Apport du sondeur infrarouge IASI à la détermination des flux radiatifs et du taux de chauffage vertical à grande longueur d’onde

Contribution of the infrared sounder IASI to the determination of longwave radiative fluxes and vertical heating rates

• Auteur / Autrice : Yoann Tellier
• Direction : Cyril Crevoisier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Brogniez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Crevoisier, Jérôme Vidot, Quentin Libois, Jean-Louis Dufresne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hélène Brogniez, Jérôme Vidot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géophysique

Climatologie

Transfert radiatif

Gaz à effet de serre

Télédétection

Technique de l'environnement

Mots clés libres

Climat

Transfert radiatif

Gaz à effet de serre

Olr

Taux de chauffage vertical

Télédétection spatiale

Remote sensing

Olr

Climate

Vertical heating rates

Radiative Transfer

Greenhouse gases

Résumé

L’évolution des flux radiatifs atmosphériques à grande longueur d’onde en réponse aux émissions de gaz à effet de serre anthropiques est à la source des changements du climat actuellement observés. Ce forçage radiatif positif du système climatique terrestre est d’une grande importance puisqu’il entraine par exemple des changements dans la circulation atmosphérique et le cycle hydrologique. Ce forçage radiatif correspond à l’évolution du flux radiatif sortant à grande longueur d’onde nommé Outgoing Longwave Radiation (OLR). Les sources et puits de cette énergie radiatives à chaque niveau atmosphérique définissent le taux de chauffage vertical à grande longueur d’onde. L’OLR et le taux de chauffage vertical sont deux des principales grandeurs radiatives importantes utilisées pour suivre et analyser le bilan radiatif terrestre et pour modéliser l’évolution du climat. L’étude de ces grandeurs radiatives prend tout son sens sur des échelles de temps climatiques (plus de vingt ans) et à l’échelle globale, ce que permet l’observation spatiale de la Terre. L’objectif de cette thèse est de déterminer l’apport du sondeur infrarouge hyperspectral IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) à la détermination des grandeurs radiatives à grandes longueurs d’onde.Ces travaux s’appuient sur le développement de 4A-Flux : un module de calcul des flux radiatifs et du taux de chauffage vertical intégré au code de transfert radiatif raie-par-raie et couche-par-couche 4A/OP. Ce code a été validé dans le cadre de l’exercice international d’intercomparaison des codes de transfert radiatifs RFMIP. 4A-Flux a permis de réaliser des études de sensibilité des grandeurs radiatives aux différents paramètres atmosphériques et de surface.Bien que très précise, la modélisation raie-par-raie du transfert radiatif requiert un temps de calcul conséquent qui ne permet pas d’envisager la mise à l’échelle à la multitude d’observations spatiales réalisées par IASI. Nous avons donc développé une méthode basée sur les réseaux de neurones afin d’estimer les grandeurs radiatives directement à partir des spectres de température de brillance observés par IASI. Cette méthode repose sur l’apprentissage d’un perceptron multicouches à partir des bases de données construites avec 4A-Flux à partir des bases de données atmosphériques TIGR et ARSA développées au LMD.Nous démontrons ainsi la possibilité d’estimer à partir des observations à haute résolution spectrale du sondeur infrarouge IASI, sur une vingtaine d’années, période pertinente pour les études climatiques, non seulement l’évolution de l’OLR mais aussi, pour la première fois, du taux de chauffage associé. L’OLR estimé à partir de IASI est comparé et validé par rapport aux mesures réalisées par des radiomètres larges bandes (CERES, SCARAB) et sont analysées en rapport avec des signaux climatiques classiques tels que l'ENSO démontrant ainsi le grand intérêt de la mesure hyperspectrale de IASI pour le suivi des grandeurs radiatives pour le climat.

Driven by the anthropogenic emissions of greenhouse gases, the evolution of the atmospheric longwave radiative fluxes is the main cause of the observed climate changes since the preindustrial era. This positive radiative forcing applied to the climate system of the Earth is highly relevant as it triggers important changes in the atmospheric circulation and the hydrologic cycle. The radiative forcing is the change in the net longwave radiative flux that exits the climate system at the top of the atmosphere named Outgoing Longwave Radiations (OLR). The corresponding function describing the sources and sinks of radiative energy along the vertical is referred to as the longwave heating rate profile. The OLR and the vertical heating rate are both important variables that are used to monitor and analyze the Earth Radiation Budget (ERB) and to model the evolution of the Climate. The study of these radiative variables is relevant on climatic timescales (twenty years) and on the global scale, both allowed by the spaceborne observation of the Earth. The objective of this thesis is to determine the contribution of the infrared hyperspectral sounder IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) to the determination of longwave radiative fluxes and vertical heating rates.This work relies on the development of 4A-Flux: a module aimed at calculating radiative fluxes and vertical heating rates that is integrated into the line-by-line and layer-by-layer radiative transfer code 4A/OP. This code has been validated with its participation to the international radiative transfer code intercomparison project RFMIP. Thanks to 4A-Flux we have performed an insightful sensitivity study of the radiative quantities to the variations of various atmospheric and surface parameters.Despite its high accuracy and due to the important computation time that they require, the line-by-line radiative transfer models cannot be scaled up to the application to the massive quantities IASI observations. Thus, we have developed a method based on neural networks to directly retrieve the radiative quantities from the brightness temperature spectra observed by IASI. This method relies a multilayer perceptron that is trained on databases built with 4A-Flux from the TIGR and ARSA atmospheric databases developed at LMD.Here, we demonstrate the possibility to determine from the observations of the high-resolution infrared sounder IASI, over the climate relevant timescale of twenty years, not only the evolution of the OLR but also, for the first time, the associated vertical heating rate. The OLR estimated from IASI is compared to and validated against the measurements of broadband radiometers (CERES, SCARAB) and are analyzed alongside with classic climatic phenomena such as ENSO – demonstrating the great interest of IASI hyperspectral measurements to monitor the radiative quantities for the climate.