HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Apportdel’AssimilationdesObservationsMicro-ondesau-dessus
desSurfacesContinentalesFatima KARBOU
Habilitation à Diriger des Recherches, 30 Juin 2010
Directeur de Recherches: Jean-François MAHFOUF CNRM-GAME
Rapporteurs: Jacqueline BOUTIN LOCEAN Stephen ENGLISH Met-Office Catherine OTTLE LSCEExaminateurs: Peter BAUER ECMWF Laurence EYMARD LOCEAN Jean-Noël THEPAUT ECMWF Florence RABIER CNRM-GAME Didier RENAUT CNES Frank ROUX Université Paul Sabatier
1
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
InfluencedesobservationssatellitesenPNT
Modèledeprévision:faireévoluerdansletempsleschampsgéophysiques(T/Q/U/V/Ps)suivantlesloisdeladynamiquedel’atmosphère
2
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
InfluencedesobservationssatellitesenPNT
Modèledeprévision:faireévoluerdansletempsleschampsgéophysiques(T/Q/U/V/Ps)suivantlesloisdeladynamiquedel’atmosphère
Conditionsinitiales:meilleurcompromisentreobservationsdisponiblesetinformation apriori(processusd’assimilationdedonnées)
2
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
InfluencedesobservationssatellitesenPNT
Modèledeprévision:faireévoluerdansletempsleschampsgéophysiques(T/Q/U/V/Ps)suivantlesloisdeladynamiquedel’atmosphère
Conditionsinitiales:meilleurcompromisentreobservationsdisponiblesetinformation apriori(processusd’assimilationdedonnées)
Radiosondages
Observations:grandevariété,différentescaractéristiques,distribuéesdefaçon irrégulièresdansletempsetl’espace
conventionnelles(ausolouaéroportées),Satellites
2
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Nad
ir
direction de balayage
AMSU-AetAMSU-B:unrayonnementélectromagnétiquemesuresindirectesdetempératureetd’humiditésurplusieursniveauxdel’atmosphère
Satellites:Orbitepolaire
AMSU-A:NOAA-15,NOAA-16,NOAA-18,NOAA-19,aqua,MetOp
AMSU-B/MHS:NOAA-16,NOAA-17,NOAA-18,NOAA-19,MetOp
Moded’observation:Balayagetransversal,anglezénithald’observation±58° par rapport au nadir
copyright http://www.sat.ltu.se
Que mesurent les micro-ondes ?
3
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Fréquence (GHz)
Tran
smis
sion
H2O O2 O2 H2O
AMSU-AetAMSU-B:fréquencesélectromagnétiquesd’observationschoisiesdetellesortequelesignalatmosphériquesoitpartiellementoucomplètementtransmis
Que mesurent les micro-ondes ?
4
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
AMSU-AetAMSU-B:fréquencesélectromagnétiquesd’observationschoisiesdetellesortequelesignalatmosphériquesoitpartiellementoucomplètementtransmis
Que mesurent les micro-ondes ?
Lesfonctionspoids:Altitudedumax.de
sensibilité
Canaux surface Température Humidité
Fonctions poids (1/km) Fonctions poids (1/km) Fonctions poids (1/km)
5
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
ExemplesdemesuresavecAMSU-B:mesuresindirectesdel’humidité
Que mesurent les micro-ondes ?
