Atelier national sur les nuages polaires

24/06/2025 09:00

SIRTA / ICEO : Journée Scientifique 2025

24/06/2025 09:00

Evénement de clôture projet FAIR-EASE

12/06/2025 09:00

Laser-based mass spectrometry in the planetary sciences: convergence of emerging priorities and enabling technologies

17/06/2025 11:30

Séminaire du LATMOS.

Big Data Assimilation Revolutionizing Numerical Weather Prediction Using Fugaku

13/06/2025 14:00

Séminaire du LMD.

Simulated climatologies of Northern Hemisphere blocking and storm tracks in AGCMs

12/06/2025 14:30

Séminaire du LMD à l’ENS.

Effet des fronts océaniques sur les communautés de plancton

16/12/2022 14:00

Les fronts océaniques sont des zones de transition entre des masses d’eaux aux propriétés physico-chimiques différentes qui sont associés à une circulation horizontale et verticale très dynamique. Des observations empiriques et des études de modélisation ont permis de montrer que l’apport vertical de
nutriments par la circulation cross-frontale stimule la production primaire et provoque l’augmentation de la biomasse d’un groupe de phytoplancton opportuniste, les diatomées, au niveau des fronts. Cependant les conséquences de cet apport de nutriments sur le reste de la communauté planctonique sont encore mal connues. Dans cette thèse, j’utilise à la fois des données empiriques et des simulations numériques pour caractériser l’effet des fronts sur l’ensemble de la communauté planctonique, incluant les autres groupes de phytoplancton (comme les cyanobactéries, les coccolithophores et les dinoflagellés) et le zooplancton.
Le modèle est une représentation simplifiée à haute résolution d’un courant de bord ouest (comme le Gulf Stream ou le Kuroshio) couplé au modèle d’écosystème DARWIN, qui inclut 30 types de phytoplancton répartis dans quatre groupes fonctionnels et 16 types de zooplancton. Les données empiriques ont été collectées dans la région de l’upwelling de Californie lors de transects à travers des fronts, et sont constituées de 24 groupes de plancton incluant des bactéries hétérotrophes, du phytoplancton et du zooplancton.

Je montre que la structure taxonomique et spatiale des communautés planctoniques frontales est extrêmement complexe, et qu’elle ne peut pas être expliquée uniquement par une augmentation de la croissance en réponse à l’apport de nutriments. A l’aide des simulations numériques, je montre que deux types d’interactions biotiques provoquent une diminution de la biomasse de certains groupes de phytoplancton dans les fronts : l’auto-ombrage, qui est une forme de compétition pour la lumière, et la
prédation partagée, qui est une forme de compétition indirecte entre deux proies partageant un prédateur commun. A l’aide des données in-situ, je mets en évidence deux caractéristiques des fronts qui étaient absentes des simulations numériques. Premièrement, l’échelle spatiale de l’organisation des communautés planctoniques à travers les fronts est beaucoup plus fine qu’on ne le pensait : les pics de biomasse des divers groupes de plancton sont très étroits et sont décalés de quelques kilomètres les uns par rapport aux autres. Ce résultat suggère que la structure des communautés planctoniques frontales est fortement influencée par des interactions biotiques et par le transport. Le rôle du transport sera exploré grâce à une collaboration sur les trajectoires Lagrangiennes des masses d’eau. Deuxièmement, les fronts ont un
effet spectaculaire sur certains organismes zooplanctoniques filtreurs qui ne sont pas représentés dans les modèles de plancton traditionnels, ce qui suggère que ces modèles devront être complexifiés afin de simuler correctement l’effet des fronts. Ainsi, les résultats que j’ai obtenus pendant cette thèse viennent
compléter et complexifier le modèle mécanistique établi lors de ces deux dernières décennies : loin d’être limités à la production de bloom de diatomées, les fronts sont le théâtre de couplages biophysiques complexes entre les interactions biotiques top-down et bottom-up et le transport par les courants qui génèrent
des communautés planctoniques à la structure taxonomique et spatiale originale. La modification de la structure des communautés planctoniques dans les fronts océaniques pourrait avoir des conséquences importantes sur les niveaux trophiques supérieurs et sur les flux biogéochimiques qui devront être précisées à l’avenir.

Development of a differential absorption lidar for remote sensing of water vapor and the isotopologue HDO

14/12/2022 14:00

Observations of stable water isotopologues in the atmosphere provide valuable insights into the condensation and evaporation history of water vapor. The provision of such data with sufficient vertical resolution in the lower troposphere (0–3 km) helps to improve our understanding of basic processes like cloud formation, moist convection and mixing, and offers the potential to increase the accuracy in the predictions made by atmospheric general circulation models. Despite the progress in remote sensing from the ground and from space, retrievals from passive sensors are prone to biases and lack the vertical resolution required for water cycle studies in the lower troposphere.

