Earth System modelling at the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts

The gradual progress in global numerical weather prediction includes a systematic approach to assess and quantify the associated forecast uncertainty by means of high-resolution ensembles of assimilation and forecasts. This involves simulations with billions of gridpoints, the continuous assimilation of billions of observations, rigorous verification, validation and uncertainty quantification, and it involves increasing
model complexity through completing the descriptions of the global water and carbon cycles.
The coupling of atmosphere, land-surface, ocean, sea-ice, and waves in ECMWF's Earth-system model
requires a careful consideration of the highly varying temporal and spatial scales of the individual
processes at the interfaces and their consistent initialization.

This talk will describe recent progress for improving the analyses and forecasts, with a particular
emphasis on tropical cyclone prediction and tropical dynamics. The latter is not only important for the longer term prediction of phenomena such as the MJO, but also for example to better use and constrain the assimilation of winds and temperature in the tropical stratosphere.

Cyclones tropicaux et changement climatique : que disent les modèles de climat ?

L'évolution des cyclones tropicaux (fréquence, intensité, trajectoire, saisonnalité, etc.) en climat plus chaud reste largement incertaine. La théorie est mal connue, les séries d'observations sont hétérogènes dans le temps et l'espace, et les modèles de climat sont jusqu'à présent trop peu résolus (>100km) pour bien représenter ces phénomènes. Deux options s'offrent néanmoins : 1. effectuer des simulations dédiées à haute résolution (<50km) et y détecter les cyclones tropicaux via des algorithmes de "tracking", ou 2. exploiter les simulations à basse résolution en cherchant des liens entre l'activité cyclonique et l'environnement de grande échelle, t.q. des indices de cyclogénèse. Je parlerai ici de ces deux pistes de recherche qui ne mènent pas toujours aux mêmes résultats. Je détaillerai comment la configuration basculée-étirée d'ARPEGE permet d'améliorer considérablement la représentation des cyclones tropicaux, présenterai quelques résultats issus des simulations réalisées pour le projet RenovRisk, et comparerai aux résultats obtenus à partir des indices de cyclogénèse, en essayant de réconcilier les deux approches.

Novel Ways to See More: Polarised Active Remote Sensing

Polarisation is the phenomenon in which waves of electromagnetic radiation are restricted in the direction of vibration. The only reason polarisation state is worth contemplating is that two beams of radiation, otherwise identical, may interact differently with matter if their polarisation states are different. Thus, observing the polarisation of scattered light in the atmosphere provides a unique way to probe clouds, precipitation and aerosol. In this seminar, we will review polarised active remote sensing and how these techniques may be used to explore the atmosphere in novel ways. This will include the discussion of current (fuzzy logic) and innovative approaches (Iterative/recursive clustering) to hydrometeor classification algorithms which we will apply to the data coming from the radar I am deploying as part of the CONCIRTO campaign at the Maido Observatory.

Aerosol lidars and observations at the Remote Sensing Lab., Barcelona, Spain

The Remote Sensing Lab. (RSLab) at the Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain, develops aerosol lidars since year 1993. It is part of EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network) since its beginning in 2000, and also belongs to ACTRIS (Aerosol, Clouds, and Trace gases Research Infrastructure).  Presently the group operates 1 advanced, multi-wavelength 3beta+2alpha+2delta+1WV lidar, and a continuous 24/7 micro pulse lidar. It also runs a polarized sun/sky-photometer and shortwave and longwave radiative flux sensors.
The presentation will give a general presentation of the RSLab and its instruments, and then focus on recent studies performed by the group: 1) monitoring of long-range transport of Canadian wildfires to the Iberian Peninsula in September 2017, 2) some interesting results about shortwave/longwave radiative forcing studies of mineral dust, and 3) aerobiological particles (pollen) monitoring with lidar

Observations du mercure atmosphérique depuis l'Antarctique jusqu'aux Tropiques

Le mercure est un polluant global émis en partie par les activités humaines (orpaillage, combustion) et le volcanisme. Une fois déposé il pourra s'accumuler et se concentrer dans les chaînes alimentaires marines exposant via l'alimentation des millions de personnes à ce composé extrêmement toxique. A travers des observations atmosphériques, nous essayons de comprendre comment ce polluant voyage et comment il peut se déposer vers les surfaces environnementales. Nos mesures s’intéressent particulièrement aux régions peu documentées comme les régions antarctiques, les sites de hautes altitudes et sites tropicaux où nous suspectons une réactivité atmosphérique plus intense susceptible d'avoir des conséquences sur le cycle hémisphérique de ce contaminant.