Humidité,2-4km
Humidité,8-10km
Surface
AMSU-Bch1:89GHz
AMSU-Bch3:183.31±1GHzAMSU-Bch5:
183.31±7GHz
6
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Curriculumvitae
19publicationsderangAdont8enpremierauteur
2stages,2visiteursscientifiques(modélisationdelasurface,assimilation,…)
ThèseS.Guedj(2008-2011):Exploitationdesobs.SEVIRI(co-directrice:F.Rabier)
Ingénieurd’EtatenTopographie/Géodésie,Rabat/Maroc
Ingénieurchercheur,ACRI-ST,Sophia-Antipolis
ThèsedeDoctoratenMéthodesPhysiquesenTélédétectionUniversitédeVersaillesSaintQuentinenYvelines,CETP
Post-DocCNES,GAMEToulouse
ChargéedeRechercheduMEEDDM,GAMEToulouse
7moisauCEPMMT(2006-2009)
1999
2000-2001
2001-2004
2005-2006
2007+
visitesscientifiques
7
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Plan
1. Introduction
2. Emissivités des surfaces continentales aux fréquences micro-ondes
3. Progrès en assimilation
4. Conclusions & Perspectives
8
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Lesobservationssatellites:mesuresindirectes(pasdeT,Q,U,V,…)
T,Q,u,v,PsTransfertradiatif(RTTOV)
Espacemodèle EspaceObservations
Équivalentmodèle ObservationsO-BO-A
Simulationsdetransfertradiatif:leschampsatmosphériquesmaisaussilesconditionsauxlimites(Surface)etlesnuages
Contrôlequalitédesobservations:rejeterlesobservationsacquisesenprésencenuages(AMSU-ACh4:52.3GHz,AMSU-BCh2:150GHz)
Nécessitéd’unecorrectiondebiaisefficace(Dee[2004],Aulignéetal.[2007])
Spécificationdeserreursd’observationsetdumodèle
1)Introduction
9
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Canaux surface Température Humidité
Fonctions poids (1/km) Fonctions poids (1/km) Fonctions poids (1/km)
AMSU-AetAMSU-B:fréquencesélectromagnétiquesd’observationschoisiesdetellesortequelesignalatmosphériquesoitpartiellementoucomplètementtransmis
1)Introduction
Lesfonctionspoids:Altitudedumax.de
sensibilité
10
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Canaux surface Température Humidité
Fonctions poids (1/km) Fonctions poids (1/km) Fonctions poids (1/km)
AMSU-AetAMSU-B:fréquencesélectromagnétiquesd’observationschoisiesdetellesortequelesignalatmosphériquesoitpartiellementoucomplètementtransmis
1)Introduction
Lesfonctionspoids:Altitudedumax.de
sensibilité
Effetdelasurface
Ch4
10
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
AMSU-A, ch4: 52.8 GHz, 08/04/2010
AMSU-AetAMSU-B:Effetdelasurfacesurlescanauxdesondageàséparerdeceluidel’atmosphèrepourunemeilleureutilisationdesobservations
1)Introduction:Pourquoilessurfacescontinentales?
11
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
TerresetOcéans:Importanced’unedescriptionprécisedel’émissivitédesurface
OCEANS
Emissivité~0.5:Lacontributiondelasurfaceocéaniqueausignalradiométrique<celledessurfacescontinentales
Assimilation:modèled’émissivitéFastem(English, Hewison [1998], Deblonde, English [2000], Liu et al. [2010])performantpourlesbesoinsPNT
1)Introduction:Pourquoilessurfacescontinentales?
12
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
TerresetOcéans:Importanced’unedescriptionprécisedel’émissivitédesurface
OCEANS
OCEANS CONTINENTS
Emissivité~1:Fortecontributiondelasurfacecontinentaleausignalradiométrique
Assimilation:Jusqu’àrécemmentonnedisposaitpasdemodèled’émissivitésuffisammentperformantpourlesbesoinsPNT
Emissivité~0.5:Lacontributiondelasurfaceocéaniqueausignalradiométrique<celledessurfacescontinentales
Assimilation:modèled’émissivitéFastem(English, Hewison [1998], Deblonde, English [2000], Liu et al. [2010])performantpourlesbesoinsPNT
1)Introduction:Pourquoilessurfacescontinentales?
12
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
différenttypesdesurface(désertàforêts)Calvetetal.(1995),Matzler(1994,1990),Wigneronetal.(1997)parmid’autres
différentstypesdesurface(forêts,neige)HewisonandEnglish(1999),Hewison2001,…
Echellerégionaleàglobale,plusieursfréquencesChoudhury(1993),FeldeandPickle(1995),JonesandVonderHaar(1997),Karbouetal.(2005),Morlandetal.(2000,2001),Prigentetal.(1997,1998),parmid’autres
Limitations:ComplexitédesinteractionsentrerayonnementetlagrandevariabilitédumilieuPourlesapplicationsatmo.:besoindedonnéesd’entrée(végétation,humiditédessols,rugosité…)àl’échelleglobale.
