Dissertations / Theses on the topic 'Atmosphère – Observations par sodar'

L'objectif de cette thèse est d'optimiser les méthodes d'assimilation de données pour l'utilisation des sondeurs infrarouges hyperspectraux. Le travail se concentre sur deux aspects essentiels : la correction de biais et la détection nuageuse. La correction de biais est une étape nécessaire qui consiste à réduire les erreurs systématiques des observations. On présente la correction de biais variationnelle (VarBC) qui est moins sensible à une contamination par les biais du modèle de prévision. Cette propriété est exploitée pour paramétriser de manière objective les biais. La détection nuageuse élimine les observations contaminées par les nuages. On identifie une boucle d'interaction entre la correction de biais et la détection nuageuse. Une nouvelle métrique permet de réduire sensiblement son impact sur l'analyse. Un nouveau schéma de détection des nuages est introduit puis validé pour des observations simulées et réelles. Il ouvre une voie vers l'assimilation des observations nuageuses.

L'objectif de cette thèse est de proposer une méthode d'assimilation des observations des sondeurs infrarouges hyperspectraux en condition nuageuse. Ces observations étaient jusqu'à présent rejetées des modèles d'assimilation en raison de la nature complexe des nuages et de leursprocessus non-linéaires évoluant dans des échelles spatio-temporelles généralement inférieures à celle du modèle. L'émergence des techniques variationnelles ainsi que les améliorations réalisées en matière de modélisation nuageuse et de transfert radiatif ont relancé l'intérêt de la communauté scientifique pour l'assimilation des radiances nuageuses. Ces dernières représentent en effet une large majorité des observations des sondeurs hyperspectraux, et particulièrement dans les zones atmosphériques sensibles. La méthode d'assimilation des radiances nuageuses développée ici utilise l'information combinée des schémas de détection du CEPMMT et de caractérisation du CO2-Slicing. Pour être efficace ce schéma d'assimilation nécessite une bonne concordance des performances de détection et de caractérisation des nuages pour les deux algorithmes. La première partie de ce manuscrit a permis de montrer que les deux algorithmes sont capables de détecter de manière fiable les nuages. La bonne concordance des performances obtenues d'un schéma à l'autre justifie par ailleurs leur utilisation conjointe dans une otique d'assimilation des radiances nuageuses. Le schéma d'assimilation développé dans cette étude permet d'augmenter le volume total des observations assimilées de plus de 10% pour AIRS et de plus de 12% pour IASI, les observations supplémentaires étant majoritairement localisées dans les moyennes et hautes latitudes. La prise en compte de l'effet du nuage dans l'opérateur d'observation conduit par ailleurs à une simulation d'observations plus cohérente avec les observations réelles. Les expériences réalisées avec AIRS montrent un impact positif sur les prévisions sans être significatif pour la température,l'humidité et le vent. L'impact est significativement positif pour le géopotentiel. Les expériences préliminaires réalisées pour le sondeur IASI montrent un impact sur les prévisions plus mitigé. La prise en compte des données infrarouges issues des sondeurs hyperspectraux en condition nuageuse améliore la prévisibilité des évènements intenses pour les 2 cas d'étude traités dans ce manuscrit de thèse (tempête méditerranéenne du 26 septembre 2006 et tempête sur la bordure ouest Atlantique du 24 janvier 2009). L'assimilation opérationnelle de ce type de données pourrait ainsi permettre, entre autres, une meilleure gestion des risques et ainsi une prévention des menaces liées à ce type de situations plus efficace
The main goal of this PhD work is to propose an approach to deal with high-spectral-resolution infrared sounders in cloudy conditions. Untill now, these observations were rejected by the data assimilation system due to the complex nature of clouds and to their non-linear processes evolving into spatiotemporal scales lower than those of the model. The emergence of variational techniques as well as improvements achieved in terms of cloud modelisation and radiative transfer revived the interests of the scientific community for the assimilation of cloudy radiances. Indeed most measurements from high-spectral-resolution infrared sounders, and in particular, in atmospheric sensitive regions, are contaminated by clouds. The approach proposed here to deal with cloudy radiances is based on the combined information from the cloud detection algorithm developped by the ECMWF and the CO2-Slicing cloud characterization algorithm. To be efficient, this scheme thus needs a good correspondance in terms of cloud detection between these two algorithms. The fist part of this study demonstrates that these two algorithms are able to detect clouds efficiently. The good correspondance in performances obtained from both algorithms justify their conjoint use to assimilate cloudy radiances. The assimilation scheme developped in this PhD work enables to increase the total amount of assimilated observations by more than 10% for AIRS and by more than 12% for IASI, additional observations are mainly located at mid to high latitudes. In addition, taking into account the cloud effect into the observation operator leads to model equivalents more consistent with true observations. Experiments performed with the AIRS sounder exhibit a positive but not significant impact on forecasts for the temperature, the humidity and the wind. The impact is significantly positive for the geopotential. Preliminary experiments performed with the IASI sounder exhibit a rather mitigated impact. Taking into account cloudy radiances from high-spectral-resolution infrared sounders improves the predictability of intense event for both study cases treated in this work (a mediterrean storm occuring on the 26th of september 2006 and an atlantic storm on the 24th of january 2009). The operational assimilation of this kind of data will certainly enable, among others, a better risk management et thus a more efficient hazard prevention