Soleil, pollution et santé: Résultats des études interdisciplinaires développées en Amérique du Sud et en Europe

Variabilité spatiale et saisonnière des nuages sur l'océan Indien à partir des produits DARDAR v2

L'objectif de cette étude est de caractériser la variabilité spatiale et saisonnière des nuages au-dessus de l'océan Indien à partir d'observations satellitaires. Les mesures CALIPSO et CLOUDSAT sont traitées en synergie pour produire les données DARDAR (raDAR/liDAR). Le produit DARDAR_MASK fournit une classification thermodynamique des nuages (glace, eau surfondue, nuage d'eau liquide, pluie froide, pluie chaude....) sur la trace du satellite. Ce séminaire présentera la méthodologie mise en place pour calculer les fréquences d'occurrence saisonnière et mensuelle des nuages dans un domaine s'étendant de 5°S et 60°S et 35°E à 95°E. Des cartes de couvert nuageux ainsi que la distribution verticale des nuages en différentes régions seront analysées sur la période 2007-2010. Une attention particulière sera portée aux régions Canal du Mozambique/Madagascar et La Réunion/Maurice qui sont marquées par une forte saisonnalité en terme de couverture nuageuse, d'occurrence des pluies et de convection.

Impact de la MJO sur l'initiation et et l'intensification des dépressions tropicales sur l'Océan Indien

Systèmes Précipitants: les liens entre vapeur d'eau, relief et microphysique.

En s'appuyant sur la restitution du champ de vapeur d'eau par tomographie à partir de mesures de
réseaux de stations GPS, mais aussi sur l'observation de la dynamique des systèmes précipitants à
l'aide de radars en bande C et X, et aussi sur l'étude des profils de distribution de gouttes des pluies à
l'aide de micro rain radars déployés lors des campagnes, telles que COPS et HYMEX notamment, nous
investiguerons les liens existant entre systèmes convectifs/précipitants et leur évolution avec la
dynamique de la vapeur d'eau, l'impact du relief et la caractérisation microphysique des pluies.
Ainsi, d'une part nous observerons que la vapeur d'eau modulée par son écoulement en fonction du
terrain agit comme un précurseur à l'initiation convective, tandis que d'autre part nous montrerons
que le relief est également amené à modifier l'évolution de la microphysique des pluies au cours de
leur chute.

La mousson d'Asie est la région la plus convective pendant l'été boréal qui se situe aussi au dessus de la région la plus polluée de la planète. Le projet européen StratoClim qui a pour but d'en étudier l'impact sur la TTL et la stratosphère a réalisé pendant l'été 2017 une campagne aéroportée avec l'avion Geophysica depuis le Népal. Le séminaire présentera cette campagne et ses tous premiers résultats et discutera le transport dans la région de la mousson d'Asie où l'anticyclone d'altitude ventile les sources convectives, piège l'air pollué issu de la surface et favorise l'entrée dans la stratosphère sur son flanc est. On discutera aussi de l'ATAL, couche d'aérosol apparue vers 16 km d'altitude au coeur de l'anticyclone et de sa probable origine anthropique.

Damien Vignelles – Post-doctorant chercheur en instrumentation CEMHTI

Caractérisation du LOAC (mini compteur de particule) dédié à la mesure de la variabilité des
aérosols stratosphériques
 

L’étude des aérosols stratosphériques est importante pour comprendre le bilan radiatif
terrestre ainsi que la physico-chimie de ce compartiment atmosphérique. A l’heure actuelle,
notre représentation des différents types de particules stratosphériques et leurs répartitions
spatiale et temporelle n’est pas complète.
Nous montrons que la mesure de la concentration en particules sous ballon météorologique
au moyen d’un nouveau mini compteur de particules, le LOAC, pourrait permettre de rendre
compte de la possible variabilité locale du contenu en aérosols stratosphériques dans la
gamme de taille 0,2 à 100 μm en diamètre. La première partie de ce travail consiste à
caractériser plus précisément les performances du LOAC sous ballon météorologique
appliqué à la mesure en stratosphère. La seconde partie propose une analyse comparée du
contenu en aérosols stratosphériques obtenu par LOAC, à partir de lâchers de ballons en
France régulièrement depuis 3 ans et plus ponctuellement à l’étranger dans des situations
particulières (volcan, mousson), et par d’autres types de données (Observations spatiales,
lidar sol et simulation globale). Nous montrons alors que l’instrument possède une limite de
détection rendant difficile la mesure des particules submicroniques lors de période de fond
en moyenne stratosphère pour des concentrations de l’ordre d’une particule par cm 3. Dans
sa version actuelle, le LOAC permet de documenter les panaches volcaniques en
troposphère ainsi qu’en basse stratosphère. En perspective, nous proposons des directions
pour la calibration et l’analyse des futures données d’une nouvelle génération de l’instrument
en développement.

