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Dans les Andes semi-aride du Chili, les glaciers rocheux sont d’une importance majeure, car ils délivrent de l’eau aux saisons les plus critiques. Ils sont de plus prépondérants par rapport aux glaciers blancs dans cette région des Andes.

L’ajustement paramétrique, aussi appelé tuning ou calibration, est une étape essentielle du développement des modèles de circulation générale atmosphérique, utilisés tant pour la compréhension du climat que pour la réalisation de projections climatiques. Autrefois réalisée sur la base d’essais-erreurs, cette étape d’ajustement est bouleversée depuis une dizaine d’années par l’arrivée de nouvelles méthodes, ouvrant la voie à de nouvelles questions scientifiques : l’ajustement devient peu à peu une science à part entière. L’équipe développant le modèle atmosphérique LMDZ s’est depuis approprié la méthode d’History Matching with Iterative Refocusing (HMIR), et propose, en 2021, une première stratégie de tuning semi-automatique de son modèle basée sur cette approche. Cette stratégie repose sur un pré-conditionnement du tuning du modèle global, visant les flux radiatifs observés par satellite, par un tuning en mode unicolonne. Elle vise à limiter les compensations d’erreurs en garantissant le bon comportement du modèle à l’échelle des processus sur un certain nombre de cas tests.

Cette thèse a pour objectif d’explorer les potentialités de la méthode d’HMIR pour l’ajustement et la modélisation du climat en général, afin notamment d’améliorer la simulation du climat global et/ou régional, de limiter les compensations d’erreurs dans le processus d’ajustement, et d’aider plus largement au développement des modèles de climat.

Dans un premier temps, la thèse explore le potentiel d’une configuration dite guidée-zoomée pour l’ajustement du modèle LMDZ, dans laquelle la dynamique du modèle est contrainte par une technique de guidage. Avec une telle configuration, les paramètres du modèle peuvent être contraint par des observations journalières in situ (ici celles du site SIRTA en région parisienne) tout en évitant, grâce au guidage, les erreurs dues à une mauvaise simulation de la situation synoptique par le modèle, et ainsi se focaliser uniquement sur les biais des paramétrisations physiques du modèle. Des difficultés liées notamment à la surestimation de la variabilité des précipitations convectives par le modèle nous ont menées à développer une configuration de LMDZ dans laquelle la boucle de rétroaction de l’hydrologie du sol est coupée. Avec cette configuration, nous avons pu mener la première expérience de tuning de LMDZ visant des observations sur site. Elle pourra servir de base pour tuner conjointement les paramètres libres des modèles atmosphériques et de surface continentale.

La thèse aborde ensuite la question des compensations d’erreurs entre paramétrisations des nuages et du transfert radiatif susceptibles d’émerger lors de l’ajustement des flux radiatifs du modèle global. Elle propose une méthodologie originale permettant une étude quantitative de ces compensations d’erreurs, rendue possible grâce à la faculté de la méthode d’HMIR à explorer et quantifier l’erreur paramétrique des modèles. Nous montrons ainsi qu’inclure une paramétrisation des effets radiatifs 3D, proposée dans le code de rayonnement ecRad, permet d’éviter que le tuning à l’échelle des processus ne mène à une surestimation des fractions nuageuses pour compenser un manque de réflectivité intrinsèque aux modèles radiatifs 1D. Cette étude illustre notamment comment la méthode d’HMIR peut guider des choix de modélisation.

Cette thèse a coïncidé avec l’appropriation de la méthode d’HMIR dans la communauté scientifique française de modélisation du climat. Elle a été l’occasion de pratiquer cette nouvelle méthode pour les expériences de cette thèse et également pour un panel plus large d’expériences auxquelles elle a contribué. Les réflexions et prises de recul nourries de cette pratique sont partagées dans la dernière partie de cette thèse.

Bien que Vénus ait été étudiée par de nombreuses missions spatiales, les processus chimiques et dynamiques complexes à l’œuvre dans son atmosphère et les interactions entre les différentes parties de la planète ne sont pas encore totalement compris. L’histoire de Vénus, son activité interne actuelle ainsi que son climat sont donc des sujets importants pour l’étude des mécanismes de formation et d’évolution des planètes telluriques. Ces trois thèmes sont les objectifs scientifiques principaux de la prochaine mission de l’ESA à destination de Vénus, EnVision, dont le lancement est prévu pour fin 2031. La mission vise à apporter une vue d’ensemble de la planète grâce aux divers instruments embarqués, qui seront dédiés à l’étude de la planète dans son ensemble : la croûte avec un radar de sous-surface, la surface avec un radar à synthèse d’ouverture, l’atmosphère avec une suite de trois spectromètres, ainsi que ses caractéristiques atmosphériques et internes globales avec une étude de radio-science.