L'observation de la Terre est essentielle pour comprendre et surveiller le comportement complexe de notre planète. Les satellites, équipés d'un certain nombre de capteurs sophistiqués, constituent une plateforme clé à cet égard, offrant une opportunité d'observer la Terre à l'échelle globale et de manière continue. Les techniques d'apprentissage automatique (ML) sont utilisées depuis plusieurs décennies, dans la communauté de la télédétection, pour traiter la grande quantité de données générées quotidiennement par les systèmes d'observation de la Terre. La révolution apportée par les nouvelles techniques de Deep Learning (DL) a toutefois ouvert de nouvelles possibilités pour l'exploitation des observations satellitaires. Cette thèse vise à montrer que des techniques de traitement d'images telles que les réseaux neuronaux convolutifs (CNN), à condition qu'elles soient bien maîtrisées, ont le potentiel d'améliorer l'estimation des paramètres atmosphériques et de surface de la Terre. En considérant les observations à l'échelle de l'image plutôt qu'à l'échelle du pixel, les dépendances spatiales peuvent être prises en compte. De telles techniques sont utilisées dans cette thèse pour l'estimation des températures de surface et atmosphériques, ainsi que pour la détection et la classification des nuages à partir des observations de l'Interféromètre Atmosphérique de Sondage dans l'Infrarouge (IASI). IASI, qui est placé à bord des satellites en orbite polaire Metop, est un sondeur hyperspectral collectant des données sur une large gamme de longueurs d'onde dans l'infrarouge. Chacune est adaptée à l'identification des constituants atmosphériques à différents niveaux de l'atmosphère, ou de paramètres de surface. En plus d'améliorer la qualité des restitutions, de telles méthodes d'Intelligence Artificielle (IA) sont capables de traiter des images contenant des données manquantes, de mieux estimer les événements extrêmes (souvent négligés par les techniques statistiques traditionnelles) et d'estimer les incertitudes des restitutions. Cette thèse montre pourquoi les méthodes d'IA, et en particulier les CNN avec convolutions partielles, devraient constituer l'approche privilégiée pour l'exploitation des observations provenant de nouvelles missions satellitaires telles que IASI-NG ou MTG-S IRS
Observing the Earth is vital to comprehend and monitor the complex behaviour of our planet. Satellites, equipped with a number of sophisticated sensors, serve as a key platform for this, offering an opportunity to observe the Earth globally and continuously. Machine Learning (ML) techniques have been used in the remote sensing community for several decades to deal with the vast amount of data generated daily by Earth observation systems. The revolution brought about by novel Deep Learning (DL) techniques has however opened up new possibilities for the exploitation of satellite observations. This research aims to show that image-processing techniques such as Convolutional Neural Networks (CNNs), provided that they are well mastered, have the potential to improve the estimation of the Earth's atmospheric and surface parameters. By looking at the observations at the image scale rather than at the pixel scale, spatial dependencies can be taken into account. Such techniques will be used for the retrieval of surface and atmospheric temperatures, as well as cloud detection and classification from the Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) observations. IASI, onboard the polar orbiting satellites Metop, is a hyperspectral sounder gathering data across a broad range of infrared wavelengths that are suitable to identify atmospheric constituents for a range of atmospheric vertical levels, as well as surface parameters. In addition to improving the quality of the retrievals, such Artificial Intelligence (AI) methods are capable of dealing with images that contain missing data, better estimating extreme events (often overlooked by traditional ML techniques) and estimating retrieval uncertainties. This thesis shows why AI methods should be the preferred approach for the exploitation of observations coming from new satellite missions such as IASI-NG or MTG-S IRS

Depuis 1960 de fortes perturbations de l'ionosphère consécutives à des tremblements de Terre ont mis en évidence le couplage dynamique entre la Terre solide et l'atmosphère. De nombreuses observations de phénomènes associés ont depuis été réalisées, par des mesures au sol ou par satellite. Nous présentons ici une étude de ces phénomènes, fondée d'une part sur la modélisation de ce couplage par les méthodes sismologiques, d'autre part sur le développement de nouveaux outils d'observation adaptés à ce nouveau champ de recherches. Ce travail s'inscrit dans le cadre de la préparation de la mission DEMETER (microsatellite CNES dédié à l'observation des signaux ionosphériques induits par l'activité sismique ou volcanique, dont le lancement est prévu en 2003). La première partie présente les différentes observations en liaison avec le couplage Terre atmosphère, et leur interprétation. La deuxième partie est dédiée à l'établissement d'une extension des méthodes de calcul de modes propres permettant de calculer des sismogrammes synthétiques pour une source et une station situées soit dans la Terre solide, soit dans l'océan ou l'atmosphère. Les synthétiques calculés par sommation de modes, pour une source sismique, montrent un bon accord avec les données fournies par le sondeur Doppler du CEA. La troisième partie présente les travaux réalisés pour développer de nouveaux outils d'observation dans l'ionosphère, notamment au dessus de zones à forte activité sismique, à partir des réseaux GPS denses, tels ceux de Californie ou du Japon. Nous développons enfin en conclusion les perspectives ouvertes par les signaux sismo-atmosphériques, que ce soit dans les champs de la sismologie ou de l'aéronomie