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Characterisation of the LOAC (miniature aerosol counter) dedicated to the measurement of
the variability of stratospheric aerosols
The study of the stratospheric aerosols is important to our understanding of the terrestrial
radiative budget and the chemical-physics of this atmospheric compartment. Our current
comprehension of the different types of stratospheric particles and their spatial and temporal
distribution is incomplete.
We are showing that measuring particle concentrations by the means of a new balloon-borne
miniature particle counter, the LOAC, may allow us to determine the local variability in
stratospheric aerosols in the size range 0.2 –100 μm in diameter. In that respect, the PhD
thesis consists of a first phase of a more accurate characterisation of the LOAC’s
performances under balloon-borne measurement. A second phase consists of comparative
analysis of stratospheric aerosol content based on a LOAC dataset obtained during a
continuous campaign of balloon launches in France, along with some occasional flights
abroad under particular circumstances (volcanic eruption, monsoon). Thus we show that the
LOAC has a detection limit that restricts the measurement of submicronic particles in
volcanic quiescent periods for concentrations lower than typically 1 particle per cm3. In its
current version, the LOAC allows us to characterise aerosols in volcanic plumes in the
troposphere and lower stratosphere. And, further, we propose directions concerning possible
calibration and analysis strategies for the future data from the next generation of the LOAC
currently in development

Titre: Utilisation des radiomètres et radar à haute résolution embarqués
sur satellites pour l'étude des cyclones

Résumé:

Les nouvelles techniques d'observations disponibles par satellites micro-ondes ont
permis le développement de méthodes innovantes pour la mesure du vent de surface à
l'échelle globale. En particulier, de récents travaux ont montré que la dynamique du signal
mesuré et la taille des images acquises par les radiomètres en bande L et les radars à
haute résolution (SAR) en bande C peuvent compléter les observations classiquement
effectuées par les diffusiomètres.
Cette présentation s'attachera à montrer les possibilités de ces capteurs pour
l'observation des cyclones tropicaux et illustrera ce qu'il est prévu de faire pendant la
saison des cyclones dans la région sud-ouest de l'océan Indien et en particulier dans le
cadre de RenovRisk. Les spécificités de chacun de ces capteurs et les stratégies mises en
place pour le développement des méthodes de mesures de vent de surface seront
présentées. Les performances et limitations de chacun de ses instruments mais aussi la
cohérence/complémentarité des mesures de vent issues de ces deux techniques
différentes seront discutées. La capacité unique du radar à haute résolution à mesurer le
spectre 2D de houle sera également présentée. Un exemple de co-analyse de mesures de
houle avec les mesures de vent radiomètre/SAR pour décrire de manière cohérente à la
fois le champs de vent dans les cyclones et le champ de vagues générées sera montré.

Titre : Analyse d’un ensemble de séries temporelles (Analyse multivariée) :
Application à l’analyse de la variabilité de la composition de l’atmosphère.

Résumé : L’analyse de la composition de l’atmosphère et son suivi dans le temps joueun rôle important dans l’étude du changement climatique. Cette présentation, dédiée à la caractérisation de la variabilité de la composition de l’atmosphère, s’appuie sur le couplage de deux types de techniques numériques relativement récentes et potentiellement prometteuses.
Le premier type de technique, connue sous le nom de « séparation aveugle de sources » consiste à estimer un ensemble de sources inconnues à partir d’un jeu d’observations. Ces observations résultent du mélange de ces sources et proviennent des capteurs. Ce type de technique peut s’appliquer à l’identification et au calcul des proportions des différents composants d’un mélange gazeux tel que l’atmosphère.
Le deuxième type de technique s’appuie sur l’analyse de séries temporelles non linéaires de mesures avec pour objectif de caractériser et de prédire la dynamique observée.
L’atmosphère peut être considérée comme un système complexe et la variabilité de sa composition est le résultat d’un ensemble de processus physique ayant des échelles de temps et d’espace différents faisant intervenir un grand nombre de composants.