The aim of this thesis is to investigate an active remote sensing approach based on the differential absorption lidar (DIAL) method to measure both the water vapor main isotopologue H₂¹⁶O and the semi-heavy water isotopologue HD¹⁶O with high vertical and temporal resolution (100–200 m, 10 min). The
expected performance of such an instrument in terms of random and systematic errors was first analyzed
using simulations accounting for instrumental and atmospheric parameters. The theoretical analysis showed
that the spectral range around 1.98 μm is suitable for DIAL profiling of H₂¹⁶O and HD¹⁶O and that range-resolved measurements require a tunable laser in that wavelength range with pulse energies of tens of mJ.

To fulfill this requirement, a parametric laser source based on a nested-cavity optical parametric oscillator and an optical parametric amplification stage using state-of-the-art high-aperture (5×7mm2) periodically poled potassium titanyl phosphate (PPKTP) crystals was implemented. It delivers widely tunable (1.95–2.30 μm) single-frequency radiation with energies up to 9 mJ for 12 ns pulses at a repetition rate of 150Hz.

Using the developed laser source, DIAL measurements of H₂¹⁶O and HD¹⁶O in the atmospheric boundary layer were conducted in direct-detection mode in the frame of several measurement campaigns. It was show that with the developed lidar setup, isotopologue measurements with meaningful precision are limited to the first few hundred meters above the ground. To achieve measurements with range resolution and precision suitable for water cycle studies within the entire boundary layer, further instrumental improvements in terms of laser energy and reduced detection noise are necessary. For this purpose, a further step is proposed for the design and pre-development of a lidar setup capable of achieving a higher sensitivity thanks to an optimized double-stage amplification scheme for the laser transmitter that should allow to reach output energies > 40 mJ.

Détection des évènements exceptionnels à partir des observation IASI

14/12/2022 10:00

Les instruments IASI (Interféromètre Atmosphérique de Sondage dans l’Infrarouge) à bord des satellites Metop-A, -B et -C mesurent le rayonnement infrarouge (IR) émis par le système Terre-atmosphère depuis 2006. Chaque jour plusieurs millions de spectres sont enregistrés par IASI, ce qui constitue un volume important de données. Une des problématiques inhérentes à cette quantité de données réside dans la recherche d’évènements extrêmes. En effet, il est possible d’observer des évènements extrêmes à partir des données chimiques de niveau 2 (L2), c’est-à-dire les concentrations de gaz mais l’inversion n’est généralement possible que pour des conditions de ciel clair. De plus il est difficile de rechercher ces évènements à partir des données L2 et de les caractériser en temps réel. Ce travail de thèse répond à la nécessité de mettre en place un algorithme de détection innovant et opérationnel afin de traiter directement les spectres de radiances (données de niveau 1 – L1C).

Une méthode optimisée pour la détection d’évènements extrêmes a été développée à partir de la méthode d’analyse en composantes principales (ACP ou en anglais PCA pour principal component analysis) sur les luminances IASI qui permet à la fois la compression des données mais aussi la réduction du bruit instrumental. Cette méthode repose sur la création d’une base d’apprentissage représentative de la variabilité atmosphérique permettant alors de conserver toute l’information lors de la compression/reconstruction des luminances IASI. Les évènements extrêmes sortant de la variabilité atmosphérique normale sont caractérisés par une mauvaise reconstruction. En prenant en compte les valeurs extrêmes issues de la mauvaise reconstruction des spectres IASI on peut alors étudier le signal atmosphérique anormal. Les données IASI L1C étant disponibles toutes les 3 minutes sous forme de granule, il est naturel d’appliquer la méthode directement sur les granules IASI pour permettre une détection en temps réel. De plus, la caractérisation des espèces traces absorbantes est réalisée à partir de différentes combinaisons de raies intenses ou de bandes d’absorption (appelés « indicateurs » spectraux) qui ont été définies à partir de simulations de transfert radiatif et de bases de données spectroscopiques. Cette méthode de détection, appelée IASI-PCA-GE (GE pour granule extrema), permet alors de détecter en quasi temps réel (NRT) les anomalies atmosphériques associées à des évènements extrêmes comme les feux, éruptions volcaniques ou les épisodes de pollution anthropique.

Une première partie de ce travail de thèse a consisté à analyser différents événements extrêmes passés et documentés pendant la période IASI. Ensuite la méthode IASI-PCA-GE a été appliquée aux données IASI pour plusieurs cas d’étude, et les résultats ont été comparés avec les données L2 existantes. Par ailleurs, une archive d’événements extrêmes d’éruptions volcaniques et d’épisodes de feux a été générée à partir des résultats de cette méthode qui a été appliquée à la série temporelle IASI-B complète (2013-2022). La méthode est capable de détecter la présence de nombreuses molécules et la comparaison avec les données L2 montre un bon accord entre les deux jeux de données. Cependant certaines limitations subsistent et sont discutées.

La méthode développée pendant cette thèse pourra par ailleurs être appliquée à des futures missions, telles que la mission IASI-NG/Metop-SG et la mission géostationnaire MTG-IRS dont les lancements sont prévus en 2024.