L'atmosphère de Saturne subit d'importantes variations saisonnières d'insolation, à cause de son obliquité, de son excentricité et de l'ombre de ses anneaux. Dans la stratosphère (de 20 hPa à 10-4 hPa), les échelles de temps photochimiques et radiatives sont du même ordre de grandeur que la période de révolution de Saturne (29,5 ans). On s'attend donc à mesurer des variations saisonnières et méridiennes significatives de la température et des espèces produites par la photochimie (en particulier C2H6, C2H2 et C3H8) dans cette région. Grâce à sa durée (2004-2017), la mission Cassini est l'occasion inédite de suivre l'évolution saisonnière de l'atmosphère de Saturne.Au cours de ma thèse, j'ai analysé des observations au limbe Cassini/CIRS car elles permettent de sonder à la fois la structure méridienne et verticale de la stratosphère de Saturne. Ainsi, j'ai mesuré les variations saisonnières de la température et des abondances de C2H6, C2H2 et C3H8. J'ai également contribué au développement d'un modèle radiatif-convectif et d'un GCM (Global Climate Model) de l'atmosphère de Saturne. Les prédictions de ces modèles sont comparées avec les températures mesurées avec CIRS, de façon à étudier les processus radiatifs et dynamiques qui contribuent à l'évolution saisonnière. Les simulations numériques réalisées avec ce GCM m'ont également permis d'étudier la propagation des ondes atmosphérique ainsi que les effets de l'ombre des anneaux sur l'atmosphère de Saturne. Par ailleurs, la comparaison entre les distributions de C2H6, C2H2 et C3H8 et des modèles photochimiques (Moses et Greathouse 2005, Hue et al. 2015) donne des indications sur le transport méridien
Saturn's atmosphere undergoes important seasonal variations of insolation, due to its obliquity, its eccentricity and the shadow of its rings. In the stratosphere (from 20 hPa to 10-4 hPa), radiative and photochemical timescales are in the same order as Saturn's revolution period (29.5 ans). Hence, significative seasonal and meridional variations of temperature and photochemical by-products (especially C2H6, C2H2, and C3H8) are expected. Because of its duration (2004-2017), the Cassini mission is an unprecedented opportunity to monitor the seasonal evolution of Saturn's atmosphere. During my PhD, I analysed Cassini/CIRS limb observations as they probe the meridional and vertical structure of Saturn's stratosphere. Hence, I measured seasonal variations of temperature and abundances of C2H6, C2H2, and C3H8. I also contributed to the development of a radiative-convective model and a GCM (Global Climate Model) of Saturn's atmosphere. The predictions of these models are compared with the temperatures measured from CIRS observations, in order to study the radiative and dynamical processes which contribute to the seasonal evolution. Numerical simulations performed with the GCM also allowed me to study atmospheric waves propagation and the effects of rings shadowing in Saturn's atmosphere. Besides, comparison between C2H6, C2H2, and C3H8 distributions and photochemical models (Moses and Greathouse 2005, Hue et al., 2015) give insights on meridional transport

Depuis la découverte en 1983 par Allen et Crawford de l'émission infrarouge nocturne de Vénus observable dans quelques fenêtres spectrales, son origine et son intérêt scientifique a été amplement démontrée. L'opacité du dioxyde de carbone est en effet suffisamment basse dans certaines fenêtres spectrales étroites pour permettre au rayonnement thermique issu des couches profondes (de 25 à 40 kilomètres d'altitude) et chaudes (400-500 K) de l'atmosphère de la planète de parvenir jusqu'à un observateur. Ces émissions, et en particulier celles situées dans la fenêtre spectrale située entre 2,2 et 2,5 µm, fournissent un moyen unique d'étudier la partie de l'atmosphère de Vénus située sous les épaisses couches nuageuses, en particulier sa composition grâce à la présence de bandes d'absorption de composés mineurs dont les profils verticaux moyens ont pu être mesurées, tels que CO, OCS, H2O ou encore SO2. L'étude des variations locales de ces composés mineurs est riche d'enseignements potentiels, tant sur le plan de la dynamique atmosphérique profonde que sur celui de la compréhension de la chimie de l'atmosphère - notamment du cycle du soufre - ou même de la possible activité géologique de la planète (par détection des émission de vapeur d'eau en provenance de volcans).
Le début de la mission spatiale Venus Express, première mission spatiale dédiée à cette planète depuis la découverte de l'émission infrarouge nocturne, et notamment les données attendues du spectro-imageur VIRTIS ont donc motivé un travail préparatoire qui a fait l'objet de cette thèse. Grâce à l'acquisition de spectres obtenus avec le spectro-imageur SpeX à l'Infrared Telescope Facility d'Hawaii, nous avons disposé de données analogues à celles attendues de la part de l'instrument VIRTIS-H sur le plan de la résolution spectrale (R ~ 2000). Ces observations furent menées au cours de trois campagnes
lors des périodes de quadrature favorables à l'observation de Vénus, en février 2003, août 2004 et novembre 2005. Par la suite, grâce au modèle numérique de transfert radiatif développé par Bruno Bézard et simulant les spectres de l'émission nocturne de Vénus, nous avons développé des algorithmes permettant d'associer rapidement à un spectre donné divers paramètres atmosphériques compatibles avec les observations (abondances et gradients verticaux d'espèces minoritaires à une altitude donnée, rapport isotopique de la vapeur d'eau, opacité nuageuse inférieure).
Nous présentons ensuite les résultats obtenus, parmi lesquels la confirmation de l'enrichissement déjà soupçonné en monoxyde de carbone aux moyennes et hautes latitudes. Des variations anti-corrélées du sulfure de carbonyle ont également été détectées. Une variabilité associée des gradients verticaux de ces deux espèces a pu aussi être mesurée. Ces résultats ont en outre reçu une interprétation dynamique qualitative, basée sur la circulation verticale générale de l'atmosphère. De nouvelles contraintes plus précises concernant l'abondance globale en vapeur d'eau et son rapport isotopique ont également pu être dérivées.
Enfin, la dernière partie de ce mémoire porte sur l'analyse par des méthodes semblables des premières données issues de l'instrument VIRTIS, montrant ainsi l'applicabilité de nos méthodes et confirmant certains des résultats obtenus précédemment, ainsi que sur les perspectives futures, conciliant études spectroscopiques des composés mineurs et interprétation dynamique de leurs variations grâce aux modèles de circulation générale.

