| Titre : |
GNSS : géodésie, météorologie et climat |
| Type de document : |
Thèse/HDR |
| Auteurs : |
Olivier Bock  , Auteur |
| Editeur : |
Paris : Université de Paris 6 Pierre et Marie Curie |
| Année de publication : |
2012 |
| Note générale : |
bibliographie
Habilitation à Diriger des Recherches, Université Pierre et Marie Curie |
| Langues : |
Français (fre) |
| Descripteur : |
[Vedettes matières IGN] Applications de géodésie spatiale
[Termes IGN] lidar Raman
[Termes IGN] modèle atmosphérique
[Termes IGN] positionnement par GNSS
[Termes IGN] positionnement par GPS
[Termes IGN] série temporelle
[Termes IGN] teneur en vapeur d'eau
[Termes IGN] variabilité
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| Résumé : |
(auteur) Les systèmes de positionnement et de navigation par satellite (GNSS) ont connu un formidable essor au cours des deux dernières décennies. Ils sont devenus un élément technologique universel et omniprésent. Depuis les puces GPS intégrées dans les téléphones portables, en passant par les systèmes de radionavigation utilisés pour le guidage d'engins agricoles, l'approche aérienne et maritime, jusqu'aux réseaux géodésiques permanents, le recours au positionnement précis est intégré à notre vie quotidienne. Les GNSS participent au maintien des références géodésiques nationales et internationales et à la prévision météorologique, deux applications scientifiques requérant une mise en oeuvre rigoureuse des équipements et un traitement des mesures sophistiqué. Une problématique commune dans ces domaines est la présence de sources d'erreurs dans les signaux GNSS dues notamment à la traversée de l'atmosphère. L'amélioration des méthodes de correction de la propagation des signaux radiofréquence dans l'atmosphère a permis d'une part d'atteindre une précision sub-centimétrique en positionnement vertical et d'autre part de faire des GNSS une technique de référence pour le sondage de la vapeur d'eau dans la troposphère.
Ce manuscrit rassemble les résultats des recherches que j'ai développées au LATMOS et à l'IGN depuis une douzaine d'années. Il s'agit de développements méthodologiques dans le domaine de la télédétection de la vapeur d'eau atmosphérique, du positionnement précis par GPS, et de l'étude du cycle de l'eau atmosphérique au moyen d'observations de lidar Raman, de GPS et d'analyses de modèles de prévision numérique. Les principaux résultats obtenus et les perspectives de ces travaux sont synthétisés ci-dessous.
1. Nous avons développé, au cours de deux thèses que j'ai co-encadrées, une nouvelle approche de correction troposphérique pour le positionnement vertical par GPS. Elle s'appuie sur les mesures d'un lidar Raman à balayage développé en collaboration entre l'IGN et le LATMOS qui permet de sonder les profils de vapeur d'eau dans la direction des satellites GPS. L'analyse conjointe des mesures GPS et lidar Raman recueillies lors de plusieurs campagnes expérimentales a permis d'atteindre une répétitivité de positionnement de l'ordre de 2 mm en quelques heures. Cette méthode permet par la même occasion d'étalonner les mesures lidar par rapport aux mesures GPS avec une précision de l'ordre 2% sur le court-terme. La synergie entre lidar Raman et GNSS peut ouvrir de nouvelles perspectives à la fois dans le domaine du positionnement (référencement vertical), de la géodésie spatiale (validation des retards troposphériques issus de traitements multi-techniques) et du sondage atmosphérique (validation des radiosondages opérationnels en météorologie, surveillance du climat). Les travaux de recherche méthodologique vont se poursuivre dans le cadre du projet DEMEVAP dont l'objectif est d'aboutir à un étalonnage stable sur le long terme avec une précision absolue de 2% sur les mesures de vapeur d'eau.
2. J'ai activement participé au développement des applications météorologiques de la technique GPS en coordonnant et en participant à de nombreuses campagnes expérimentales dédiées aussi bien à l'inter-comparaison de techniques de sondage de la vapeur d'eau qu'à l'étude de processus atmosphériques aux latitudes tempérées (circulation de brise, initiation de la convection et précipitations orographiques). La technique GPS s'est avérée être précise et fiable par tout temps, montrant une cohérence avec des techniques éprouvées au niveau de 1- 1.5 kg m-2 sur le contenu intégré en vapeur d'eau (CIVE). Petit à petit, la technique GPS s'est imposée comme une référence dans le monde de l'observation météorologique. Elle a notamment permis de diagnostiquer des biais dans les observations de radiosondages, jusque là considérées comme les plus fiables. Le succès de la technique GPS vient aussi du fait que le CIVE s'est avéré être une quantité physique particulièrement pertinente pour diagnostiquer les processus du cycle de l'eau et valider leur représentation dans les modèles de prévision numérique. En Europe, les projets COST716 et EGVAP ont, respectivement, démontré la faisabilité et mis en place un service pré-opérationnel de calcul de retards troposphériques à partir des données transmises en temps quasi-réel par les réseaux GNSS permanents. Plusieurs centres de prévision assimilent aujourd'hui ces produits. Il apparait maintenant nécessaire de préparer les produits et les méthodes d'assimilation du futur et donc de poursuivre les investigations sur les propriétés des signaux GNSS en particulier dans des conditions météorologiques extrêmes (pluies torrentielles, tempêtes). Ces travaux seront développés dans le cadre du projet HYMEX (chantier Méditerranée de l'INSU) et d'une nouvelle action COST en cours d'évaluation.