Parmi la charge utile, le spectromètre VenSpec-U sera dédié à l’étude de l’atmosphère située au-dessus de la couche de nuages. L’instrument étudiera les propriétés chimiques et dynamiques de cette couche de l’atmosphère, en observant notamment le dioxyde de soufre SO₂ et le monoxyde de soufre SO tous deux présents à l’état de gaz traces, l’absorbant UV de nature encore inconnue ainsi que les processus dynamiques à petite échelle spatiale au sommet des nuages tels que les ondes de gravité ou les cellules de convection. Il observera la lumière solaire rétrodiffusée par les nuages de Vénus du côté jour. Pour ce faire, l’instrument comportera deux canaux. L’un effectuera des observations sur une bande de longueurs d’onde étendue, de 190 à 380 nm, avec une résolution spectrale modérée de 2 à 5 nm, permettant notamment le suivi de l’absorbant UV et les observations avec haute résolution spatiale. L’autre opérera sur une bande de longueurs d’onde plus réduite, entre 205 et 235 nm, et sera dédié à l’identification séparée de SO et SO2 grâce à la résolution spectrale plus fine de 0,3 nm, qui permettra la distinction des raies d’absorption de chacune de ces deux espèces au sein de leur bande commune.

Cependant, les différents composants optiques ou électroniques de l’instrument introduiront inévitablement des perturbations sur les images et spectres acquis, qui entraîneront à leur tour des imprécisions et des biais sur les mesures des propriétés de l’atmosphère de Vénus. Des spécifications ont été définies en amont du projet afin de garantir le respect des objectifs scientifiques. À travers cette thèse, nous cherchons donc à mettre en place des méthodes permettant d’estimer l’impact de ces diverses sources d’erreurs sur la qualité des mesures, et plus particulièrement de vérifier l’adéquation entre la conception instrumentale et les spécifications. Pour cela, des modèles numériques ont été utilisés, dont deux pré-existants : un modèle de transfert radiatif pour simuler les spectres reçus en fonction des caractéristiques de l’atmosphère de Vénus, ainsi qu’un premier modèle radiométrique de l’instrument. L’un des objectifs de cette thèse a notamment été de mettre en place un modèle instrumental permettant de simuler les images et spectres mesurés par l’instrument jusqu’au niveau du détecteur inclus, en tenant compte des diverses perturbations introduisant des erreurs sur les spectres. Diverses études de performances et de sensibilités ont alors été réalisées à partir de ces modèles, vis-à-vis des erreurs aléatoires ou systématiques, des niveaux de signal et de bruit dans les différents cas d’observation prévus, concernant Vénus ou le Soleil pour les calibrations en vol, ou encore des capacités d’imagerie de l’instrument. À ce stade, les résultats obtenus montrent que l’instrument devrait être capable de satisfaire ses spécifications scientifiques.

English version

Although Venus has been studied by numerous space missions, the complex chemical and dynamical processes taking place in its atmosphere, as well as the interactions between the different parts of the planet, are not yet fully understood. The history of Venus, its current internal activity, and its climate are therefore of paramount importance to understand the formation and evolution mechanisms of terrestrial planets. These three topics are the main scientific objectives of ESA’s next mission to Venus, EnVision, whose launch is planned for the end of 2031. The mission aims to provide a holistic view of the planet thanks to various instruments, dedicated to the study of the planet as a whole: the crust with a subsurface radar sounder, the surface with a synthetic aperture radar, the atmosphere with a suite of three spectrometers, as well as its global atmospheric and internal characteristics through a radio-science experiment.

As a part of the payload, the VenSpec-U spectrometer will be dedicated to the study of the upper atmosphere, located above the cloud layer. The instrument will investigate the chemical and dynamical properties of this part of the atmosphere, by observing in particular two gaseous trace species, namely the sulphur dioxide SO2 and sulphur monoxide SO, as well as the yet unknown UV absorber, and the dynamical processes at small spatial scales at the cloud top such as gravity waves and/or convection cells. It will observe the solar light backscattered by Venus’ clouds on the dayside. For this purpose, the instrument will be composed of two channels. One will perform observations using a wide wavelength range, from 190 to 380 nm, with a moderate spectral resolution of 2 to 5 nm, allowing the monitoring of the UV absorber and high spatial resolution observations. The other will operate on a narrower wavelength range, between 205 and 235 nm, and will be dedicated to the separate identification of SO and SO₂, thanks to its high spectral resolution of 0.3 nm, which will allow the distinction of the absorption lines of each of these two species within their common band.

However, the optical and electronical components of the instrument will inevitably introduce perturbations on the acquired images and spectra, which in turn will cause errors in the measurements of the targeted atmospheric properties of Venus. Requirements were therefore defined in the early stages of the project to ensure that the scientific objectives are achieved. In this thesis, we therefore aim to develop methods allowing to estimate the impact of these various sources of error on the quality of the measurements, and more specifically to assess the compliance between the instrument design and the specifications. To that end, numerical models have been used, including two pre-existing ones: a radiative transfer model to simulate incoming spectra depending on the characteristics of Venus atmosphere, and a first radiometric model of the instrument up to (and including) the detector. One of the objectives of this thesis was in particular to implement an instrumental model that aims to simulate the images and spectra as they would be provided by the instrument, by taking into account the various perturbations that introduce errors on the spectra. Various performance and sensitivity studies have then been carried out using these models, regarding random or systematic errors, signal and noise levels in the different foreseen observation cases, either Venus or the Sun for in-flight calibrations, as well as the imaging capabilities of the instrument. At this stage, the obtained results show that the instrument should be able to meet its science requirements.