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1 LaMP - Laboratoire de météorologie physique

Abstract : This study focuses on the variability of mass-diameter relationships mD and shape of ice hydrometeors in Mesoscale Convective Systems MCS. It bases on data base which were recorded during four airborne measurement campaigns: i African monsoon’s MCS continent; MT2010, ii Indian Ocean’s MCS MT2011, iii Mediterranean’s MCS costs; HyMeX, iv North-Australian monsoon’s MCS costs; HAIC-HIWC. mD of ice hydrometeors are derived from a combined analysis of particle images from 2D-array probes and associated reflectivity factors measured with a Doppler cloud radar on the same research aircraft. Usually, mD is formulated as a power law with one pre-factor and one exponent that need to be constrained from complementary information on hydrometeors. A theoretical study of numerous hydrometeor shapes simulated in 3D and arbitrarily projected on a 2D plan allowed to constrain the exponent β of the mD relationship from the exponent σ of the surface-diameter SD relationship, which is likewise written as a power law. Since SD always can be determined for real data from 2D optical array probes or other particle imagers, the evolution of the mD exponent can be calculated. After that, the pre-factor α of mD is constrained from theoretical simulations of the radar reflectivity factor matching the measured reflectivity factor along the aircraft trajectory. Mean profiles of mD coefficients, particles size distributions and Condensed Water Content CWC are calculated in functions of the temperature, and are different for each type of MCS. For the four types of MCS, it is shown that the variability of mD coefficients is correlated with the variability of the temperature. Four types of mD parametrisations are calculated since the analysis of the variability of the mD coefficients. The significant benefit of using variable mD relations instead of a single mD relationship is demonstrated from the impact of all these mD relations on Z-CWC and Z-CWC-T fitted parametrisations.

Résumé : Cette thèse s’intéresse à la variabilité de la relation mass-diamètre mD des hydrométéores en phase glace présents dans les systèmes convectif de moyenne échelle MCS. Elle s’appuie sur une base de données acquise pour 4 types de MCS différents durant 4 campagnes de mesure aéroportée : i MCS de la mousson Africaine Continent ; MT2010, ii MCS de l’océan Indien MT2011, iii MCS de la Méditerranée côtes ; HyMeX, iv MCS de la mousson Nord-Australienne côtes ; HAIC-HIWC. La relation mD est calculée à partir de l’analyse combinée des images des hydrométéores enregistrées par les sondes optiques et les facteurs de réflectivité mesurés à l’aide d’un radar Doppler embarqués sur le même avion de recherche. Il est d’usage que la relation mD des hydrométéores soit représentée par une loi puissance avec un pré-facteur et un exposant, qui doit être contrainte par des informations supplémentaires sur les hydrométéores. Une étude théorique sur les formes des hydrométéores à l’aide de simulations en 3 dimensions dans lesquelles les hydrométéores sont orientés aléatoirement et projeté sur un plan, permet de contraindre l’exposant β de la relation mD en fonction de l’exposant σ de la relation surface-diamètre SD. La relation SD est aussi représentée par une loi puissance, et elle peut-être calculée pour une population d’images d’hydrométéores enregistrés par les sondes optiques. La variabilité de l’exposant est finalement calculée à partir de la variabilité de l’exposant σ déduis des images des hydrométéores. Ensuite le pré-facteur α est calculé à partir de simulations des facteurs de réflectivité, de sorte que les facteurs de réflectivité simulés soient égaux aux facteurs de réflectivité mesurés par le radar nuage le long de la trajectoire de l’avion dans les MCS. Des profils moyens en fonction de la température sont calculés pour les coefficients de la relation mD, les distributions en tailles des hydrométéores et les contenus massiques de glace dans les MCS CWC. Les profils moyens pour les quatre types de MCS sont différents les uns des autres. Pour les quatre types de MCS, il est montré que les variations des coefficients de la relation mD sont corrélées avec les variations de la température. Four types de paramétrisations de la relation mD sont calculées depuis l’analyses des variations des coefficients de la relation mD. Le bénéfice apporté par l’utilisation de relation mD non constante contrairement à l’utilisation de relation mD avec α et β constant, est démontré en étudiant l’impact de toutes les paramétrisations de la relation mD sur le calcul des relations Z-CWC et Z-CWC-T.

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Keywords : Airborn research aircraft Reflectivity factor Mass-diameter relationship Ice hydrometeors 2D-S PIP RASTA Megha-Tropiques HyMeX HAIC-HIWC

Mots-clés : Hydrométéores en phase glace Relation masse-diamètre CWC Facteur de réflectivité MCS Mesure aéroporté





Author: Emmanuel Fontaine -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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