Grody(1998),Isaacsetal.(1989),Wengetal.(2001),…
Mesuresin-situ
Mesuresaéroportées
Estimationssatellites
Modélisation
2) Emissivités des continents
13
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
2) Emissivités des continents
Plusieurshypothèsessimplificatrices
Estimationdel’émissivité:Inversiondel’équationdetransfertradiatif
Problèmemalposé:Incertitudessurl’atmosphèreetsurlasurface
Unesolution:RTTOV+ProfilsdeT/Q(Prévisions/analyses/radiosondages)+Ts(RestitutionIR/Prévisions/analyses)
Karbou, Prigent, Eymard, Pardo, 2005, IEEE-TGRSKarbou, Prigent, 2005, IEEE-GRL
Sommet Atmosphère
Surface (émissivité, température)
(1) Rayonnement montant
(2) Rayonnement descendant (3
) Em
issi
on S
urfa
ce
Signal atténué par l’atmosphère
(3) (2) (1)
14
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
2) Emissivités des continents
Plusieurshypothèsessimplificatrices
Estimationdel’émissivité:
Estimationdel’émissivité:Inversiondel’équationdetransfertradiatif
Problèmemalposé:Incertitudessurl’atmosphèreetsurlasurface
Unesolution:RTTOV+ProfilsdeT/Q(Prévisions/analyses/radiosondages)+Ts(RestitutionIR/Prévisions/analyses)
Karbou, Prigent, Eymard, Pardo, 2005, IEEE-TGRSKarbou, Prigent, 2005, IEEE-GRL
Sommet Atmosphère
Surface (émissivité, température)
(1) Rayonnement montant
(2) Rayonnement descendant (3
) Em
issi
on S
urfa
ce
Signal atténué par l’atmosphère
(3) (2) (1)
14
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Hypothèsedesurface:souventspéculaire,Problématiquepourdesobs.àviséeaunadir?(Matzler,2005)C’estpossible,maisplutôtsurdessurfacesfroidescommelaneige(KarbouetPrigent,2005)
surface spéculaire
modèle lambertien
2) Emissivités des continents
StageMaster2S.Guedj:Étudedelasensibilitédel’émissivitédesurface:spéculaireàlambertienneetintermédiaireseffetmaximalà50GHzdépendantdelasaison
Guedj, S., F. Karbou, F. Rabier, A. Bouchard, 2010, IEEE-TGRS
15
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Hypothèsedesurface:souventspéculaire,Problématiquepourdesobs.àviséeaunadir?(Matzler,2005)C’estpossible,maisplutôtsurdessurfacesfroidescommelaneige(KarbouetPrigent,2005)
surface spéculaire
modèle lambertien
2) Emissivités des continents
StageMaster2S.Guedj:Étudedelasensibilitédel’émissivitédesurface:spéculaireàlambertienneetintermédiaireseffetmaximalà50GHzdépendantdelasaison
Guedj, S., F. Karbou, F. Rabier, A. Bouchard, 2010, IEEE-TGRS
Cartes de corrélations entres observations et simulations à 52 GHz (AMSU-A ch4)Surface
spéculaire
Modèle empirique
Surfacelambertienne
15
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Emissivitétrèsvariable:typesdesurface,temps,fréquence,angled’observation,…
Janvier Août
2) Emissivités des continents: facteurs de variabilité
AMSU-A89GHz
16
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
SSMI/S SSM/I
AMSR-E TMI
2) Emissivités des continents: facteurs de variabilité
Emissivitétrèsvariable:typesdesurface,temps,fréquence,angled’observation,…
37GHz,polarisationhorizontale,Août2009
17
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Facteursdevariabilité:changement de végétation et effet des précipitations en 2007 (Stage L3, Anne Daudin, 2009)
Indicedevégétation(x256)simuléàpartirdesémissivitésà19V
Indicedevégétationobservé
2) Emissivités des continents: facteurs de variabilité
Wittich[1997],VandeGriendandOwe[1993],ValorandCaselles[1996],Prigentetal.[2001]
18
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Plan
1. Introduction
2. Emissivités des surfaces continentales aux fréquences micro-ondes
3. Progrès en assimilation
4. Conclusions & Perspectives
19
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Nouveaumodèled’émissivitépourl’assimilation:basésurdesestimationssatellitesDeuxstratégiespossibles:approche« statique »ou« dynamique »
F. Karbou, E. Gérard, F. Rabier, 2006, QJRMS
climatologies d’émissivités des canaux fenêtres Calcul instantané de l’émissivité à un canal fenêtre
…Canauxsondage
ch1 ch2 ch1 ch2 … ch4Canauxsurface
…Canauxsurface Canaux
sondage
ch3 ch1 … ch4Canauxsurface
…Canalsurface
• Tenircomptedelavariationenangle• Problèmesichangementdesconditionsdesurface
• Solution:pourrestituerlaTs
•faireunchoixdecanalsurface(leplussensibleàlasurfaceouleplusprocheenfréquencepourlescanauxdesondage?)•priseencompted’unchangementdeconditionsausoloud’angled’observation