Le 14 juillet 2015, la sonde New Horizons a survolé Pluton et a révélé un monde glacé débordant d’activité. Pour interpréter les observations, nous avons développé deux modèles numériques, l’un simulant les interactions surface-atmosphère des espèces volatiles sur des milliers d’années, l’autre dédié au climat 3D complet de Pluton. Avec ces modèles, nous analysons les cycles annuels et paléoclimatiques des glaces. Nos simulations reproduisent la distribution des espèces volatiles observées à la surface de Pluton, ainsi que leur abondance dans l’atmosphère. Nous montrons que l’insolation sur Pluton et la nature de son atmosphère favorisent la condensation d’azote au fond du bassin Sputnik Planitia, comme observé. Nous simulons, sur des échelles de millions d’années, des écoulements glaciaires de la calotte de glace dans Sputnik Planitia, ainsi que la formation de glaciers de méthane à l’équateur, des résultats très cohérents avec les observations. Nous nous intéressons ensuite à l’état de l’atmosphère de Pluton en 2015 avec le modèle 3D, caractérisant les régimes de vents, formation des nuages, températures, etc.... Nos derniers résultats mettent en évidence la sensibilité de la circulation générale à la distribution de la glace d’azote à la surface et suggèrent une rétro-rotation dans l’atmosphère de Pluton, induite par les flux de condensation-sublimation de l’azote dans Sputnik Planitia. Nous montrons également que plusieurs phénomènes sont à l’origine de la couche limite froide observée dans Sputnik Planitia. Enfin, en reproduisant les processus qui mènent à la formation de la brume organique, nous parvenons à expliquer l’extension de la brume observée au pôle nord
On July 14, 2015, the New Horizons spacecraft flew by Pluto and revealed an active frozen world.These observations call upon modelling efforts to complete their analysis and understand the mechanisms at play on Pluto. For this purpose, we have developed two numerical models of Pluto’s climate: a 2D model dedicated to the study of Pluto’s surface and a 3D model of Pluto’s atmosphere. We analyse the annual and paleoclimatic volatile cycles. Our simulations reproduce the distribution of the volatile observed on Pluto’s surface and their abundance in the atmosphere. We show that the solar insolation on Pluto and the nature of its atmosphere favour the condensation of nitrogen in the Sputnik Planitia basin, as observed. We simulate the glacial activity of the Sputnik Planitia ice cap on a timescale of millions of years, as well as the formation of methane glaciers at the equator. Our results are in agreement with the observations. We then focus on Pluto’s atmosphere in 2015 with the full 3D model where we performed a comprehensive characterization of the atmosphere: wind regimes, cloud formation, temperatures etc. ...We demonstrate the sensitivity of the general circulation to the distribution of the nitrogen ice on the surface and show that Pluto’s atmosphere currently undergoes retrograde rotation, induced by the condensation-sublimation of nitrogen in Sputnik Planitia. We also show that several phenomena originate at the cold boundary layer observed deep in Sputnik Planitia. Finally, by reproducing the processes that lead to the formation of organic haze, we simulate haze transport in the atmosphere and explain the greater extension of the haze observed at the north pole

