Mesure du vecteur tridimensionnel du vent à partir de drones pour l'étude des interactions aérosol-nuages
Calmer, Radiance
3D wind vectors measurement with remotely piloted aircraft system for aerosol-cloud interaction study
Le projet européen BACCHUS (impact of Biogenic versus Anthropogenic emissions on Clouds and Climate: towards a Holistic UnderStanding) porte sur les interactions aérosols-nuages. Les vitesses du vent vertical à proximité de la base des nuages et les spectres des noyaux de condensation des nuages (CCN) sont deux paramètres d'entrée importants pour les modèles de parcelle aérosol-nuage dans la détermination des propriétés microphysiques et optiques des nuages. Par conséquent, la présente étude se concentre sur le développement et la mise en oeuvre de mesures de vent atmosphérique afin d'améliorer les études de fermeture aérosol-nuage. Les systèmes d'aéronefs pilotés à distance (RPAS) ont démontré leur potentiel en tant qu'outils pour la recherche atmosphérique dans l'étude de la couche limite, des aérosols et des nuages. Cependant, en tant qu'outil récent en recherche atmosphérique, le RPAS nécessite un développement instrumental pour répondre aux besoins d'observation actuels. Une sonde à 5 voies est développée pour une plateforme d'aéronef piloté à distance (RPA), assistée par un système de navigation inertiel (INS) pour obtenir les trois vecteurs du vent atmosphérique. La sonde à 5 voies est d'abord calibrée dans une soufflerie (à Météo-France, Toulouse, France), et une analyse d'erreur est effectuée sur la mesure du vent vertical. Les vecteurs de vent obtenus à partir de vols de RPA sont comparés à des vecteurs de vent déterminés à partir d'anémomètres soniques situés à différents niveaux d'un mât météorologique de 60 m (Centre de Recherches Atmosphériques, Lannemezan, France). Une bonne concordance entre les fonctions de densité de probabilité de la vitesse verticale du vent est obtenue. La densité spectrale de puissance des trois composantes du vent suit la ligne -5/3 en régime de turbulence établie (loi de Kolmogorov). Les valeurs d'énergie cinétique turbulente (TKE), calculées à partir du RPA, sont légèrement supérieures à celles de l'anémomètre sonique. Cependant, les résultats concordent avec ceux rapportés dans d'autres expériences comparant les plateformes RPAs à des anémomètres soniques (Lampert et al. (2016), Båserud et al. (2016)). Comme le RPA équipé d'une sonde à 5 voies (définie comme le 'wind-RPA') est développé pour les observations aérosol-nuage, les vitesses verticales (updraft) près de la base des nuages sont comparées avec les données d'un radar de nuage au cours d'une campagne de mesures BACCHUS (Mace Head Research Station, Irlande). Trois études de cas illustrent la similitude des vitesses verticales dans les nuages mesurées par le wind-RPA et le radar de nuage. Une bonne concordance entre les vitesses verticales des deux instruments à travers différentes conditions météorologiques est établie. Les mesures de vitesse verticale du wind-RPA sont implémentées dans le modèle de parcelle aérosol-nuage pour mener une étude de fermeture (campagne de mesures BACCHUS à Chypre). Les distributions de taille des aérosols et les CCN mesurés par un site au sol servent de paramètres d'entrée au modèle avec les vitesses verticales mesurées par le RPA. Le modèle de parcelle aérosol-nuage montre que l'entraînement dans les nuages a un impact plus important sur les propriétés optiques des nuages que la variabilité de la vitesse verticale et que la concentration en aérosols. Les résultats du cas d'étude de Chypre sont cohérents avec les résultats des études de fermeture similaires de la campagne de mesures à Mace Head (Sanchez et al., 2017) et renforcent l'importance d'inclure les processus d'entraînement dans les modèles de nuages pour réduire les incertitudes liées aux interactions aérosol-nuage.
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