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Les instruments LIDAR sont utilisés chez MétéoSuisse pour mesurer en continu des profils verticaux d'humidité, de température et d'aérosols. Le principe de mesure « LIDAR » (Light Detection And Ranging) est l'une des rares méthodes qui permet de définir la très grande variabilité temporelle et verticale de la vapeur d'eau à l'aide d’un faisceau laser. Son intérêt tient au fait que la vapeur d'eau constitue le gaz à effet de serre le plus important dans l'atmosphère.
LIDAR et ceilomètre
Un LIDAR émet un faisceau laser dans l'atmosphère où il interagit avec les molécules et les particules suspendues dans l’air. Une partie du signal laser est renvoyé vers la surface et peut être collecté et analysé par le système de détection du LIDAR. Il est possible de reconstruire des profils d'humidité, de température ainsi que des propriétés optiques des aérosols. MétéoSuisse exploite deux différents types d'instruments LIDAR à la station aérologique de Payerne. Le plus complexe système LIDAR est le LIDAR Raman qui permet de détecter une partie spécifique du spectre électromagnétique réémit par les molécules dans l’atmosphère et donc de reconstruire des profils d'humidité, de température et d'aérosols. L’autre système LIDAR qui permet la télédétection des couches d’aérosols et de la base des nuages se base sur la réémission élastique du signal LIDAR par les molécules et les particules atmosphériques, ce système est normalement connu comme ceilomètre.
LIDAR à diffusion Raman: profils de vapeur d'eau, de température et d'aérosols
Dans le cas du LIDAR Raman installé à la station aérologique de Payerne, il s'agit d'un système LIDAR opérationnel qui mesure en continu des profils de vapeur d'eau, de température et des propriétés optiques de aérosols, notamment le coefficient de diffusion. Sa désignation exacte RALMO (Raman LIDAR for Meteorological Observation) signifie LIDAR à diffusion Raman dédié à l'observation météorologique. La coopération de MétéoSuisse avec l'école polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) et le Fonds National Suisse (FNS) a permis de développer le LIDAR et de l'installer à Payerne. En service opérationnel depuis 2008, le système RALMO fonctionne de façon entièrement automatique. Les profils de vapeur d'eau ont été comparé avec des radiosondes afin de calibrer et valider les valeurs obtenues.
Le LIDAR fournit des données avec haute résolution (verticale de 3,75 m, temporelle de 60 secondes). Les profils de vapeur d'eau, de température et des propriétés optiques des aérosols sont enregistrés en temps réel dans la base de données de MétéoSuisse. Les mesures LIDAR sont utiles aussi pour des raisons liés à la climatologie, les longues séries temporelles de données d’humidité et température peuvent améliorer la modélisation des changements climatiques ainsi que l’analyse des tendances de la concentration d'aérosols et de vapeur d'eau dans la Troposphère.
Les valeurs de l'humidité observées à l'aide du système RALMO sont prises en compte dans les bases de données destinées aux mesures de référence et climatologiques du réseau aérologique de référence GRUAN (GCOS Reference Upper-Air Network) et du réseau de détection des changements de la composition atmosphérique NDACC (Network for Detection of Atmospheric Composition Change). Les mesures des propriétés optiques des aérosols sontégalement utiles au réseau européen de sites Lidar pour la recherche sur les aérosols, EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network) et à la création d'une climatologie des aérosols au niveau Européen. En outre, les produits LIDAR sont utilisés en combinaison avec d’autres données pour valider et perfectionner le modèle de prévision COSMO.
Le fonctionnement du système RALMO
Le système est installé dans une cabine disposant de deux salles. Le système de LIDAR est logé dans la première salle. Le faisceau laser est émis à travers l'ouverture d'une fenêtre spéciale, aménagée dans le plafond. La partie du signal laser rétrodiffusé par les particules et molécules de l’atmosphère revient dans le télescope et il est ensuite enregistré. L'ordinateur dédié au traitement des données LIDAR se trouve dans la seconde salle. Le LIDAR est éteint automatiquement en cas de pluie et de nuages bas.