Le transport de la neige par le vent est une composante importante de l'interaction entre l'atmosphère et la cryosphère. En zone de montagne, il influence la distribution temporelle et spatiale de la couverture neigeuse au cours de l'hiver et a en premier lieu des conséquences sur le danger d'avalanche. La modélisation numérique de ce phénomène permet d'étudier les interactions complexes entre le manteau neigeux et le vent et d'en estimer les conséquences de manière distribuée. Dans ce contexte, cette thèse décrit le développement et l'évaluation d'un modèle couplé atmosphère/manteau neigeux dédié à l'étude du transport de la neige par le vent en zone de montagne reposant sur le modèle atmosphérique Meso-NH et le modèle détaillé de manteau neigeux Crocus. Le transport de la neige par le vent a été étudié sur le site expérimental du Col du Lac Blanc (massif des Grandes Rousses, France). Une base de données d'épisodes de transport couvrant dix hivers a tout d'abord été utilisée pour déterminer les caractéristiques principales de ces épisodes. Des simulations avec le modèle Crocus (non couplé à Meso-NH) ont ensuite montré qu'il était nécessaire de tenir compte des transformations mécaniques des grains de neige induites par le vent afin de simuler une évolution réaliste de la vitesse seuil de transport. Le site expérimental a également été le siège de deux campagnes de mesures en 2011 et 2012 visant à collecter de données de validation pour le modèle. Elles renseignent sur les conditions météorologiques près de la surface, sur les quantités de neige transportées et sur la localisation des zones d'érosion et de dépôt de la neige grâce à l'utilisation d'un laser terrestre. Le modèle de transport de neige par le vent Meso-NH/Crocus a été développé. Il intègre le transport de la neige en saltation et en suspension turbulente ainsi que la sublimation des particules de neige transportée. Un schéma à deux moments permet de simuler l'évolution spatiale et temporelle de la distribution en taille des particules. L'utilisation d'un schéma de couche limite de surface à l'interface entre Meso-NH et Crocus s'est révélé nécessaire pour représenter les forts gradients de concentration en particules de neige observés près de la surface. Meso-NH/Crocus est le premier modèle couplé atmosphère/manteau neigeux capable de simuler de manière interactive le transport de la neige par le vent en zone alpine. Meso-NH/Crocus a été évalué en relief réel grâce aux données collectées lors de la première campagne de mesure en 2011. La simulation d'un épisode de transport sans chute de neige simultanée montre que le modèle reproduit de manière satisfaisante les principales structures d'un écoulement en relief complexe ainsi que les profils verticaux de vitesse de vent et de flux de particules de neige en suspension près de la surface. En revanche, la résolution horizontale de 50 m est insuffisante pour reproduire avec précision la localisation des zones d'érosion et de dépôt autour du Col du Lac Blanc. La prise en compte de la sublimation réduit la quantité de neige déposée de l'ordre de 5%.Les techniques de descente d'échelle dynamique (grid nesting) ont ensuite été utilisées pour simuler un second épisode de transport avec chute de neige. L'augmentation de la résolution horizontale intensifie les contrastes de vitesse de vent entre versants au vent et sous le vent. En revanche, elle modifie peu les quantités et les structures spatiales des précipitations solides autour du Col du Lac Blanc. Lorsqu'il est activé, le transport devient la principale source d'hétérogénéités des accumulations neigeuses

Nous cherchons à mettre en évidence l'influence des hétérogénéités de température, de structure ou de composition des atmosphères sur leurs observations. Dans le années à venir, de plus en plus d'appareils vont permettre l'observation par transmission des atmosphères d'exoplanètes. Toutefois, les outils numériques permettant de contraindre ces dernières reposent sur des modèles simples à une dimension. Ils supposent en effet des atmosphères ne possédant qu'une structure verticale (le climat est le même en tout point de la surface, la composition ou la température n'évolue qu'avec l'altitude). Cette approche a le mérite de permettre des calculs rapides et de contraindre les paramètres globaux de l'atmosphère avec des temps raisonnables. Ceci ne serait pas possible en l'état avec une modélisation en 3 dimensions des atmosphères, même si ce serait beaucoup plus réaliste. Ce que nous cherchons à mettre en évidence, ce sont les limites des techniques actuelles d'inversion et donc, de caractérisation des atmosphères qui seront observées. Pour cela, il fallait mettre au point un logiciel capable de résoudre le transfert radiatif au sein d'une atmosphère en 3 dimensions (et non plus 1 seul). Une fois le logiciel terminé, nous avons éprouvé l'algorithme de traitement du signal TauREx en comparant les résultats qu'il proposait à des simulations atmosphériques parfaitement contrôlées. Nous nous sommes tout principalement arrêté sur les biais découlant d'hétérogénéités de température en simulant des atmosphères avec un fort contraste jour/nuit. Ceci nous a permis de caractériser les biais découlant de ces types d'hétérogénéités, de les quantifier et de mettre l'accent sur un biais jusqu'ici très sous-estimé par la communauté, à savoir celui découlant des hétérogénéités le long de la ligne de visée. Nous avons appuyé nos propos et concentré nos efforts sur l'interprétation de l'inversion d'une simulation complexe de l'atmosphère de GJ 1214 b. La reconstitution de la chaine observationnelle : GCM (LMD), Pytmosph3R (LAB) et TauREx (UCL) ouvre les portes d'un vaste panel d'études envisageables, et notamment tout ce qui va concerner l'identification et la caractérisation des biais systématiques qui incomberont les observations à venir
Transmission spectroscopy provides us with information on the atmospheric properties at the limb, which is often intuitively assumed to be a narrow annulus aound ther planet. Consequently, the few recent studies on the effect of atmospheric horizontal heterogeneities on transmission spectra have used approaches sensitive to variations along the limb only. Here we demonstrate that the region probed in transmission – the limb – actually extends significantly toward the day and night sides of the planet. Consequently we show that thestrong day-night thermal and compositional gradients expected on synchronous exoplanets create sufficient heterogeneities across the limb to result in important systematic effects on the spectrum and bias its interpretation. To quantify these effects, we developed a 3D radiative transfer model able to generate transmission spectra of atmospheres based on 3D atmospheric structures, whether they come from a Global Climate Model or more parametrized models. We first apply this tool to a simulation of the atmosphere of GJ 1214 b toproduce synethic JWST observations and show that producing a spectrum using only atmospheric columns at the terminator results in errors greater than expected noise. This demonstrates the necessity of a real 3D approach to model data for such precise observatories.Second, we investigate how day-night temperature gradients cause a systematic bias in retrieval analysis performed with 1D forward models. For that purpose we synthesize a large set of forward spectra for prototypical HD209458 b and GJ 1214 b type planets varying the temperatures of the day and night sides as well as the width of the transition region. We then perform typical retrievalanalyses and compare the retrieved parameters to the ground truth of the input model. This study reveals systematic biases on the retrieved temperature (found to be higher than the terminator temperature) and absorber abundances. This is due to the fact that the hotter dayside is more extended vertically and screens the nightside—a result of the nonlinear properties of atmospheric transmission.These biases will be difficult to detect as the 1D profiles used in the retrieval procedure are found to provide an excellent match to theobserved spectra based on standard fitting criteria (chi2, posterior distributions). This fact needs to be kept in mind when interpretingcurrent and future data

