Improvement of cloud radar products for fog surveillance networks : fog life cycle analyses and calibration methodologies

Amélioration des produits radar nuage pour les réseaux de surveillance du brouillard : analyses du cycle de vie du brouillard et méthodologies de calibration La réduction de la visibilité occasionnée par le brouillard a un impact significatif sur les activités humaines. De plus, le brouillard est un phénomène complexe dont l'évolution dépend de l'équilibre délicat de plusieurs processus physiques. Des développements récents montrent que les radars nuage sont des instruments clés pour améliorer l'observation des processus pilotant le cycle de vie des brouillards. Ceci, associé à de nouveaux développements réduisant leur coût, ouvre la possibilité d'établir des réseaux de stations de surveillance du brouillard. Pourtant, il y a des défis à relever pour garantir la valeur de ces réseaux :1.- Les processus qui pilotent le cycle de vie du brouillard se produisent dans une épaisseur d’atmosphère de plusieurs centaines de mètres, en particulier à sa limite inférieure où elle interagit avec le sol, et à son sommet où elle interagit avec l'air insaturé au-dessus. Les capteurs in-situ sont bien adaptés pour surveiller les variables clés dans la limite la plus basse. Les instruments de télédétection, y compris les radars nuage, peuvent surveiller l'état de la couche de brouillard et les processus se produisant à son sommet. Le contenu intégré en eau liquide (LWP) et l’altitude du sommet du brouillard sont montrés comme deux variables de télédétection importantes qui pilotent l'évolution temporelle du brouillard tout au long de son cycle de vie.Pour réussir à évaluer la tendance à la dissipation du brouillard, la thèse propose une nouvelle approche qui repose sur des variables détectées à distance combinées à un nouveau modèle conceptuel. L'approche fournit deux variables de diagnostic : le LWP Critique (CLWP) et le LWP de Réservoir (RLWP). CLWP est la quantité minimale de LWP nécessaire pour maintenir une couche de brouillard d'une épaisseur donnée. Le RLWP est l'excès d'eau qui doit être épuisé avant que la dissipation du brouillard puisse se produire à la surface. Le modèle conceptuel établit un nouveau paradigme basé sur l'observation de la colonne de brouillard afin d'évaluer sa tendance à la dissipation.2.- L'étalonnage des radars nuage est un problème non résolu qui entrave la performance des réseaux d'observation du brouillard, en limitant la fiabilité des mesures microphysiques et des études comparatives entre sites d'observation. Cette thèse étudie une stratégie d'étalonnage qui pourrait être appliquée sur un réseau de surveillance du brouillard, à partir des résultats de deux campagnes d'étalonnage qui ont eu lieu à l'observatoire SIRTA, dans le cadre du développement de l'infrastructure ACTRIS.La stratégie comprend deux étapes : d’une part calibrer un radar de référence avec une estimation fiable de l'incertitude et d’autre part transférer l'étalonnage à d'autres radars, en comparant ses mesures de réflectivité. Le radar de référence (95 GHz BASTA mini) est étalonné avec une nouvelle méthode, basée sur des réflecteurs trièdres. Les sources de biais et d'incertitude sont discutées et quantifiées. Actuellement, l'incertitude de la méthode est de 2 dB, limitée par l'utilisation d'un modèle théorique pour calculer la section efficace du radar du réflecteur. Pourtant, les calculs indiquent que l'incertitude pourrait atteindre un minimum théorique de 0.4 dB, en fonction de l'incertitude de caractérisation du réflecteur et du montage expérimental. La méthodologie de transfert d'étalonnage est basée sur l'analyse de mesures simultanées de nuages. En utilisant deux semaines d'observations, il a permis le transfert d'étalonnage vers un radar nuage RPG de 94 GHz, avec une incertitude ajoutée de 0.9 dB par rapport à l'étalonnage du radar de référence.Les travaux techniques et scientifiques réalisés dans cette thèse contribuent à améliorer notre capacité à surveiller les variables clés qui contribuent à une meilleure compréhension de l'évolution du cycle de vie du brouillard.