3. A la suite des travaux précédents, je me suis fortement impliqué dans le projet AMMA où j'ai coordonné la mise en place et l'exploitation d'un réseau de six stations GPS permanente dans cinq pays d'Afrique de l'Ouest. Grâce à ces nouvelles données, documenter la variabilité multi-échelle de la vapeur d'eau associée aux processus atmosphériques de la mousson africaine. Elles ont permis d'une part de diagnostiquer d'important biais dans les radiosondages opérationnels et dans les modèles de prévision numérique à l'échelle sous-continentale, et d'autre part de. Par la suite, nous avons approfondi l'étude du cycle de l'eau à l'échelle régionale au moyen de bilans d'eau. Ce travail, réalisé dans le cadre d'une thèse que j'ai coencadrée, a permis de mettre en évidence les limitations et incertitudes des bilans d'eau en Afrique de l'Ouest publiés dans les études passées. En combinant observations et produits de modélisation (analyses de modèles de prévision numérique et simulations de modèles de transfert sol-végétation-atmosphère), nous avons fourni de nouvelles estimations pour les termes du bilan d'eau atmosphérique à la surface qui quantifient l'intensité des interactions surface-atmosphère et des processus dynamiques atmosphériques. Nous avons ainsi pu décrire l'intensité de ces processus physiques sous-jacents, depuis l'échelle sub-diurne jusqu'à l'échelle interannuelle. Nous avons aussi, dans le cadre du projet GHYRAF et d'une autre thèse, démontré l'aptitude du GPS à mesurer des déformations de surface millimétriques (subsidence/surrection) en relation avec la surcharge hydrologique, à l'échelle saisonnière (recharge et vidange des aquifères) en Afrique de l'Ouest. Il semble aujourd'hui possible grâce à la production de solutions GNSS homogènes, par le retraitement des données et la correction des discontinuités dans les séries temporelles, d'analyser la tendance de l'humidité atmosphérique et sa variabilité à des échelles de temps pertinentes pour l'étude du climat. Ces perspectives pourront être développées également avec d'autres systèmes d'observation géodésique tels que DORIS et VLBI. Evaluer le potentiel de ces systèmes et exploiter leurs jeux de données pour étudier le cycle de l'eau régional et global formeront un axe de recherche prioritaire à moyen terme. |
| Note de contenu : |
Chapitre 1. Introduction
1.1 Les GNSS et le développement de leurs applications géodésiques et météorologiques
1.2 Les mesures GNSS, les méthodes de traitement des données et les sources d'erreurs
1.3 Objectifs et démarche des recherches menées
Chapitre 2. Correction troposphérique et positionnement vertical
2.1 Introduction
2.2 Variabilité de la vapeur d'eau et impact sur le positionnement par GPS
2.3 Développement d'un lidar Raman pour le sondage de la vapeur d'eau atmosphérique
2.4 Correction troposphérique par lidar Raman et positionnement GPS
2.5 Conclusions
Chapitre 3. Sondage de la vapeur d'eau par GPS et météorologie des latitudes tempérées
3.1 Introduction
3.2 Etude de sensibilité de l'estimation des ZTD par GPS
3.3 Sondage de la vapeur d'eau par GPS
3.4 Validation de modèles météorologiques par GPS
3.5 Etudes de processus atmosphériques par GPS
3.6 Conclusions
Chapitre 4. Climat et cycle de l'eau de la mousson africaine
4.1 Introduction
4.2 Un réseau GPS pour l'étude de la mousson africaine
4.3 Comparaisons modèles – observations en Afrique
4.4 Analyse multi-échelle de la variabilité de la vapeur d'eau en Afrique par GPS
4.5 Bilans d'eau atmosphériques : cycle diurne et convection
4.6 Bilans d'eau atmosphériques : échelle régionale et cycle saisonnier
4.7 Le cycle de l'eau vu par les modèles de prévision météorologique
4.8 Détection des variations saisonnières du stock d'eau sous-terraine à partir des déplacements des stations GPS
4.9 Conclusions
Chapitre 5. Perspectives
5.1 L'apport des systèmes d'observations géodésiques à l'étude du cycle de l'eau de l'échelle régionale à globale
5.2 Synergie entre lidar Raman et GNSS : vers un système intégré de sondage atmosphérique et de positionnement vertical
5.3 Développements méthodologiques en traitement de données de géodésie spatiale multi-techniques |
| Numéro de notice : |
14911 |
| Affiliation des auteurs : |
LASTIG LAREG (2012-mi2018) |
| Thématique : |
POSITIONNEMENT |
| Nature : |
HDR |
| Note de thèse : |
Habilitation à diriger des recherches : Géodésie : Paris 6 : 2012 |
| nature-HAL : |
HDR |
| En ligne : |
https://hal.science/tel-00851617 |
| Format de la ressource électronique : |
URL |
| Permalink : |
https://documentation.ensg.eu/index.php?lvl=notice_display&id=76811 |
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GNSS : géodésie, météorologie et climat (2012)
