Equipe LISA

LISA : LIdar et SAtellite

L’équipe LISA fait partie du Groupe de Météorologie Expérimentale et Instrumentale (GMEI) spécialisé dans le développement et l’utilisation d’outils d’observation de l’atmosphère.

Membres de l’équipe :

  • Alain Dabas (chef d’équipe)
  • Gilles André
  • Jean-Marie Donier
  • Thierry Douffet
  • Thomas Flament (CDD)
  • Thomas Rieutord
  • Dimitri Trapon (CDD)
  • Vinciane Unger

 Objectifs et historique

L’équipe LISA (Lidar Satellite) a été crée au début des années 90 avec pour mission initiale de contribuer aux efforts importants de la communauté françaises dans le domaine des développements de lidars pour la mesure du vent. Au fil des années, l’équipe, tout en restant fortement impliquée dans les développements spatiaux à travers la mise au point de processeurs de données pour la mission AEOLUS a étendu son champ de compétence à d’autres moyens de télédétection. L’objectif est de pouvoir proposer à l’ensemble de la communauté des sciences de l’atmosphère française des moyens de mesure mobiles permettant de mieux documenter à fine échelle les phénomènes atmosphériques à l’étude pendant les campagnes de mesure.

Pour chaque type instrument, l’équipe LISA cherche tout d’abord à acquérir les compétences nécessaires à sa mise en œuvre et à la production de données de la meilleure qualité possible. Des développements sont ensuite réalisés destinés à améliorer sa capacité opérationnelle ou produire des données nouvelles (par la hauteur de la couche limite, le niveau de turbulence dynamique à partir des données d’un lidar vent).

Depuis quelques années, l’équipe dispose de lidars Doppler (une unité scannante à longue portée, un profiteur de vent dans les basses couches) mises en oeuvre dans des campagnes de mesure en zone de relief pour y documenter les écoulements à des échelles hectométriques (voir la campagne Passy-2015). L’équipe s’est également doté et met en oeuvre un radiomètre microonde capable de mesurer des profils verticaux de température et d’humidité. Leur apport à la prévision à fine échelle est étudié dans l’équipe GMEI/MNPCA. La dernière grande acquisition est un radar en bande W (95GHz) particulièrement bien adapté à l’observation du brouillard et des nuages.

L’équipe est particulièrement impliquée dans le programme de recherche SOFOG3D sur le brouillard pour lequel il va déployer la quasi totalité de ses équipements.


Radiomètre microonde.

Profils de température mesurés au cours du moins de juin à l’aéroport de Bordeau-Mérignac par radiosondages (haut) et radiomètre microonde (milieu) et profils analysés par le modèle régionale AROME de Météo-France.

 Moyens et instruments

L’équipe possède aujourd’hui divers instruments, déployés lors de campagnes de mesures :

  • Un radar profileur de vent UHF Degréane
    La fonction d’un profileur de vent "couche limite" est d’effectuer la mesure du profil vertical du vent, c’est à dire la mesure de la valeur du vecteur vent en des points répartis selon la verticale du lieu de mesure. C’est un ensemble autonome qui fonctionne de façon continue.
    Le profileur de vent est un RADAR Doppler à impulsions. Il utilise essentiellement comme traceur du vent les variations de l’indice de réfraction de l’air créées par la turbulence. Ces variations principalement produites par les fluctuations d’humidité dans les basses couches, portées par le vent, rétro diffusent une partie de l’énergie émise par le RADAR.
    La mesure du Doppler associée au déplacement de la turbulence donne la projection de la vitesse du vent dans la direction du lobe principal de l’antenne. Une séquence de tirs dans trois directions indépendantes au moins, est nécessaire pour reconstituer le vent (calcul des projections U, V, W).
    Les profileurs de vent Degreane Horizon émettent des impulsions de forte puissance dans trois ou cinq directions prédéterminées et reçoivent les échos rétro diffusés par les différentes couches de l’atmosphère. Après amplification, un traitement approprié du signal est appliqué pour aboutir à l’élaboration d’un profil vertical du vent.
    Le profileur de vent de l’équipe LISA est une version mobile implantée sur une remorque ce qui permet de le déployer facilement lors des campagnes de mesures.
    Le radar est capable également de fournir des données complémentaires comme l’énergie cinétique turbulente.


Profileur de vent UHF déployé pendant 18 mois sur l’Ile du Levant dans le cadre du programme de recherche HYMEX.

  • Un lidar Doppler scannant Léosphère WLS200S
    _Prototype de la société Léosphère, ce lidar est capable de mesurer le vent dans un rayon de 5 à 6km avec une résolution spatiale de l’ordre de la centaine de mètres. C’est un outil très précieux pour l’étude de la dynamique atmosphérique en terrain complexe.


