Thèse soutenue

Apport de la télédétection radar pour l’estimation des précipitations liquides, solides et en fusion dans les hautes montagnes (Alpes Françaises)
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Auteur / Autrice : Anil Kumar Khanal
Direction : Guy Delrieu
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Hydrologie
Date : Soutenance le 20/12/2022
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Anne-Catherine Favre Pugin
Examinateurs / Examinatrices : Remko Uijlenhoet
Rapporteurs / Rapporteuses : Alexis Berne, Marielle Gosset

Résumé

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Les radars haute fréquence (bande X) fournissent la résolution nécessaire pour saisir la variabilité spatio-temporelle des précipitations en terrain montagneux. Un radar au sommet d'une montagne avec une visibilité de 360◦ peut détecter les systèmes entrants à longue distance et capturer la dynamique à fine échelle des systèmes convectifs. Un radar basé dans une vallée peut capturer le changement de phase thermodynamique local mais détaillé des hydrométéores en chute dans les systèmes stratiformes. La couche de fusion (ML) se trouve souvent sous les altitudes du sommet des montagnes en hiver. L'atténuation est importante dans les précipitations mi-lourdes et dans la couche de fusion en bande X, et doit être corrigée pour les applications d'estimation quantitative des précipitations (QPE). Le dilemme du positionnement du radar, l'atténuation et la mauvaise compréhension de la ML, entre autres, rendent difficile l'EPQ en terrain complexe.Un système d'observation unique a été déployé dans les Alpes Françaises, depuis 2016, composé de deux radars polarimétriques en bande X, MOUC au sommet du Mont Moucherotte à 1913 m d'altitude et XPORT sur le campus de l'UGA dans la vallée à 220m d'altitude. Deux systèmes radar séparés 11 km avec un gradient d'altitude de 1700 m, offrent une opportunité unique d'identifier simultanément la ML à partir des radars basés dans la vallée, et d'étudier la propagation des ondes électromagnétiques dans la ML en utilisant les balayages à basse altitude du radar du sommet de la montagne. Un micro-radar de pluie en bande K (MRR) et un disdromètre (DSD) sur le site de l'UGA ainsi que 10 stations pluviométriques dispersées autour de Grenoble complètent le dispositif expérimental de RadAlp.Un algorithme d'identification des ML est développé à partir des systèmes radar basés sur les vallées: il utilise les profils quasi verticaux des mesures polarimétriques du XPORT, et les profils verticaux du MRR des spectres de vitesse de chute apparente et de la réflectivité. L'algorithme produit des séries temporelles des altitudes et des valeurs des pics et des points d'inflexion des différentes observables radar. Une revue de la littérature met en relation les processus microphysiques en jeu lors de la fonte avec les signatures polarimétriques et Doppler disponibles. Une étude de la climatologie des indicateurs polarimétriques de la couche de fusion permet de la caractériser pendant l'événement de précipitation stratiforme.Le potentiel d'exploitation de la capacité polarimétrique dans la correction de l'atténuation du radar météorologique en bande X en présence de ML est exploré en étudiant la relation entre le déphasage différentiel (Φdp) et l'atténuation intégrée au chemin (PIA) à différents stades de la fusion. La technique de référence en montagne fournit des mesures directes de PIA à des angles d'élévation faibles du radar MOUC. Φdp est indépendant de l'atténuation, des erreurs absolues d'étalonnage du radar et du fouillis terrestre, et fournit un moyen robuste de corriger l'atténuation. Il est cependant obtenu à partir de profils de distance bruités. Un algorithme de régularisation de Φdp est développé : il exploite la nature cumulative de Φdp et élimine le bruit en utilisant l'approche itérative de la taille de pas maximale autorisée. La relation PIA-Φdp dans la bande X au sein de la ML est établie.Les capacités bi-polarimétriques du radar sont exploitées pour récupérer les caractéristiques multi-moments des distributions de taille des particules des précipitations, afin d'optimiser la récupération des paramètres pour améliorer les algorithmes de correction de l'atténuation dans la bande X. Différentes formulations de la correction d'atténuation sont revisitées pour développer un modèle de calcul. Une approche d'analyse de sensibilité avec une fonction de coût permet d'optimiser les paramètres. La comparaison des taux de précipitations avec le pluviomètre fournit la validation de l'amélioration de l'QPE.