, EarthCare, WIVERN/DYCECT, ACCP).

 Précipitations (S. Bastin, L. Barthès, A. Chazottes, C. Mallet, A. Martini, N. Viltard)

Thèses en cours: V. Sambath

Thèse soutenue en 2022: S. Derouiche

Enfin, les précipitations représentent la fin du cycle de l'eau quand celle-ci redescend vers la surface. Elles sont donc affectées par l'essemble des incertitudes qui existent sur la vapeur d'eau et sur les nuages. Comme les nuages, elles présentent un fort caractère d'intermittence spatio-temporelle qui rend leur mesure difficile. L'équipe SPACE s'intéresse aux propriétés macro- et microphysiques des précipitations.

Avec le soutien des équipes techniques du laboratoire, nous concevons, développons, déployons et exploitons des instruments sol (ROXI) ou spatiaux (Megha-Tropiques, WIVERN/DYCECT).

Depuis quelques années nous avons fortement investit dans les méthodes d'apprentissage profond pour les problèmes d'inversion des données radiométriques pour restituer la pluie ainsi que sur les problèmes de généralisation/adapatation de domaine pour que les réseaux entrainés soient utilisables sur des familles de capteurs.

Modélisation statistique et traitement d'images (L. Barthès, A. Chazottes, E. Huot, C. Mallet)

Thèse en cours (CIFRE NOVIMET/BOWEN): B. Guigal

Thèse soutenue en 2021: P. Lepetit (manuscrit)

L’équipe développe des outils originaux d’analyse et de modélisation statistique des données : simulateurs multifractals de la pluie, réseaux profonds pour l'inférence et la classification, fusion d’observations par assimilation 4D-var, mesures de dissimilarité itérative multi-échelle entre séries chronologiques de précipitation, méthodes d'apprentissage profond (deep-learning) pour le traitement d'images radar ou pour la caractérisation de la neige en plaine à partir d'images géolocalisées. L’équipe participe à la formation par la recherche des étudiants du Master TRIED par le biais de projets de recherche et de stages dédiés à l’application de l’IA aux problématiques du cycle de l’eau.

Activités de l'équipe liées à la caractérisation physique des surfaces naturelles

Ce thème se situe dans l’étude interdisciplinaire d’un milieu naturel, l’océan ou le sol. La surface de la mer est un lieu d’échange d’énergie, de quantité de mouvement et de matière entre l’atmosphère et l’océan. Ces échanges influent de manière importante sur les premières couches de l’océan et de l’atmosphère (couche mélangée océanique et couche limite atmosphérique), et plus généralement sur le système couplé océan/atmosphère et donc le système climatique. Le sol est situé à l’interface entre l’atmosphère et la pédosphère, et joue à ce titre, un rôle important dans les processus géomorphologiques et hydrogéologiques. L’état de la surface du sol sous-tend les interactions sol-eau telles que l’érosion, la déposition et l’infiltration. En retour, beaucoup de phénomènes interviennent à l’échelle du mètre carré et altèrent la morphologie de la surface.

Etude de l’interface océan/atmosphère (D. Hauser)

La composante surfaces naturelles de SPACE s’intéresse depuis de nombreuses années aux échanges océan/atmosphère à l’interface, avec un focus ces dernières années sur les processus liés aux vagues à la surface de l’océan : génération, évolution, impact sur le système couplé océan/atmosphère.

Le contexte programmatique est celui lié à la mission spatiale franco-chinoise CFOSAT (lancée le 29/10/2018) dont l’un des deux instruments, le radar SWIM, a été proposé par le LATMOS selon un concept de mesure de spectres directionnels des vagues, mis en œuvre depuis de nombreuses années avec des radar aéroportés (radars RESSAC, STORM, KuROS) développés au laboratoire.

Etude de l’état de surface d’un sol à petite échelle (E. Vannier, R. Dusséaux)

Les surfaces agricoles sont considérées comme des surfaces complexes dues à la superposition d’une structure de petite échelle quasi aléatoire (l'agencement des mottes) et d'une surface quasi déterministe de plus grande échelle (les sillons). L'équipe s’intéresse au suivi des surfaces agricoles par télédétection et au cycle de l’eau. A cette fin, il est nécessaire de modéliser finement la rugosité de surface du sol et de pouvoir générer des surfaces réalistes, de façon, notamment, à opérer des simulations électromagnétiques.