Lidar Doppler scannant WLS200S de la société Léosphère déployé pendant la campagne Passy-2015.

  • Un lidar rétrodiffusion Léosphère ALS300
    L’équipe dispose d’un lidar atmosphérique Léosphère ALS300 qui permet d’obtenir un profil de rétrodiffusion sur deux canaux, en polarisation parallèle et en ploarisation croisée. Cela permet de pouvoir étudier la nature et forme des aérosols présents dans l’atmosphère. (voir http://www.leosphere.com).
  • Un lidar aérosol LB100 de chez RAYMETRICS
    Ce lidar ressemble au lidar ALS300 (même laser de marque Quantel ) mais a la particularité d’être fixé sur une monture motorisée, ce qui permet de modifier l’angle de tir et réaliser des scans en trois dimensions à la demande (voir http://www.raymetrics.gr).

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Lidar aérosol sur la tour de contrôle de la base aérienne de Lanvéoc au cours d’une expérimentation destinée à tester la capacité d’un lidar panoramique à détecter les brouillards advectifs à plusieurs kilomètres de distance avant qu’ils ne perturbent les opérations sur la base. L’expérimentation a été financée par la Délégation Générale de l’Armement.

  • Un radar nuage (95GHz) MODEM
    _Développé par le LATMOS, ce radar léger est aujourd’hui commercialisé par la société MODEM. Le CNRM en a été le premier acheteur. Doté d’une capacité de scan, ce radar a été acquis pour observer le brouillard.


Radar W de la société MODEM


Réflectivité radar (haut) et vitesse verticale (bas) mesurée par le radar W lors d’un épisode de brouillard.

  • Un radar « pluie » (Micro-Rain-Radar) METEK
    Le MRR (Micro Rain Radar) est un radar de fréquence 24 GHz à effet Doppler qui permet la mesure spectrale des gouttelettes d’eau, du calcul de la pluviomètrie, de la quantité de vapeur d’eau et de la vitesse des précipitations présents dans l’atmosphère (voir http://www.metek.de/product-variants/micro-rain-radar-24-ghz.html).
  • Un radiomètre micro ondes RPG HATPRO
    Le radiomètre micro ondes de l’équipe mesure l’émission de l’atmosphère dans le domaine des micro ondes et en déduit des profils de température et de température de brillance. Il utilise deux bandes : 22-31 GHz pour l’humidité et 51-58 GHz pour la température (voir http://www.radiometer-physics.de/rpg/html/Products_Radiometers_Profilers.html).
  • Un photomètre CIMEL
    Il s’agit d’un photomètre automatique de réseau de haute précision pour la mesure des propriétés optiques de l’atmosphère, et pour la quantification et la caractérisation des propriétés physico-optiques des aérosols. Ces mesures brutes peuvent être automatiquement post traitées pour obtenir par inversion plusieurs paramètres atmosphériques en particulier la répartition de la taille des aérosols et leurs propriétés physico-optiques ainsi que la quantité de vapeur d’eau.
    Le photomètre de l’équipe est intégré dans le réseau AERONET, qui permet d’avoir une couverture globale (voir http://aeronet.gsfc.nasa.gov et http://www.cimel.fr/?instrument=photometre-multi-bandes-soleilciel).

 Participation à des campagnes de mesures et projets

L’équipe participe de manière régulière à de nombreuses campagnes de mesures, parfois internationales.
A venir ou en cours :

- SOFOG3D
Ayant pour objectif l’amélioration de la connaissance physique et de la prévision du brouillard, le projet SOFOG3D financé par l’ANR et porté par le CNRM/GMEI comprend une importante campagne de mesure devant se dérouler dans le Sud-Ouest de la France d’octobre 2019 à fin mars 2020. LISA va y déployer la quasi-totalité de ses matériels et participé à la mise en place d’un réseau de 6 radiomètres microondes dont l’apport à la prévision pourra être étudiée.

- ADM-AEOLUS
L’équipe LISA coordonne les opérations de Calibration/Validation du satellite AEOLUS des équipes françaises de recherche et y a contribué (mise en place d’un point de mesure sous la trace du satellite en collaboration avec le LSCE).

 Campagnes passées

- BLLAST (étude sur le comportement de la couche limite en fin de journée)

Les scientifiques du projet BLLAST ont organisé durant l’été 2011 sur le plateau de Lannemezan (Hautes Pyrénées) une campagne de mesure pour observer les mouvements de la basse couche de l’atmosphère au moment du coucher du soleil. Les données recueillies contribueront à affiner les modèles opérationnels de prévision du temps et de dispersion des polluants.

