Gotowa bibliografia na temat „Atmosphère – Sondages laser”

Récemment, plusieurs tentatives ont été faites afin de quantifier les émissions de CO2 à l'échelle de la ville et ainsi d’améliorer les inventaires existants. Les mesures de concentration de CO2 et autres gaz peuvent ainsi être utilisées dans une approche dite “descendante” afin de contraindre les inventaires d’émission qui sont traditionnellement construits via une approche dite “ascendante” à partir d’une quantification des activités.Dans le cadre de cette thèse, nous avons évalué le potentiel d’une nouvelle technique de surveillance du CO2, référencée sous le nom de sous le nom de GreenLite™ (Green Imaging Tomography Experiment). Le système a été déployé pendant un an dans la ville de Paris. Il permet une mesure en continu de la concentration le long de 30 segments horizontaux, proches de la surface. Il a donc une couverture spatiale beaucoup plus large que l'échantillonnage in situ traditionnel et apporte une information dont la représentativité spatiale est plus cohérente avec celle des modèles de transport atmosphérique à résolution à l'échelle kilométrique utilisés pour l'inversion atmosphérique à l'échelle de la ville.J’ai développé un outil de modélisation complet centré sur le modèle à haute résolution WRF avec un couplage (WRF-Chem), et en utilisant des inventaires d'émissions anthropique de CO2, des estimations des flux par la végétation et des conditions aux limites fournies par une simulation à grande échelle. Ce modèle permet d’interpréter les mesures.Le chapitre 1 est une large introduction au sujet tandis que les chapitres 2-4 sont construits autour de trois articles publiés dans la littérature scientifique.Le chapitre 2 évalue si le modèle WRF à une résolution spatiale de 3 km peut reproduire les champs météorologiques dans la région IdF mieux que ne le fait le modèle Européen CEPMMT à 16 km de résolution. Les comparaisons entre les analyses des deux modèles sont faites avec un focus sur trois variables atmosphériques (température de l'air, vent et hauteur de la couche limite) qui sont les plus pertinentes en ce qui concerne le transport du CO2 atmosphérique dans un environnement urbain. Les résultats ont permis de sélection une version du modèle et une option de nudging qui permet la meilleure adéquation entre les simulations numériques et les observations de terrain, et ces options sont utilisés dans la suite du travail.Le chapitre 3 vise à comprendre les variations temporelles et spatiales des concentrations de CO2 dans Paris et ses environs pendant la période de mesure du système GreenLITE™ (Sep 2015 à dec 2016). Les données permettent de démontrer qu’un schéma de canopée urbaine (BEP) est en bien meilleur accord avec la réalité, par rapport à l'autre (UCM), en particulier pendant l’hiver. Pendant cette période, le mélange vertical est réduit ce qui peut conduire à des accumulations du CO2 dans les basses couches de l’atmosphère, qui sont difficiles à modéliser. Cependant, les mesures GreenLITE™ montrent aussi un bruit important et des indications de biais, ce qui limite leur potentiel d’interprétation. De plus, les inadéquations entre modèles et observations dans ce chapitre soulignent clairement la difficulté de modélisation du CO2 dans les zones urbaines en raison des grandes incertitudes tant dans le transport atmosphérique que dans l'inventaire des émissions.Le chapitre 4 vise à étudier en détail les sources d'erreurs principales qui conduisent aux différences entre mesures et résultats de simulation en ce qui concerne le CO2 atmosphérique au-dessus de Paris. Ces sources d’erreur incluent les hypothèses sur les distributions des émissions anthropiques, le transport atmosphérique en particulier le mélange vertical, les flux de CO2 biogéniques, et les conditions aux limites du domaine de simulation
Cities play an important role in tackling climate change as they account for more than 70% of global anthropogenic CO2 emissions. In recent years, several efforts have attempted to quantify city-scale CO2 emissions and establish a high spatially and temporally resolved inventory for supporting urban emission mitigation strategies. The so-called "top-down" inverse estimation of CO2 emissions constrained by independent atmospheric observations could serve to evaluate the consistency of traditional "bottom-up" inventories. A novel CO2 monitoring technique, known as the Greenhouse gas Laser Imaging Tomography Experiment (GreenLITE™) trace gas measurement system, was deployed in central Paris for a 1-year monitoring of near-surface atmospheric CO2 concentrations along 30 horizontal chords. This system has a much wider spatial coverage than traditional in situ sampling and was expected to be more consistent with the spatial representativeness of the kilometer-scale resolution atmospheric transport models used for the city-scale atmospheric inversion.The primary objective of this thesis is to assess the potential contribution of this GreenLITE™ system, in addition to two urban and four peri-urban in situ CO2 measurement stations, for a better understanding of the spatiotemporal variations of CO2 concentrations within Paris and its vicinity. For this objective, I have developed a full modeling framework around the high-resolution Weather Research and Forecasting model (WRF) and its coupling with Chemistry (WRF-Chem), using CO2 emission inventories, estimates of the vegetation fluxes and boundary conditions provided by a large-scale simulation.Chapter 1 is a broad introduction to the subject while chapter 2-4 are built around three separate and publishable papers.Chapter 2 aims at evaluating whether the WRF model running at a 3-km horizontal resolution, with its various configurations, can reproduce the meteorological fields over the IdF region better than the 16-km resolution ECMWF global operational forecasts. The comparisons between WRF and ECMWF forecasts with respect to observations are carried out with a focus on three atmospheric variables (air temperature, wind and PBL height). The results of the sensitivity tests of different physics schemes and nudging options obtained in this chapter are used in subsequent research for the selection of appropriate WRF-Chem model setup in support of atmospheric CO2 transport modeling.Chapter 3 aims at understanding the spatiotemporal variations of CO2 concentrations within Paris and its vicinity during the 1-year GreenLITE™ operating period from September 2015 to December 2016. The analyses are based on CO2 data provided by GreenLITE™ together with six in situ stations and the 1 km-resolution WRF-Chem model coupled with two urban canopy schemes (Urban Canopy Model - UCM; Building Effect Parameterization - BEP). The GreenLITE™ data provide clear information that favors BEP over UCM in the description of vertical mixing and CO2 concentrations during the winter. However, there are indications of measurement noise in summer that limit the usefulness of the data. Furthermore, the model-observation mismatches clearly stress the difficulty of CO2 modeling within urban areas due to the large uncertainties both in the atmospheric transport and the emission inventory.Chapter 4 aims at investigating in detail the critical sources of errors that lead to the model-observation mismatches in the atmospheric CO2 modeling over Paris. These sources of misfit include uncertainties in the assumed distribution of anthropogenic emission, errors in the atmospheric transport, in biogenic CO2 fluxes and in CO2 boundary conditions at the edges of the atmospheric transport model domain. The lessons and insights from this chapter provide requirements and recommendations for the assimilation of CO2 measurements into the atmospheric inversion, when aiming at the quantification of CO2 emissions for the Paris region