Par sa position géographique (21 sud, 55. 5 est), l'ile de la Réunion se situe, au cours des saisons, 9 mois en zone tropicale et 3 mois a proximité de la barrière subtropicale sud. Ce site offre, d'importantes opportunités géophysiques, en matière d'observations physico-chimiques et dynamiques de la basse et moyenne atmosphère. La station d'observation de la Réunion est associée aux activités du réseau mondial de surveillance de la stratosphère NDSC (Network for Detection of Stratospheric change) et tend à devenir un des 7 sites primaires d'observation du reseau. Dans ce sens, la Réunion connait depuis 1992 un développement instrumental soutenu, dont le LIDAR est un outil de base, pour les mesures des profils verticaux de température, de densité relative et d'aérosols dans la moyenne atmosphère. L'objet du présent travail est de confronter les idées et les observations existantes, sur les processus dynamiques en site tropical, aux observations nouvelles qu'offrent les systèmes LIDAR Rayleigh. En effet, les mesures LIDAR, par comparaison avec les expériences embarquées a bord de satellites, admettent une excellente résolution verticale, actuellement de 150 mètres. Elles permettent, d'étudier, d'une part, les variations temporelles à courtes échelles de temps, dues aux ondes de gravité ou aux marées atmosphériques, et d'autre part celles de plus grandes échelles de temps.

Pour quantifier l'influence des activités humaines sur le climat et en particulier sur la composition chimique de l'atmosphère, il est primordial de disposer de mesures continues et homogènes. C'est pourquoi l'objet de ce travail de thèse a consisté, dans un premier temps, à installer une nouvelle station d'observation (OASIS pour Observations Atmosphériques par Spectrométrie Infrarouge Solaire) sur le toit de l'Université Paris-Est à Créteil, pour mesurer des spectres d'absorption solaire dans l'infrarouge, en vue d'analyser les concentrations de gaz traces et leurs différentes variabilités temporelles. Cette étude est centrée sur deux molécules clés de l'atmosphère impliquées, à diverses échelles, dans les problèmes environnementaux actuels : l'ozone (O3) et le monoxyde de carbone (CO). Le développement de la méthode expérimentale et l'adaptation du code d'inversion (PROFFIT) a permis de restituer les colonnes totales et partielles de ces deux espèces. Pour valider les performances de cet instrument et de la méthode employée, les résultats des analyses de OASIS ont été comparés avec diverses données corrélatives provenant de mesures au sol (SAOZ pour l'O3), de satellites (IASI, GOME-2, OMI, pour l'O3, et MOPITT et IASI pour le CO) et de modèles globaux (REPROBUS pour l'O3 et MOCAGE pour le CO). Les résultats ont montré de très bons accords et prouvent la qualité du spectromètre à moyenne résolution, de la station OASIS, pour mesurer les concentrations de l'O3 et du CO atmosphérique. Une partie de ce travail a également concerné la validation des performances des instruments spatiaux actuels de détection de l'ozone atmosphérique, grâce à la campagne de mesures (avril-mai 2009) que j'ai réalisée à Izaña (Tenerife). Cette station, située en région sub-tropicale, à 2370 m d'altitude et en milieu non pollué, est intégrée dans le réseau NDACC, et possède un spectromètre à haute résolution spectrale. Les concentrations d'ozone issues des inversions de ses spectres ont été comparées aux données fournies par un instrument au sol (Brewer, situé sur le même site) et par plusieurs instruments satellitaires (IASI, OMI, GOME-2). Les résultats ont présenté d'excellents accords. Les diverses variabilités temporelles observées à Izaña et à Créteil (saisonnière, inter-journalière, diurne et événements extrêmes) ont été interprétées et les capacités respectives de ces instruments (haute et moyenne résolution spectrale) ont fait l'objet d'une discussion détaillée
In the frame of atmospheric composition change related to human activities, homogeneous and continuous atmospheric measurements have to be performed. This is why a new observatory (called OASIS for Observation of the Atmosphere by Solar occultation Infrared Spectroscopy) has been installed on the roof of the University of Paris-Est in order to analyze concentrations and variations of key atmospheric trace species, such as ozone and carbon monoxide. Development of experimental methodology and adaptation of inversion code (PROFFIT) allow to retrieved total and partial columns of these gases. Results are compared to different data from ground-based (SAOZ for O3), satellites (IASI, GOME-2, OMI, for O3, and IASI and MOPITT for CO) and from atmospheric model calculations (REPROBUS for O3 and MOCAGE for CO). Very good correlations were found, showing that a middle resolution instrument, such as OASIS is able to monitor atmospheric trace gases with a good accuracy. Then, thanks to a measurements campaign (April-May 2009), realized at Izaña (Tenerife, clear atmospheric conditions) observatory which is equipped with high resolution spectrometer, we provide valuable information about the performance of various total column ozone measuring instruments from ground (Brewer) and space (IASI, OMI, GOME-2). All temporal O3 and CO variabilities (seasonal, day-to-day, diurnal and extreme events) observed at both sites, such as respective high and middle resolution instruments capabilities were discussed in details

