Study of global atmospheric gravity waves characteristics using ESA Aeolus satellite wind observations
Etude des caractéristiques globales des ondes de gravité atmosphérique à l'aide des mesures de vent du satellite de l'ESA Aeolus
Résumé
Understanding and predicting the evolution of global climate strongly relies on the knowledge of dynamical processes in the middle atmosphere such as atmospheric waves. Since the global atmospheric circulation is largely driven by middle atmosphere dynamics, it is essential that the climate models take a proper account for the dynamical processes, which has not been fully understood yet. Small-scale atmospheric waves, called internal gravity waves (IGWs) pose a particular challenge for models, whereas inaccurate parameterization of IGWs can dramatically bias the predictions of future atmospheric circulation changes. This issue is aggravated by insufficient understanding of IGW sources, propagation and dissipation, but above all by the lack of observations of wind in the stratosphere. Indeed, spatially-sparse radiosoundings are essentially the only source of data on stratospheric wind profiles. With that, they only provide a snapshot of the local atmospheric conditions therefore missing important IGW parameters. European Space Agency's Aeolus satellite mission is designed to provide global information on the wind speed from the ground up to 30 km, which is highly demanded for weather forecasting. Aeolus satellite has been set into orbit in August 2018 and its payload consists of a sophisticated ALADIN lidar instrument measuring wind velocity by sensing Doppler spectral shift of the laser echo scattered by the different layers of the atmosphere. Aeolus global-scale wind measurements are expected to be of great value for studying the dynamical processes in the stratosphere.The primary objective of this doctoral project is to explore and quantify the capacities of Aeolus observations in capturing and resolving dynamical processes such as IGWs at various spatial and temporal scales. The work will consist first of all in geophysical analysis of Aeolus wind profiles for deriving IGW parameters such as horizontal and vertical wavelengths, energy and momentum flux. The retrieved parameters and their variability in time and space will be compared with those derived from global temperature profiling data of GPS radio occultation missions such as GRAS onboard MetOp satellites. Another task will be to validate the quality of Aeolus wind measurements using the two French ground-based Doppler lidars operating at a mid-latitude site (Observatoire de Haute-Provence) and at a south tropical site (Maïdo Observatory à la Réunion). The time-resolved wind measurements by ground-based lidars will also be used for IGW analysis. An important outcome of this doctoral project will be the first ever climatology of IGW parameters based on a combination of global-coverage wind and temperature profiling
La compréhension et la prédiction de l'évolution du climat global dépendent fortement de la connaissance des processus dynamiques dans l'atmosphère moyenne, comme les ondes atmosphériques. Étant donné que la circulation atmosphérique globale est largement influencée par la dynamique de l'atmosphère moyenne, il est essentiel que les modèles climatiques tiennent compte des processus dynamiques qui n'ont pas encore été complètement compris. Les ondes atmosphériques à petite échelle, appelées ondes de gravité internes (IGWs), posent un défi particulier pour les modèles, alors que la paramétrisation inexacte des IGWs peut biaiser de façon spectaculaire les prédictions des changements futurs de la circulation atmosphérique. Cette question est aggravée par une compréhension insuffisante de la génération des IGWs, de leur propagation et de leur dissipation, mais surtout par le manque d'observations du vent dans la stratosphère. En effet, les radiosondages dont la répartition est spatialement inhomogène sont pratiquement la seule source de données sur les profils de vent stratosphériques. Avec cela, ils ne fournissent qu'un «instantané» des conditions atmosphériques locales, ne permettant pas d'en déduire certains paramètres importants des IGWs. La mission satellitaire d'Aeolus de l'Agence Spatiale Européenne est conçue pour fournir des informations globales sur la vitesse du vent du sol à 30 km, variable essentielle pour les prévisions météorologiques. Le satellite Aeolus a été mis en orbite en aout 2018 et sa charge utile consiste en un lidar sophistiqué ALADIN mesurant la vitesse du vent par détection du décalage spectral Doppler de l'écho laser rétrodiffusé par les différentes couches atmosphériquesLes mesures de vent à l'échelle globale d'Aeolus seront d'une grande valeur pour l'étude des processus dynamiques dans la stratosphère. L'objectif principal de ce projet de thèse est d'explorer et de quantifier les capacités des observations d'Aeolus à capturer et à résoudre les processus dynamiques tels que les IGWs à différentes échelles spatiales ets temporelles. Le travail consistera tout d'abord dans l'analyse géophysique des profils de vent d'Aeolus pour dériver les paramètres des IGWs tels que les longueurs d'ondes horizontales et verticales, l'énergie et le flux de quantité de mouvement. Les paramètres obtenus et leur variabilité spatiale et temporelle seront comparés à ceux déduits des données globales de température des missions de radio occultation GPS telles que GRAS sur les satellite MetOp. Une autre tâche consistera à valider la qualité des mesures de vent d'Aeolus à l'aide des deux lidars français Doppler fonctionnant au sol sur un site de moyenne latitude (Observatoire de Haute-Provence) et sur un site tropical sud (Observatoire du Maïdo à la Réunion). Les mesures de vent résolues dans le temps des lidars au sol seront également utilisées pour l'analyse des IGWs. Un résultat important de ce projet de thèse sera la première climatologie des paramètres des IGWs s'appuyant sur une combinaison de profils de vent et de température à couverture globale.
Origine : Version validée par le jury (STAR)