GPS Tomography of Tropospheric Water Vapour Measurements - Application to Intense Precipitations
Quantification de la vapeur d'eau troposphérique par GPS (modèles 2D et tomographies GPS) - Application aux précipitations intenses.
Résumé
The water vapour plays a unique role in the climate and the meteorology of the earth. It is a key variable to understand the convection and the intense precipitations. Now the quantitative precipitation forecast does not improve since about twenty years partly because the measure of the water vapour variability is a lack of the current observing systems. The accuracy of integrated water vapour GPS measurements has been shown since about ten years. The GPS tomography allows nowadays to retrieve the 3D field of water vapour.
This dissertation presents the theory (least square method and Kalman filtering), the validation and the applications of the GPS tropospheric tomography software LOFTT_K developed during this thesis. The tomography has been validated with simulations, meteorological modelling and independent measurements. The tomography has been then used to understand the small scale interactions between the local (the breezes) and mesoscale (the mistral) dynamics. The meteorological GPS has also allowed to characterize the humidity variations during rain events in the Cévennes (South France). Finally the GPS tomography at mesoscale has shown a mechanism of humidity « loading » of the atmosphere before a convection initiation case.
This dissertation presents the theory (least square method and Kalman filtering), the validation and the applications of the GPS tropospheric tomography software LOFTT_K developed during this thesis. The tomography has been validated with simulations, meteorological modelling and independent measurements. The tomography has been then used to understand the small scale interactions between the local (the breezes) and mesoscale (the mistral) dynamics. The meteorological GPS has also allowed to characterize the humidity variations during rain events in the Cévennes (South France). Finally the GPS tomography at mesoscale has shown a mechanism of humidity « loading » of the atmosphere before a convection initiation case.
La vapeur d'eau joue un rôle majeur dans le fonctionnement climatique et météorologique de la Terre. C'est notamment une variable clé pour comprendre les phénomènes de convection à l'origine des précipitations intenses. Or les prévisions quantitatives des pluies ne s'améliorent pas depuis 20 ans parce que - entre autres - la mesure de la variabilité de la vapeur d'eau est une lacune des systèmes d'observations. La précision de la mesure du contenu intégrée en vapeur d'eau par le système GPS est démontrée depuis une dizaine d'années. La tomographie GPS permet aujourd'hui de restituer le champ 3D de vapeur d'eau.
Ce mémoire présente la théorie (méthodes des moindres carrés et filtre de Kalman), la validation et les applications du logiciel LOFTT_K de tomographie troposphérique GPS développé pendant cette thèse. La tomographie a été validée grâce à des simulations, des modèles météorologiques et des mesures indépendantes. Elle a ensuite été utilisée pour comprendre les interactions petites échelles entre les dynamiques locales (les brises) et de mésoéchelle (le mistral). Le GPS météorologique a permis aussi de caractériser les variations d'humidité pendant les pluies cévenoles. Enfin la tomographie GPS régionale a mis en évidence un mécanisme de chargement en humidité de l'atmosphère avant l'initiation de la convection.
A l'avenir, les données GPS seront assimilées dans les modèles opérationnels de prévision météorologique. Elles doivent aussi servir à approfondir la connaissance des relations entre les précipitations, la convection et la dynamique de la vapeur d'eau.
Ce mémoire présente la théorie (méthodes des moindres carrés et filtre de Kalman), la validation et les applications du logiciel LOFTT_K de tomographie troposphérique GPS développé pendant cette thèse. La tomographie a été validée grâce à des simulations, des modèles météorologiques et des mesures indépendantes. Elle a ensuite été utilisée pour comprendre les interactions petites échelles entre les dynamiques locales (les brises) et de mésoéchelle (le mistral). Le GPS météorologique a permis aussi de caractériser les variations d'humidité pendant les pluies cévenoles. Enfin la tomographie GPS régionale a mis en évidence un mécanisme de chargement en humidité de l'atmosphère avant l'initiation de la convection.
A l'avenir, les données GPS seront assimilées dans les modèles opérationnels de prévision météorologique. Elles doivent aussi servir à approfondir la connaissance des relations entre les précipitations, la convection et la dynamique de la vapeur d'eau.