Le couplage de ces deux techniques pourrait permettre de caractériser la variabilité de la composition de l’atmosphère : le premier type de technique permet de quantifier certains composants de l’atmosphère (CO, CO2, vapeur d’eau, ozone, ...) tandis que le deuxième type de techniques permet de suivre et de caractériser l’évolution de la concentration de ces composants. Un tel couplage peut aussi servir de base pour étudier les facteurs liés au changement climatiques comme l’effet de serre ou la teneur en vapeur d’eau pour l’élaboration d’un modèle climatique local. Il peut aussi permettre d’étudier l’évolution des propriétés optiques de l’atmosphère (coefficient
d’absorption, coefficient de diffusion) pour caractériser la propagation d’un rayonnement dans l’atmosphère.

Seminar on Friday 16th of June 2017, 10H, Salle OSU-R

Pr. Rui Fernandes

SEGAL / UBI

Space and Earth Geodetic Analysis Laboratory / University of Beira Interior

Covilhã, Portugal

Title : "GNSS for Geosciences: from second to secular"

Abstract : The advent of GNSS systems created a multitude of new technical and scientific applications that are nowadays dependent of this space-based system requiring accuracies from meters (e.g., navigation) to millimeters (e.g., deformation monitoring) level. The focus of this talk is to present some geodetic research activities and practical projects that have been carried by SEGAL (UBI/IDL) and that are serving the scientific community.

We start by discussing the accurate estimation and interpretation of secular motions due to tectonic and subsidence/uplift processes. A major issue is to separate on the estimated time-series the secular motions due to plate tectonics from other signals. Various other phenomena, such as loading effects, local crustal movements, postglacial rebounds etc., additionally affect the time-series of a ground monument position and should be taken into account.

We will also focus on issues related with the application of GNSS to evaluate sudden displacements (second level) due to seismic events. In this respect, geodetic observations can play a crucial role in Early Warning Systems and GNSS-Seismology.

Additionally, we will discuss other scientific applications, in particular the use of GNSS as an atmospheric sensor. GNSS is nowadays being currently used as a common tool for atmospheric precipitable water content (PWV) and ionospheric total electron content (TEC) monitoring.

Titre: Etude numérique de l'impact des vagues (gravitaires et infragravitaires) sur l'hydrodynamique d'un récif frangeant (La Saline, La Réunion)

Résumé: Parmi la diversité de récifs coralliens présents dans les zones tropicales, les récifs de type frangeant (comme celui de La Réunion) sont les plus courants. Avec un comportement semblable à un filtre passe-bas, une structure récifale frangeante constitue une défense côtière importante et efficace contre l'action des ondes gravitaires de fréquence haute (soit des périodes courtes comprises entre 4s et 18s en général). En revanche, l'efficacité de ce filtre dépend des états de mer (énergie spectrale et niveau d’eau), et les ondes infragravitaires caractérisées par leur fréquence basse (soit des périodes longues de l'ordre de 30s à 3min environ) peuvent passer le récif et constituent ainsi le transfert d’énergie dominant au-dessus du platier récifal.

Ce stage constitue une première approche de modélisation numérique de ces phénomènes, pendant un évènement de houle australe en Juin 2014.