Les cycles couplés des aérosols, de la vapeur d’eau et des nuages sont à l’heure actuelle un domaine de recherche dynamique au cœur d’enjeux climatiques et météorologiques. Une meilleure compréhension des interactions entre ces différents cycles atmosphériques doit permettre de mieux appréhender les processus conduisant à des évènements météorologiques extrêmes et également de diminuer les incertitudes des projections climatiques, en grande partie liées aux interactions aérosols – nuages. Contribuant à ces efforts, les travaux présentés dans cette thèse sont fondés sur l'analyse d'observations expérimentales de terrain autour d’un instrument de télédétection émergent. Il s’agit d’un lidar Raman météorologique transportable capable de mesurer simultanément la température thermodynamique, le contenu en vapeur d'eau et les propriétés optiques des aérosols, dans la colonne atmosphérique. Cet instrument, développé au LSCE et nommé WALI, permet des observations continues dans la basse et moyenne troposphère avec une précision et des résolutions verticale et temporelle en adéquation avec les objectifs de ruptures énoncés par l’OMM. En premier lieu, le bilan de liaison de la chaîne d’acquisition de la température basée sur la spectroscopie Raman rotationnelle, nouvellement implémentée sur le lidar, a été obtenu à l’aide d’une modélisation directe – inverse. Les premières mesures de température par lidar, conduites durant une période très contrastée en température marquée par l’occurrence d’une vague de froid, ont permis une comparaison avec les sorties de modèles de prévisions météorologiques à méso-échelle (AROME/Météo-France) et globale (ERA5/ECMWF) et l'instrument IASI embarqué sur les satellites de la série METOP. Lors d’une configuration météorologique hivernale analogue ayant induit des épisodes de pollution majeurs en Île-de-France, un suivi des propriétés optiques des aérosols a été effectué. Enfin, une campagne de mesure multi-instruments incluant un volet aéroporté a été conduite aux abords du lac d’Annecy, avec une stratégie originale couplant la télédétection et l'observation in situ. Elle a permis une analyse préliminaire du cycle de l'eau dans un environnement montagneux complexe, incluant les liens entre la vapeur d'eau atmosphérique, les nuages, les aérosols et le lac. Le lidar Raman météorologique s’avère être un outil idoine pour étudier ces processus
The coupled cycles of aerosols, water vapor and clouds are currently a dynamic field of research at the heart of climate and weather challenges. A better understanding of the interactions between these atmospheric cycles should allow to perceive the processes leading to extreme weather events and to reduce the uncertainties of climate projections, largely related to aerosol-cloud interactions. In line with these efforts, the work presented in this thesis are based on the analysis of experimental field observations, around a new tool for remote sensing. It is a transportable meteorological Raman lidar capable of simultaneous measurements of the thermodynamic temperature, water vapor content and optical properties of aerosols in the atmosphere. This instrument, developed at LSCE and called WALI, allows continuous observations in the lower and middle troposphere with a precision, and vertical and temporal resolutions in line with the breakthrough requirements set by the WMO. Firstly, the link budget of the temperature acquisition channel based on rotational Raman spectroscopy, newly implemented on the lidar, has been obtained using direct - inverse modeling. The first temperature measurements by lidar, carried out during a very contrasted period in terms of temperature marked by the occurrence of a cold spell, allowed a comparison with the outputs of mesoscale (AROME/Météo-France) and global (ERA5/ECMWF) weather prediction models and the IASI instrument onboard the METOP series satellites. During a similar winter meteorological configuration that induced major pollution events in Île-de-France, the optical properties of aerosols were monitored. Finally, a multi-instrument measurement campaign, involving aircrafts, was carried out on the shores of the Annecy lake, with an original strategy coupling remote sensing and in situ observations. They allowed preliminary analyses of the water cycle in a complex mountainous environment, including the links between atmospheric water vapor, clouds, aerosols and the lake. A meteorological Raman Lidar turns out to be a suitable tool to study these processes

