Ice microphysics in convective systems during Megha-Tropiques in Western Africa : comparison between airborne measurements, ground radars, and numerical modeling

La météorologie tropicale est un élément majeur pour le fonctionnement de l’atmosphère et pour le climat terrestre. Le satellite Megha-Tropiques regroupe des instruments de télédétection utilisant des algorithmes de restitution complexes. Cette thèse participe à la mise au point de stratégies de validation de ces algorithmes par l’acquisition d’une meilleure connaissance de la phase glacée des systèmes convectifs de méso-échelle (MCS) tropicaux, en s’appuyant sur la campagne de mesures réalisée à Niamey au Niger à l’été 2010. De nombreux MCS à fort contenu en glace (IWC, Ice Water Content) ont été documentés à la fois par une instrumentation aéroportée, et par des radars au sol. Les informations obtenues grâce aux sondes aéroportées, et l’utilisation d’une loi masse-diamètre permettent de calculer une valeur de réflectivité Zin-situ. Le développement d’une méthode de colocalisation des mesures réalisées par les radars sol sur la trajectoire de l’avion a abouti à la validation du calcul de Zin-situ. La relation entre la réflectivité et l’IWC n’a pas été clairement observée pour le radar-précipitation du MIT. De plus, l’IWC est mieux documenté avec un radar-nuage qu’avec un radar-précipitation car ce dernier est trop sensible aux cristaux de grande taille. Les mesures in-situ s’avèrent donc indispensables pour obtenir l’information microphysique utile à la validation des algorithmes de restitution satellites et elles ne peuvent pas être remplacées par des mesures de réflectivités effectuées depuis le sol. L’utilisation du modèle numérique WRF (Weather Research and Forecasting) pourrait également permettre de connaître au mieux les MCS. Pour le cas d’étude analysé dans cette thèse, la modélisation a généré une ligne de grains mais n’a pas reproduit correctement toutes les caractéristiques du MCS réellement observé. Des différences dynamiques et microphysiques sont apparues. L’analyse du champ de réflectivité simulé grâce aux CFAD (Contoured Frequency by Altitude Diagrams) a montré une sous-estimation de la réflectivité par rapport aux observations. L’utilisation du schéma microphysique de Morrison, plus complexe que celui de Thompson initialement employé, n’a pas permis d’améliorer les résultats. Les performances du modèle WRF ne sont pas encore suffisantes pour aider à la validation des algorithmes de restitution satellites.Tropical meteorology is a major issue for atmospheric physics and earth’s climate. The Megha-Tropiques satellite combines several teledetection instruments which need complex restitution algorithms. This work contributes to the development of validation’s strategies for these algorithms. This requires a better knowledge of the tropical mesoscale convective systems’ (MCS) ice phase. In this thesis, we use data from the Niamey’s (Niger) campaign, which took place during summer 2010. Numerous MCS with high Ice Water Content (IWC) were analyzed with an airborne instrumentation and ground radars. Reflectivity Zin-situ is calculated using airborne microphysic probes’ information and a mass-diameter relationship. A spatial and temporal interpolation technique is developed to colocalize the aircraft position with ground radar measurements. This method leads to the validation of Zin-situ calculation. The relationship between reflectivity and IWC is not satisfactory for the MIT precipitation radar. Moreover, the cloud radar gives better informations about the IWC than the precipitation radar. Indeed, precipitation radars are too sensitive to large ice crystals. Therefore, in-situ measurements are essential to get microphysic information in order to validate restitution algorithms used by satellites. They can’t be replaced by ground based reflectivity measurements. The WRF (Weather Research and Forecasting) model was used in order to get a better knowledge of MCS. In this work, we analyzed one case study. For this case, WRF generates a typical squall line but it doesn’t correctly reproduce every observed characteristics. Several dynamical and microphysical differences appear between simulation and observations. The simulated reflectivity field is analyzed by CFAD (Contoured Frequency by Altitude Diagrams) and it shows a general underestimated reflectivity compared to the observations. The Thompson microphysic scheme is replaced by the more complex Morrison scheme, but this modification doesn’t improve the results of the simulation. Consequently, the WRF model isn’t yet efficient enough to help with the restitution algorithms’ validation