Single Camera Disdrometer: taille, vitesse et forme des gouttes de pluie

Gilles Molinié, IGE-UGA, Grenoble

Ce séminaire présente le fonctionnement et les performances d’un capteur de la taille, de la forme et de la vitesse des gouttes de pluie que nous concevons au LTHE (IGE-Grenoble) depuis 2009.
Connaı̂tre la distribution de la taille des gouttes de pluie est indispensable pour calculer des paramètres intégrés tels que la quantité de pluie tombée, l’intensité de la pluie, son énergie cinétique ou encore la réflectivité radar et ainsi comparer des mesures radar à celles de pluviomètres, disdromètres ou à des sorties de modèles par exemple.
Ces calculs de paramètres intégrés sont sensibles à la forme des gouttes, souvent l’hypothèse de sphéricité est faite. Or les mesures par caméras rapides en soufflerie ou de gouttes lachées depuis plusieurs dizaines de mètres de hauteur, montrent que plus les gouttes sont grosses plus leur forme varie au cours de leur chute.
Les disdromètres classiques du commerce à une dimension ne peuvent pas mesurer cette évolution de la forme. Elle est donc déduite de la relation entre vitesse et taille apparente des gouttes.
Un autre challenge important de la mesure de la taille des gouttes de pluie est la résolution temporelle
qui induit la résolution spatiale. Une haute résolution temporelle est nécessaire pour identifier les processus microphysiques, mais elle contraint un grand volume d ́échantillonnage pour la robustesse des mesures. Pour la plupart des capteurs du commerce, la résolution est limitée par la densité des gouttes de pluie.
Pour palier aux différentes limitations indiquées ci-dessus, le SCD utilise une technologie originale basée
sur la stéréo-ombroscopie des gouttes de pluie.

Titre :
Interactions océan-vagues-atmosphère dans le Sud-Ouest de l’Océan Indien : étude du cyclone tropical Bejisa (La Réunion, 2014)

Résumé :
Les cyclones tropicaux sont le siège de nombreuses interactions océan-vagues-atmosphère (OVA) à des échelles spatiales et temporelles multiples. Afin de quantifier au mieux les mécanismes en jeu dans ces interactions, des modèles de circulation hydrodynamique (CROCO), atmosphérique (Meso-NH / SurfEx) et d'états de mer (WW3) ont été couplés à l’aide du coupleur OASIS3-MCT (travail basé sur les travaux présentés dans Voldoire et al. (2017, en préparation)). Une configuration de ce système a été mise en place dans le Sud-Ouest de l’Océan Indien autour de Bejisa, un cyclone tropical ayant frôlé les côtes réunionnaises en janvier 2014. Après une description des interactions OVA en surface, l’influence du couplage sur la structure thermodynamique du cyclone, la couche limite océanique ainsi que sur l’état de la mer sera présentée.

Impact environnemental d'un phénomène éruptif : apports de la spectroscopie et de l'imagerie

Combinées, spectroscopies et imageries permettent des analyses physico-chimiques locales fines situées dans un contexte global.

Nous aborderons, à travers des exemples, l'apport de ces outils dans des problématiques liées à l'environnement volcanique actif:

Premièrement, l'étude de l'évolution de la minéralogie secondaire dans un tunnel de lave de l'éruption de 2007.

Enfin, des travaux à venir sur la caractérisation des émissions proches de l'évent et de leurs processus de transport dans l'environnement.

Rémi LAXENAIRE

Bonjour à tous,

Bonjour à tous,

Une paramétrisation locale du modèle de transfert radiatif TUV a été développée afin de modéliser le rayonnement ultraviolet à la Réunion. Cette paramétrisation été comparée avec des mesures de rayonnement ultraviolet prises à l’université de la Réunion depuis Janvier 2009 par un spectromètre BENTHAM DM 300. L’influence de différents paramètres d’entrée a été analysée comme la colonne totale d’ozone, la spectre solaire, la section efficace d’absorption ou encore les aérosols. Afin de s’affranchir de la variation liée à la nébulosité et de comparer les sorties du modèle aux observations en état de ciel clair, deux méthodes sont utilisées : un filtre nuageux dérivé de différentes mesures de rayonnement global et diffus et un filtre à partir de rapports d’observateurs réalisés à Gillot.

Après cette validation du modèle TUV, d’autres travaux (en cours) seront également présentés. Afin de réaliser des projections climatiques du rayonnement uv jusqu’à l’horizon 2100, un couplage du modèle de transfert radiatif (validé en partie 1) avec les modèles de chimie climat issus de l’exercice d’inter-comparaison de modèles (Chemistry Climate Model Initiative) est réalisé. Ce travail concerne tout d’abord la partie historique (jusqu’à aujourd’hui) afin de valider les sorties modèle à partir des observations dans les tropiques sud.

Dans un 2ème temps, ce couplage sera étendu jusqu’en 2100 afin d’estimer l’évolution climatique des rayonnement UV au sol dans le contexte de la diminution de l’ozone aux tropiques sud [1].

[1]Butler, A., Daniel, J. S., Portmann, R. W., Ravishankara, A. R., Young, P. J., Fahey, D. W., & Rosenlof, K. H. (2016). Diverse policy implications for future ozone and surface UV in a changing climate. Environmental Research Letters.

Bonjour à tous,