Le procédé de fusion sélective par laser (SLM) d’un lit de poudre métallique, est un procédé de fabrication additive qui permet de fabriquer des pièces de forme complexe directement à partir d’un fichier CAO en passant par la fusion totale de couches de poudre déposées successivement. Au cours du procédé SLM l’apport d’énergie du laser à la cible engendre de nombreux cycles thermiques: fusion – vaporisation – solidification. Dans ce contexte, cette thèse a pour double objectif :1) une meilleure caractérisation et compréhension des phénomènes qui se produisent lors de l’interaction du faisceau laser avec la poudre et le bain de métal fondu à l’aide d’essais et 2) le développement d’un modèle numérique prenant en compte les phénomènes de fusion et de vaporisation de la matière ainsi que à la présence du gaz environnant à l’intérieur de la chambre de fabrication.Dans un premier temps, en considérant des géométries simples (cordons et surfaces) en acier inoxydable 316L, on a étudié l’interaction faisceau laser - lit de poudre / bain liquide métallique par différentes méthodes de diagnostics (spectrométrie, calorimètre, …) pour comprendre la nature et le rôle de la vapeur métallique générée au cours du procédé. Les résultats ont montré que cette vapeur est sans effet sur la transmission de l’énergie du laser à la matière au cours du procédé SLM. Par contre, elle conduit à la formation de condensats et peut aussi entrainer des gouttelettes de métal fondu.Ces analyses ont permis, dans un second temps, de développer un modèle numérique qui a pour objectif principal de caractériser l’influence de la pression du milieu environnant sur le processus de fusion du lit de poudre par le faisceau laser. Des paramètres caractérisant l’évolution des propriétés physiques du matériau et du milieu gazeux en fonction de la température et de la pression ont été intégrés dans les bases de données du modèle. Ces paramètres physiques du matériau ont été déterminés à partir de la littérature et d’autres ont été obtenus empiriquement à l’aide de mesures expérimentales spécifiques.Ce modèle numérique a été utilisé pour traiter le sujet principal de la thèse, à savoir celui de l’effet de la pression. Le modèle a permis de préciser les phénomènes physiques inhérents à la variation de la pression. Des manipulations expérimentales ont permis de vérifier la pertinence des données du modèle numérique proposé
The selective laser melting process (SLM) of a metallic powder bed is an innovative process that allows the manufacturing of complex shape parts directly from a CAD file via a complete melting of powder layers deposited successively. During the SLM process, the high laser energy density creates many thermal cycles: melting - vaporization - solidification.The purpose of this work was: 1) to better characterize and understand experimentally the phenomena that occur during the laser beam - powder / molten metal pool interaction and 2) to develop a numerical model taking into account the phenomena of melting and vaporizing of the material and the presence of the surrounding gas in the build chamber.In a first time, considering simple geometries (tracks and surfaces) and 316L stainless steel as material, we studied the interaction between the laser beam, the powder bed and the liquid metal pool using several experimental techniques (spectrometry, calorimetry, ...) in order to understand the nature and the role of the metal vapor generated during the process. The results showed that the vapor has no effect on the transmission of the laser beam energy to the material during the SLM process. Meanwhile it leads to the deposition of condensed vapor and also drag some molten metal droplets.In a second time a numerical model was developed to determine the influence of the pressure of the surrounding environment on the melting process of a powder bed by a laser beam. Parameters characterizing the evolution of the physical properties of the material and of the gaseous medium according to the temperature and pressure were incorporated into the model database. Some material parameters were determined from the literature and others were obtained empirically using specific experimental measurements.Finally, this numerical model, complementing experimental results, was used to treat the main subject of the thesis which is the effect of the surrounding pressure on the SLM process. The model helped to clarify the physical phenomena provided by the change in the pressure level and its validity was checked through experimental measurements