- HYMEX (programme international sur l’hydrologie en région méditerranéenne).

Coordonné par Météo-France et le CNRS, le programme international de recherche HyMeX vise à améliorer la compréhension du cycle de l’eau en Méditerranée afin notamment d’améliorer la prévision des risques hydrométéorologiques (pluies intenses et crues rapides, vents violents, sécheresses), qui provoquent de façon récurrente d’importants dégâts sur tout le pourtour méditerranéen. Il rassemble près de 400 scientifiques d’une vingtaine de pays. La première campagne de mesures intensives s’est déroulée à l’automne 2012. Près de 200 moyens d’observation (avions, bateaux, radars…) ont été déployés dans les airs, la mer et sur terre pour collecter le maximum de données sur toute la Méditerranée nord-occidentale, en France, en Italie et en Espagne.

- Passy-2015 (Vallée Alpine)

Une campagne de mesure est prévue dans la vallée de l’Arve pour mieux comprendre la circulation atmosphérique par condition stable hivernale en vallée alpine et l’impact sur la qualité de l’air. Plusieurs laboratoires scientifiques y participeront : le LEGI, le LTHE, le LGGE, Air Rhône-Alpes ainsi que Météo-France.
Campagne prévue pour l’hiver 2014 -2015, elle est en cours de préparation. Pour l’équipe, il est prévu de déloyer le radar UHF, le lidar LB100 et le radiomètre HATPRO.

 Publications de réferences

[1] Sabatier, T., A. Paci, G. Canut, Y. Largeron, A. Dabas, J.-M. Donier and T. Douffet : Wintertime Local Wind Dynamics from Scanning Doppler Lidar and Air Quality in the Arve River Valley. Atmosphere, 9, 118, doi:10.3390/atmos9040118.

[2] Rottner, L., C. Baehr, A. Dabas, L. Hammoud ; Stochastic Method for Turbulence Estimation from Doppler Lidar Measurements. Journal of Applied Remote Sensing, 11(4), 046001 (2017), doi : 10.1117/1.JRS.11.046001.

[3] PACI, A., Chantal STAQUET, Julie ALLARD, Hélène BARRAL, Guylaine CANUT, Jean-Martial COHARD, Jean-Luc JAFFREZO, Pauline MARTINET, Tiphaine SABATIER, Florence TROUDE, Gabriele ARDUINI, Frédéric BURNET, Christophe BRUN, Charles CHEMEL, Alain DABAS, Jean-Marie DONIER, Olivier GARROUSTE, Rémi GUILLOT, Yann LARGERON, Dominique LEGAIN, William MAUREL, Diane TZANOS, Sébastien BARRAU, Manuel BARRET, Joël BARRIE, Anne BELLEUDY, Gilles BOUHOURS, Thierry BOURRIANNE, Florie CHEVRIER, Thierry DOUFFET, Jean-Michel ETCHEBERRY, Laurent GUSTAVE, Marie MAZOYER, Stéphane MERCIER, Éric MOULIN, Yann PELLAN, Bruno PIGUET, Quentin RODIER et Isabella ZIN, 2016 : La campagne Passy-2015 : dynamique atmosphérique et qualité de l’air dans la vallée de l’Arve. Pollution Atmosphérique, 231-232, en ligne.

[4] Dabas A., M. L. Denneulin, P. Flamant, C. Loth, A. Garnier, A. Dolfi-Bouteyre, 2008 : Correcting winds measured with a Rayleigh Doppler lidar from pressure and temperature effects. Tellus, 60A, 206 – 215.

[5] Bousquet O., P. Tabary, J. Parent du Chatelet, 2008 : Operational Multiple-Doppler Wind Retrieval Inferred from Long-Range Radial Velocity Measurements. Journal of applied meteorology and climatology, 47, 2929-2945.

[6] Reitebuch O., H. Volkert, C. Werner, A. Dabas, P. Delville, P. Drobinski, P. H. Flamant et E. Richard, 2003 : Determination of air flow across the Alpine ridge by a combination of airborne Doppler lidar, routine radio-sounding and numerical simulation Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 129, 715-728.

[7] Dabas A., S. Rémy and T. Bergot, 2011 : Use of a Sodar to Improve the Forecast of Fogs and Low Clouds on Airports. Pure and Applied Geophysics, DOI : 10.1007/s00024-011-0334-y.

[8] Klein C. : Conception et prototypage d’un lidar pour la mesure du contenu en eau liquide dans le brouillard. Thèse de doctorat de l’Université de Toulouse soutenue le 20 novembre 2013. 187 pages.