Malgré les avancées dans la prédiction de la trajectoire des cyclones tropicaux et des vitesses de vent dans la région externe, la représentation numérique des vents les plus forts associés aux événements les plus intenses demeure une question ouverte, principalement en raison de la faible taille du cœur du cyclone et de la difficulté à comprendre et résoudre les échanges turbulents entre l’océan et l’atmosphère. Les limitations observationnelles ont longtemps entravé des mesures précises de la surface océanique près de la région centrale dans des conditions de vent extrême, tandis que les satellites géostationnaires aident à caractériser les motifs nuageux mais ne donnent pas d’information directe sur l’interface air-mer. Récemment, le radar à ouverture de synthèse (SAR) a émergé comme une technologie satellitaire prometteuse capable de produire des mesures bidimensionnelles haute résolution des vitesses du vent à la surface de l’océan, grâce à de nouveaux modes d’acquisition et à des développements algorithmiques. Compte tenu de ces nouvelles opportunités d’observation, nous explorons la contribution des caractéristiques structurelles près du cœur, exclusivement discernables à travers des instruments haute résolution, à la dynamique des cyclones. En utilisant un cadre théorique simple et examinant sa cohérence avec les mesures SAR, nous démontrons que les vents en surface près du cœur contrôlent l’évolution de la structure du vent du cyclone. Le cadre développé permet d’illustrer comment les futures mesures des caractéristiques de la couche limite océan-atmosphère pourraient bénéficier du suivi à court et à long terme des cyclones tropicaux
Despite advances in predicting the tropical cyclones (TCs) trajectory and outer-core wind speeds, the numerical representation of the strongest winds associated with the most intense events is still an open issue, essentially because of the small radial extent of the TC core and the difficulty in understanding and resolving turbulent air-sea exchanges. Observational limitations have for a long time hindered accurate measurements of the ocean surface near the core region in extreme wind conditions, while geostationary satellites help characterizing the cloud patterns but lack direct information on the air-sea interface. Recently, synthetic aperture radar (SAR) has emerged as a promising satellite technology capable of producing high-resolution two dimensional measurements of the ocean surface wind speeds, thanks to new acquisition modes and algorithmic developments. Given these new observational opportunities, we investigate the contribution of near-core structural features, exclusively discernible through high-resolution instruments, to the TC dynamics. Using a simple theoretical framework and examining its consistency with SAR measurements, we demonstrate that the near-core surface winds modulate the evolution of the TC wind structure. The developed framework allows to illustrate how future measurements of ocean-atmosphere boundary layer characteristics could benefit the short- and long-term monitoring of TCs

La principale difficulté pour l'observation de la "couleur de l'océan" depuis l'espace est d'effectuer les corrections atmosphériques, c'est à dire extraire le signal provenant des océans du signal total largement dominé par la contribution de l'atmosphère. Dans ce cadre, des problèmes spécifiques liés aux capteurs satellitaires utilisés, ou aux conditions d'observations, peuvent apparaître. Dans le cas du capteur POLDER-3, nous avons diagnostiqué des défauts sur les produits marins grâce aux mesures in situ BOUSSOLE, notamment attribuables aux données d'entrée (de niveau 1), et de proposer plusieurs ajustements. Ces modifications ont abouti à une amélioration majeure de précision des produits, d'un facteur 1.5 à 2. De plus, le même algorithme de correction atmosphérique a été appliqué aux données du capteur MERlS, ce qui a permis de mettre en évidence ses propriétés de fonctionnement. Les algorithmes de correction atmosphérique existants sont également limités par la tâche brillante du rayonnement solaire réfléchi par la surface agitée de la mer (le sun glint), ne pouvant fonctionner lorsque ce signal est trop intense. Pour de nombreux capteurs (MERlS, MODIS ... ) ceci rend près de la moitié des observations aux latitudes subtropicales inutilisables. Nous proposons un algorithme, appelé POLYMER, conçu pour fonctionner sur l'ensemble du sun glint. Si le gain en couverture spatiale est spectaculaire, il se fait encore au détriment de la précision des produits. Néanmoins, cet algorithme montre qu'il est possible d'utiliser de données contaminées par le sun glint pour la couleur de l'océan, et ouvre de nouvelles perspective pour les applications futures
The main challenge for observing the”ocean colour” from space is to make the atmospheric correction which consists in extracting the marine signal from the measured dominated by the atmospheric scattering. In this context, we have studied specific problems that arise due to the quality of the sensor radiometry or to the viewing conditions. In the case of POLDER-3, we have used the in situ BOUSSOLE data to detect some problems, one of which can be attributed to a defect in the input (level1) data. We have made empirical corrections for these defects, resulting in an improvement of the accuracy of the marine reflectance products by a factor 1.5 to 2. Moreover, the same atmospheric correction algorithm was applied to the MERIS data to emphasize some of its features. The existing atmospheric correction algorithms are also limited by the sunglint, failing to retrieve marine parameters in the bright pattern of the sun reflected by the wavy sea surface. For many sensors (MERIS,MODIS...), this makes almost half of the observations at subtropical latitudes unusable, reducing the global coverage accordingly. We are presenting an original algorithm, called POLYMER, designed to make atmospheric correction over the whole sun glint pattern. The increase of spatial coverage is spectacular, while the accuracy on the retrieved marine parameters remains acceptable.This study shows that itis possible to retrieve the ocean colour in the sun glint contaminated areas and opens new opportunities for future applications

