Thèse Interprétation et Apport des Observables Lidar et Radar pour les Missions Spatiales Actuelles et Futures d'Observation de l'Atmosphère Nuageuse Terrestre H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Clermont Auvergne École doctorale : Sciences Fondamentales Laboratoire de recherche : Laboratoire de Météorologie Physique Direction de la thèse : Frédéric SZCZAP ORCID 0009000491930760 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-25T23:59:59 Les nuages jouent un rôle majeur dans le bilan hydrologique et énergétique du système climatique terrestre. La télédétection spatiale, en particulièrement la télédétection active, fournit des observations essentielles pour l'étude globale des propriétés nuageuses. Par exemple, les observations combinées du lidar CALIOP et du radar CPR embarqués sur la constellation A-Train ont permis, pour la première fois, d'accéder à la structure verticale des nuages à l'échelle planétaire (Stephens et al., 2018).

Plusieurs missions récentes ou en développement exploitent des technologies innovantes : la mission ADM-Aeolus (ESA, 2018) a démontré la faisabilité du lidar Doppler spatial à haute résolution spectrale (HRS). Son successeur, EPS-Aeolus (prévu pour 2030), mesurera le vent horizontal en conditions de ciel clair ou faiblement nuageux. EarthCARE (ESA/JAXA, 2024, Illingworth et al., 2015) combine un lidar HRS et un radar Doppler pour améliorer la caractérisation des hydrométéores glacés et des vitesses verticales dans les nuages. WIVERN (ESA, Battaglia et al., 2022) intégrera un radar Doppler scannant pour restituer le champ de vent dans les nuages. Enfin, la mission internationale AOS (NASA/JAXA/CNES, 2030) inclura la mission française C2OMODO/CNES (Brogniez et al., 2022), combinant radiométrie et radar Doppler de nouvelle génération pour mesurer le flux de masse, paramètre clé de la convection profonde.

L'interprétation des données lidar et radar reste complexe. Les signaux rétrodiffusés dépendent des interactions entre le rayonnement électromagnétique et les particules atmosphériques en mouvement. Les caractéristiques instrumentales (champ de vue, angle d'ouverture, fréquence de répétition des impulsions ou PRF) influencent aussi la qualité des mesures. Par exemple, le choix de la PRF implique un compromis entre résolution en distance et en vitesse. Des techniques comme la paire-pulsée à diversité de polarisation permettent d'atténuer certaines limitations et des technologies émergentes, comme les antennes à centre de phase déplacé (Durden et al., 2023 ; Nakamura and Furukawa, 2023), offrent des solutions prometteuses. Enfin, la conversion des signaux en grandeurs géophysiques repose sur des équations lidar et radar, souvent formulées sous l'hypothèse de diffusion simple et d'homogénéité du volume sondé.

Or, les nuages présentent une structure tridimensionnelle fortement hétérogène de leurs propriétés géométriques, microphysiques, optiques et dynamiques. Pour étudier ces interactions complexes, le simulateur Monte Carlo lidar-radar McRALI (Alkasem et al., 2017 ; Szczap et al., 2021 ; Shcherbakov et al., 2023, 2024) développé au LaMP s'avère un outil précieux. Couplé à des modèles de type Large Eddy Simulation (LES) ou à des modèles stochastiques 3D comme 3DCLOUD (Szczap et al., 2014), McRALI permet d'analyser les interactions nuage-rayonnement et d'interpréter les observations de télédétection active.

Cette thèse propose d'adapter le simulateur McRALI aux technologies lidar et radar actuelles et émergentes. En le couplant aux simulations 3DCLOUD et LES, l'objectif est d'évaluer l'influence des hétérogénéités nuageuses sur les observables lidar et radar, de quantifier les effets de la diffusion multiple afin de proposer des corrections adaptées. Ces recherches s'inscrivent dans la continuité des travaux menés au LaMP. Elles pourront contribuer à plusieurs initiatives en cours. Par exemple, dans le cadre du projet C2OMODO/CNES/JAXA, McRALI servira à simuler le signal Doppler d'un radar de la JAXA utilisant une antenne à centre de phase déplacé, afin d'évaluer la complémentarité entre les profils radar et les observations radiométriques. Dans le projet WIVERN on pourra analyser l'impact de la diffusion multiple sur les mesures Doppler exploitant la technique de la paire-pulsée à diversité de polarisation, un domaine encore peu étudié. Les nuages sont des composants clés du système climatique terrestre, influençant à la fois le bilan hydrologique et le bilan énergétique. Leur étude est essentielle pour comprendre les mécanismes de rétroaction climatique, améliorer les modèles de prévision numérique du temps et réduire les incertitudes dans les projections du réchauffement climatique.
La télédétection spatiale active (lidar et radar) est devenue un outil indispensable pour observer les nuages à l'échelle globale, en fournissant des données sur leur structure verticale, leur composition microphysique (gouttelettes, cristaux de glace), et leur dynamique (vitesses du vent).

L'interprétation des données lidar et radar n'est pas triviale en raison de la complexité des interactions entre le rayonnement électromagnétique et les particules nuageuses en mouvement. Dans ce contexte, la simulation numérique des observables lidar et radar Doppler à partir de nuages synthétiques représente une approche très pertinente pour analyser et comprendre les mécanismes sous-jacents aux mesures.

- Master en physique de l'atmosphère ou en mathématique ou en informatique.
- Connaissances en transfert radiatif et en système radar seraient appréciées.
- Aimer travailler en groupe, être autonome, avoir l'esprit critique, savoir rédiger des rapports scientifiques, être à l'aise à l'oral.
- Participer à la vie du laboratoire.