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

Felipe Toledo Bittner (1)

1 LMD - Laboratoire de Météorologie Dynamique (UMR 8539)

Visibility reduction caused by fog has a significant impact on human activities. In addition, fog is a complex phenomenon whose evolution depends on the delicate balance of several physical processes. Recent developments show that cloud radars are key instruments to improve observation of key fog processes. This, paired with new developments reducing their cost, opens the possibility of establishing networks of fog surveillance stations. Yet, some challenges must be addressed to secure the value of such networks:1.- Processes that drive fog life cycle occur throughout the fog layer, in particular at its lower boundary where the fog layer interacts with the soil, and at the top where it interacts with the unsaturated air above. In-situ sensors are well suited to monitor key variables in the lowest boundary. Remote sensing instruments, including cloud radars, can monitor the state of the fog layer and processes occurring at fog top. Fog Liquid Water Path (LWP) and fog top height are shown to be remotely sensed variables that are key drivers of fog temporal evolution throughout its life cycles.To address the challenge of assessing fog dissipation tendencies, the thesis proposes a novel approach that relies on remotely sensed variables combined with a new conceptual model. The approach provides two diagnostic variables: the Critical Liquid Water Path (CLWP), and the Reservoir Liquid Water Path (RLWP). CLWP is the minimum amount of LWP necessary to maintain a fog layer of a given thickness. RLWP is the excess of water that must be removed before fog dissipation at the surface can occur. The conceptual model establishes a new paradigm based on the observation of the fog column to assess its dissipation tendency.2.- Cloud radar calibration is an unsolved issue that hampers the performance of fog observation networks, by limiting the reliability of microphysical retrievals and of comparative studies between observation sites. This thesis researches a calibration strategy that could be applied on a fog surveillance network, based on the results of two calibration campaigns that took place at the SIRTA observatory, as part of ACTRIS infrastructure developments.The strategy consists of two steps: First, to calibrate a reference radar with a reliable estimation of uncertainty. Second, to transfer the calibration to other radars, by comparing reflectivity measurements. The reference radar (95 GHz BASTA mini) is calibrated using a new method, based on corner reflectors. Bias and uncertainty sources are discussed and quantified. At present, the method uncertainty is of 2 dB, limited by the use of a theoretical model to calculate the reflector radar cross section. Yet, calculations indicate that uncertainty could reach a theoretical minimum of 0.4 dB, depending on the characterization uncertainty of the reflector and on the experimental setup. The calibration transfer methodology is based on the analysis of simultaneous cloud measurements. Using two weeks of observations, it enabled the calibration transfer from the reference to a 94 GHz RPG cloud radar, with an added uncertainty of 0.9 dB with respect to the reference radar calibration.The technical and scientific work carried out in this thesis contribute to improving our capacity to monitor key variables that contribute to a better understanding of fog life cycle evolution.

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.

Mots clés: Fog; Fog life cycle; Fog remote sensing; Cloud radar; Radar calibration

Mots clés: Brouillard; Cycle de vie du brouillard; Télédétection du brouillard; Radar nuage; Étalonnage de radars

Domaines: Météorologie; Géophysique [physics.geo-ph]; Instrumentations et Détecteurs [physics.ins-det]

Felipe Toledo Bittner. Improvement of cloud radar products for fog surveillance networks : fog life cycle analyses and calibration methodologies. Meteorology. Institut Polytechnique de Paris, 2021. English. ⟨NNT : 2021IPPAX029⟩. ⟨tel-03298445⟩