Résultats du système RALMO
Les données LIDAR sont présentées sous forme d'une série temporelle de profils verticaux de vapeur d'eau. La grande variabilité temporelle ainsi que spatiale de la vapeur d'eau est ainsi bien reconnaissable dans la figure ci-dessous. Les mesures de vapeur d'eau obtenues pendant la nuit peuvent atteindre une portée jusqu'à une altitude de 12 km. De jour, les mesures sont perturbés par lerayonnement solaire intense qui limite la portée de mesure à 4 km.
Le ceilomètre LIDAR CHM15K
MétéoSuisse utilise aussi un ceilomètre du type CHM15K pour mesurer la hauteur de la base des nuages ainsi que des profils d'aérosols. Un ceilomètre se base sur le même principe de fonctionnement d’un LIDAR mais en utilisant seulement la partie du signal élastique rétrodiffusée par l’atmosphère. Typiquement, un profil de rétrodiffusion par ceilomètre couvre la partie de troposphère entre 0,03 et 15 km au-dessus du sol avec une résolution verticale de 15 m. L'appareil détecte la base des nuages liquide et des cirrus jusqu'à une portée de 15 kilomètres avec une bonne fiabilité. Il détermine non seulement la base des nuages mais aussi des informations sur les aérosols, l'altitude de la couche limite et la visibilité. Les profils de rétrodiffusion mesurés par le ceilomètre CHM15K sont une source d’informations en temps réel par rapport aux propriétés géométriques et optiques des diverses couches d'aérosols. Les ceilomètres font partie du réseau européen de ceilomètres E-PROFILE d'EUMETENT.
La structure complexe de la basse troposphère, comme elle a été détectée le 30 mars 2014, est montrée dans le graphique en bas de la page. Pendant la période de mesure, deux masses d'air différentes étaient transportées vers la Suisse. Une masse d’air de provenance du Nord du Sahara et riche en poussière de sable est reconnaissable dans une couche à une altitude entre 4 et 6 km. Plus bas, à une altitude entre 1,5 et 3 km, de l'air d’origine du Nord d’Italie (vallée du Po) riche en sulfates et d’autres polluants est visible (en rouge et jaune).
- Raman Lidar for Meteorological Observations, RALMO – Part 1: Instrument description
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- Raman Lidar for Meteorological Observations, RALMO – Part 2: Validation of water vapor measurements E. Brocard, R. Philipona, A. Haefele, G. Romanens, A. Mueller, D. Ruffieux, V. Simeonov, and B. Calpini Atmos. Meas. Tech., 6, 1347-1358, 2013
- M. Wiegner and A. Geiß (2012): Aerosol profiling with the JenOptik ceilometer CHM15kx, Atmos. Meas. Tech. Discuss., 5, 3395–3430, doi:10.5194/amtd-5-3395-2012
- Raman Frequency Shifting in CH4 :H2 :Ar mixture pumped by the 4th Harmonic of Nd :YAG (V. Simeonov, V. Mitev, H. van den Bergh, and B. Calpini) Appl. Opt., Vol 37, No 30, pp 7112-7115, 1998.
- A Raman Differential Absorption Lidar for Ozone and Water Vapor Measurement in the Lower Troposphere (B. Lazzarotto, V. Simeonov, P. Quaglia G. Larchevêque, H. van den Bergh, and B. Calpini) Int. J. Env. Analytical Chem., 74, pp255-261, 1999
- Experimental investigation of high-power single-pass Raman shifters in the ultraviolet with Nd :YAG and KrF lasers (L. Schoulepnikoff, V. Mitev, V. Simeonov, B. Calpini, and H. van den Bergh) Appl. Opt., Vol 36, No 21 pp 5026-5043, 1997.
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- An Assessment of Pseudo-Operational Ground-Based Light Detection and Ranging Sensors to Determine the Boundary-Layer Structure in the Coastal Atmosphere. (Milroy, C., G. Martucci, S. Lolli, S. Loaec, L. Sauvage, I. Xueref -Remy, Jost V. Lavric, P. Ciais, Colin D. O’Dowd) Advances in Meteorology, 2012, ID 929080, 18 pages. doi:10.1155/2012/929080