Saint-Pierre-et-Miquelon (SPM) est un archipel français au large de la côte est du Canada.Cette région peu connue a fait l’objet de récentes observations. Elles ont révélé des oscillations inattendues des courants et des températures à des périodes de quelques heures à quelques jours.L’objectif de cette thèse est d’étudier les principaux processus physiques à l’origine de ces oscillations en hiver et en été.Dans une première partie, nous avons étudié les oscillations à des périodes de ~2-4 jours mesurées par deux courantomètres durant l'hiver 2014, qui pouvaient temporairement dominer les courants de marée. Un modèle numérique 2D a été implémenté à l'échelle régionale pour étudier ce processus. Les résultats des simulations montrent le rôle des tempêtes dans le forçage de ces oscillations, par le biais d’ondes piégées par la topographie.Ces ondes se propagent sur le plateau à l'échelle régionale vers l’équateur. Elles excitent des ondes locales qui font le tour de l’archipel dans le sens horaire, en approximativement une période.Dans une seconde partie, des oscillations diurnes des températures et des courants ont été révélées par les observations pendant les étés 2015-2017. Un modèle numérique 3D forcé par la marée a été implémenté à l’échelle locale avec des conditions de stratification estivale. Le modèle montre que ces oscillations résultent d’une amplification des courants de marée diurnes. Elles sont la signature d'une onde piégée par la topographie qui tourne autour de SPM dans le sens horaire en deux jours, ce qui correspond à deux longueurs d’onde. Le modèle montre également que la zone de génération de ces ondes se situe au nord-ouest de SPM
Saint-Pierre-and-Miquelon (SPM) is a French archipelago off the east coast of Canada. This poorly known region has been the subject of recent observations. They revealed unexpected oscillations on currents and temperatures over periods ranging from a few hours to a few days. The objective of this thesis is to study the main physical processes that cause these oscillations in winter and summer.In the first part, we studied oscillations with periods of ~2-4 days measured by two current meters during the winter 2014, that could temporarily dominate tidal currents. A 2D numerical model has been implemented at the regional scale to study this process. The simulation results show the role of storms in forcing these oscillations through waves trapped by topography.These waves propagate on the shelf at a regional scale towards the equator. They excite local waves that propagate anticyclonically around the archipelago in approximately one period.In the second part, diurnal oscillations of temperatures and currents were revealed by observations during the summers of 2015-2017. A 3D numerical tidally forced model was implemented locally with summer stratification conditions. The model shows that these oscillations result from an amplification of diurnal tidal currents. They are the signature of a wave trapped by the topography that propagate anticyclonically around SPM in two days, which corresponds to two wavelengths. The model also shows that the generation area of these waves is located northwest of SPM

Depuis quelques années, les observations spatiales des traceurs, comme la température de surface de l'océan (SST) ou la couleur de l'océan, ont révélé la présence de filaments à sous-mésoéchelle, qui ne peuvent être détectées par les satellites altimétriques. Ce travail de thèse explore la possibilité d'utiliser les informations dynamiques contenues dans les images traceur haute résolution pour compléter l'estimation de la dynamique océanique de surface effectuée par les satellites altimétriques. Pour ce faire, la méthode d'inversion développée est inspirée de l'assimilation de données images. A l'aide d'une fonction coût, on mesure la distance entre une image du flot dynamique et l'image des structures présentes sur le traceur. On a choisi pour cette étude d'utiliser le FSLE (Finite-Size Lyapunov Exponents) comme proxy image de la dynamique. Cette méthode est testée avec succès sur plusieurs cas test d'observations spatiales. Un modèle de processus couplé physique-biogéochimie ainsi qu'un modèle réaliste de la mer des Salomon sont utilisés pour estimer l'erreur associée à la méthode d'inversion et la pertinence de la correction effectuée. L'utilisation conjointe d'images traceurs et de données altimétriques présente un fort intérêt pour le contrôle de la circulation océanique.