3) Progrès en assimilation
20
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
89GHz:ancienneémissivité
Nouveaumodèled’émissivitépourl’assimilation:L’approche « dynamique » opérationnelle dans les modèles de Météo-France depuis Juillet 2008
89GHz:nouvelleémissivité
3) Progrès en assimilation
21
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Nouveaumodèled’émissivitépourl’assimilation:Simulations de RTTOV plus proches des observations (très important pour les canaux de contrôle qualité)
Ancien modèle d’émissivité
Densité des obs. AMSU-A Ch7 (Température à 10 km) assimilées dans le modèle global de Météo-France , Août 2006
F. Karbou, E. Gérard, F. Rabier, 2010, Weather and Forecasting
3) Progrès en assimilation
22
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Nouveaumodèled’émissivitépourl’assimilation:Simulations de RTTOV plus proches des observations (très important pour les canaux de contrôle qualité)
Ancien modèle d’émissivité Nouveau modèle d’émissivité
Densité des obs. AMSU-A Ch7 (Température à 10 km) assimilées dans le modèle global de Météo-France , Août 2006
F. Karbou, E. Gérard, F. Rabier, 2010, Weather and Forecasting
3) Progrès en assimilation
22
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
3) Progrès en assimilation
Assimilationdesobservationsdelabassetroposphère:
CTL EXP
23
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Assimilationdesobservationsdelabassetroposphère:
Impact sur les analyses de l’humidité dans les Tropiques
TCWV (EXP-CTL), 45 jours
Plus d’humidité dans EXP
3) Progrès en assimilation
F. Karbou, F. Rabier, J-P. Lafore, J-L. Redelsperger, O. Bock, 2010, Weather and Forecasting
24
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Modélisationdel’émissivité:a rendu possible l’assimilation des observations près de la surface au-dessus des continents
Impact sur les analyses de l’humidité dans les Tropiques
TCWV (EXP-CTL), 45 jours
Plus d’humidité dans EXP
Séries journalières de TCWV à Ouagadougou (Burkina Faso)
3) Progrès en assimilation
25
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Changementd’humidité:Structures similaires dans le modèle global du CEPMMT avec l’assimilation des TCWV de MERIS sur terres (Bauer, 2009)
Inter-comparaisons:MERISversusAMSU-B
TCWV(MERIS-CTL), assim. dans le modèle global du CEPMMT
TCWV(AMSUB-CTL), assim. dans le modèle global du CEPMMT
3) Progrès en assimilation
26
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Plan
1. Introduction
2. Emissivités des surfaces continentales aux fréquences micro-ondes
3. Progrès en assimilation
4. Conclusions & Perspectives
27
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
Emissivitédesurface
6) Conclusions
Modélisationdelasurfaceetdémonstrationdesonutilitéenassimilation:
Assimilationdesobservations
ContributionsauxprogrammesAMMAetCONCORDIASI
Basededonnéesd’émissivitéauGAME: « www.cnrm.meteo.fr/gmap/mwemis/mwemis.html »
+DéveloppementsauCEPMMT(SSM/I,SSMI/S,TMI,AMSR-E),+« atlasdyn. »Krzeminski etal.2008
Impactdesobs.d’humidité:Inter-comparaisonsentremodèles
Desobs.delamoyennetroposphèremodèled’émissivitéopérationneldepuisJuillet2008
Desobs.delabassetroposphèreenopérationnelenAvril2010
Améliorationdel’usagedesobs.surglacedemer(+30%)enopérationnelàl’automne2010
Dynamiqueautourdelasurface:étudesdesensibilité:neige,végétation,pluie,humiditédes sols(Calvetetal.2010),Correctiondebiaissurcontinents(Gérardetal.2010)
28
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
6) Vers quoi aller ?
Contributionsauxétudessurlecycledel’eau:
Impactdesobservations
Meilleurequalitédesanalysesdel’humiditéré-analyses?
Hauterésolution:observationscontinentales+hautefréquencetemporelle
Plusd’effortsurlasurfacepourl’infra-rouge
Expertisedesmicro-ondes
Lessystèmesd’assimilationdesurface
Nouveauxsatellitesetinstruments:SSMI/S,SAPHIR,MADRAS,SMOS,MTG
Meilleureanalysedelatempératuredesurface
Laneige,laglacedemer,surfacesarides,nuages/pluie,exercicesd’inter-comparaison(PNT,GPM)…
Campagnesdemesures:
Importancedesobservationsindépendantespourévaluerlesmodèles
CONCORDIASIetAMMA,HyMeX
29
HDR F. Karbou, CNRM-GAME, Toulouse 30 Juin 2010
Slide
Slide
30