Le developpement et la mise en oeuvre de systemes de mesure par sondage laser sont presentes, les resultats obtenus concernent les atomes de sodium et de fer, et les atomes d'ions calcium. Ces resultats sont interpretes de facon theorique au moyen d'un modele a une dimension verticale. Les discussions des cycles des reactions chimiques entre les differents composes neutres et ionises, et des rapports d'abondance entre le sodium, le calcium et le fer resultant de l'ablation des meteorites conduisent a l'elaboration d'un modele global des especes metalliques

Réservé lors de sa mise en service aux applications militaires, le système GPS (Global Positioning System) est désormais utilisé par la communauté scientifique civile pour des applications de positionnement de précision; dans un souci d'amélioration de la précision du positionnement vertical par GPS, une action de recherche est menée conjointement depuis 1999 entre l'Institut Géographique National (IGN) et le Service d'Aéronomie (SA) du CNRS. Cette amélioration concerne la précision de la détermination du délai troposphérique (principalement dû à la présence de vapeur d'eau dont la distribution spatiale est très variable) qui limite actuellement la précision de la restitution de la composante verticale par GPS. Cette thèse porte donc sur l'étude d'une méthode de correction des mesures GPS de la propagation troposphérique et la validation du concept proposé à partir de mesures atmosphériques et de simulations numériques.

Dans un premier temps, le système GPS est présenté dans son utilisation géodésique classique; un bilan d'erreur est donné, en insistant particulièrement sur la modélisation du délai troposphérique qui intervient dans les observations GPS. L'erreur de positionnement induite par des hétérogénéités atmosphériques est estimée par simulation simplifiée de la chaîne de traitement GPS d'une ligne de base en double différence. Il en ressort qu'une correction externe des mesures GPS est nécessaire, et que les méthodes de traitement GPS actuelles (correction a priori et estimation de paramètres troposphériques) ne sont pas adaptées à des situations présentant de fortes hétérogénéités dans la distribution de vapeur d'eau atmosphérique.

Dans un second temps, l'étude se focalise sur le mode de la correction des mesures GPS à utiliser. Après une rapide revue des différentes techniques de sondage de la vapeur d'eau troposphérique, les précisions des délais troposphériques humides obtenus à partir d'une mesure résolue en distance sont comparées, par simulation, à celles obtenues à partir d'une mesure intégrée; de ces simulations, il est conclu qu'une mesure résolue (rapport de mélange ou concentration absolue), fournie par un lidar Raman à balayage, permet d'obtenir la précision sub-millimétrique visée sur le délai troposphérique humide.

Le développement instrumental d'un lidar Raman vapeur d'eau à balayage est ensuite abordé. Le principe de la mesure de vapeur d'eau par lidar Raman est présenté, et compte-tenu des configurations instrumentales existantes, des contraintes d'encombrement imposées par la mobilité du système et des performances obtenues par un simulateur développé pour l'occasion, les caractéristiques d'un nouveau système lidar Raman sont présentées. Les premiers résultats expérimentaux obtenus en visée zénithale lors de la campagne ESCOMPTE en 2001 et d'une campagne de mesure à Toulouse au CNRM en 2002 sont présentés, validant ainsi le simulateur instrumental du lidar Raman développé pour le sondage de la vapeur d'eau atmosphérique.

Dans une dernière partie, le bénéfice d'une correction externe des mesures GPS par lidar Raman à balayage est démontré par la simulation numérique. Les observations GPS et les corrections lidar correspondantes sont calculées à partir d'une simulation de l'évolution de la distribution spatiale de la vapeur d'eau effectuée à méso-échelle par le modèle MM5. La simulation concerne une journée d'étude de la campagne IHOP (International H2O Project) pour un cas où la couche limite est très hétérogène. La stratégie d'observation est discutée en fonction de l'erreur obtenue. Il est montré que les erreurs de positionnement sub-millimétriques (environ 10 fois plus faibles que celles obtenues lors d'un traitement GPS classique) peuvent être obtenues sur une période de 24 heures, avec un balayage séquentiel et homogène de la constellation de satellites GPS (5 minutes d'observation par satellite pour des élévations supérieures à 5°).

Les travaux presentes dans ce memoire ont pour principal objectif: contribuer a l'evaluation des transferts ocean-atmosphere induits par les bulles, par l'etude des mecanismes de generation et de dispersion de bulles provenant du deferlement des vagues. L'essentiel des travaux est constitue par le developpement d'une methode de mesure de bulles, l'obtention et l'analyse de resultats experimentaux sur les populations de bulles generees par le deferlement des vagues et le developpement d'un modele theorique concernant les processus de generation et de dispersion des bulles par un champ de vagues deferlantes. Methode de mesure basee sur l'analyse des intensites diffusees produites par le passage d'une bulle dans un faisceau laser. Cette methode permet d'obtenir directement la probabilite de densite de concentration des bulles en fonction de leur diametre, ainsi que divers parametres complementaires. Les populations de bulles correspondant a differents champs de vagues generes dans la grande soufflerie de simulation des echanges ocean-atmosphere de l'i. M. S. T. Ont ete determinees a differents niveaux, soit en dessous du creux des vagues soit entre le creux et la crete des vagues. Les resultats obtenus sur la concentration, le groupement et la vitesse des bulles permettent l'identification de deux zones: une zone de generation pres de la surface et sur une zone de dispersion en dessous. Le modele theorique propose prend en compte le processus d'injection des bulles en profondeur et l'incorpore, sous la forme d'un terme source, a une equation de dispersion des bulles. Un raisonnement de similitude, comparable a celui utilise dans la theorie de la zone inertielle de kolmogorov, permet de determiner ce terme source. La comptabilite des donnees experimentales disponibles avec les resultats theoriques obtenus parait confirmer la validite du modele propose