Développement d'un modèle représentant les couverts nuageux leur dynamique et les champs de précipitation associés Application aux études de propagation Terre

Nicolas Jeannin

Description

Niveau: Supérieur

• redaction

Développement d'un modèle représentant les couverts nuageux, leur dynamique et les champs de précipitation associés – Application aux études de propagation Terre- Espace Nicolas JEANNIN 3ème Année DEMR /RCP Directeur de thèse : Henri Sauvageot (Laboratoire d'Aérologie) Encadrant UPS : Laurent Féral Encadrant ONERA : Joël Lemorton, Laurent Castanet 1- Introduction au problème La demande de débit croissant pour les télécommunications par satellite impose l'utilisation de bandes de fréquences supérieures à 20GHz (bandes Ka et Q/V). Un des problèmes posé par l'utilisation de ces bandes de fréquence est lié à l'influence de l'atmosphère notamment des précipitations et des nuages, sur la propagation des ondes électromagnétiques. Des techniques adaptatives de compensation des affaiblissements de propagation doivent être mises en œuvre afin de pouvoir offrir une disponibilité de service acceptable du point de vue de l'utilisateur. L'optimisation de ces techniques requiert la caractérisation spatio-temporelle précise du canal de propagation, et donc des effets atmosphériques sous-jacents. 2- Objectifs scientifiques Cette thèse se situe à la confluence de deux thèses déjà réalisées à l'ONERA. L'objectif est de coupler la description spatiale des champs d'atténuation due aux précipitations modélisée dans la thèse de L. Féral (2003) avec la modélisation temporelle du canal de propagation décrite dans la thèse de F. Lacoste (2005). La finalité du travail réalisé est la simulation de champs d'atténuation due à la pluie corrélés dans l'espace et dans le temps, statistiquement et climatologiquement réalistes.

• précipitation


• modèles de description cellulaire des champs de précipitation


• radar de martinique


• atténuations des échos de l'altimètre radar spatioporté


• techniques adaptatives de compensation des affaiblissements de propagation


• champs stochastiques


• modélisation temporelle du canal de propagation


• performances des algorithmes de gestion de la ressource des systèmes de télécommunication par satellites en bande ka

Sujets

• Redaction
• United States
• Jeannin
• Sauvageot
• Castanet
• Bousquet
• Précipitation

Informations

• Publié par: profil-nechor-2012
• Nombre de lectures: 82
• Langue: Français

Extrait

Développement d’un modèle représentant les couverts

nuageux, leur dynamique et les champs de précipitation

associés – Application aux études de propagation Terre-

Espace

Nicolas JEANNIN

3

ème

Année

DEMR /RCP

Directeur de thèse : Henri Sauvageot (Laboratoire d’Aérologie)

Encadrant UPS : Laurent Féral

Encadrant ONERA : Joël Lemorton, Laurent Castanet

1- Introduction au problème

La demande de débit croissant pour les télécommunications par satellite impose

l’utilisation de bandes de fréquences supérieures à 20GHz (bandes Ka et Q/V). Un des problèmes

posé par l’utilisation de ces bandes de fréquence est lié à l’influence de l’atmosphère notamment

des précipitations et des nuages, sur la propagation des ondes électromagnétiques. Des techniques

adaptatives de compensation des affaiblissements de propagation doivent être mises en oeuvre

afin de pouvoir offrir une disponibilité de service acceptable du point de vue de l’utilisateur.

L’optimisation de ces techniques requiert la caractérisation spatio-temporelle précise du canal de

propagation, et donc des effets atmosphériques sous-jacents.

2- Objectifs scientifiques

Cette thèse se situe à la confluence de deux thèses déjà réalisées à l’ONERA. L’objectif

est de coupler la description spatiale des champs d’atténuation due aux précipitations modélisée

dans la thèse de L. Féral (2003) avec la modélisation temporelle du canal de propagation décrite

dans la thèse de F. Lacoste (2005). La finalité du travail réalisé est la simulation de champs

d’atténuation due à la pluie corrélés dans l’espace et dans le temps, statistiquement et

climatologiquement réalistes.

3- Démarche et déroulement de la thèse

La première année de la thèse a été consacrée à l’extension du domaine de validité

(échelle continentale) des modèles de description cellulaire des champs de précipitation. Une

modélisation des autres composants atténuants de la troposphère (nuages, vapeur d’eau) utilisant

des champs stochastiques a été développée. En particulier, une modélisation de la corrélation

pluie-nuage au sein des champs précipitants a été mise en place et validée à l’aide de données

Météosat. Des validations du modèle ont été menées à partir de données radar européennes et sur

le territoire des Etats-Unis.

Lors de la deuxième année, la validation de la modélisation a été étendue à des zones tropicales

(radar de Martinique) et équatoriale (radar de Dakar). Ensuite, une modélisation des champs de

précipitation reposant également sur une transformation de champs aléatoires gaussiens a été

considérée. Ses principaux avantages par rapport à la méthodologie cellulaire sont l’ajout plus

aisé de la dimension temporelle, une meilleure représentativité de la forme des champs

précipitants et un coût moindre en termes de temps de calcul. Afin de générer des champs

réalistes sur de larges étendues, l’utilisation (comme entrée du modèle de génération de champs

de précipitation) des données de précipitation des modèles de réanalyse météorologique à basse

résolution (vignette du haut de la Figure 1) a été jugée prometteuse. Elle permet en effet de

reproduire des situations climatiques vraisemblables tout en conservant le caractère aléatoire des

simulations. En outre, il est intéressant de pouvoir sélectionner des situations spécifiques

correspondant par exemple aux pires cas de figure.

Figure 1 : Exemple de champ de précipitation simulé

L’évolution temporelle des champs se décompose en deux termes, un terme d’advection (dérivé

des données de réanalyse) et une évolution propre effectuée suivant un processus de Markov dans

le spectre du champ aléatoire. La résolution temporelle des champs d’atténuation sera ensuite

améliorée jusqu’à l’échelle de la seconde grâce à une technique d’interpolation stochastique du

canal similaire à celle développée dans la thèse de F. Lacoste.

4- Applications industrielles

Le modèle de génération de champs d’atténuation spatio-temporels est en passe d’être utilisé par

le CNES pour tester les performances des algorithmes de gestion de la ressource des systèmes de

télécommunication par satellites en bande Ka à partir de conditions de propagation réalistes.

Il permettra également d’évaluer les déformations de la forme d’onde et les atténuations des

échos de l’altimètre radar spatioporté Alti-Ka. Des études sur la disponibilité des mesures

altimétriques pourraient également être menées lors de la troisième année de la thèse.

5- Perspectives pour la troisième année de thèse

Les perspectives pour la troisième année de thèse sont les suivantes :

-

Extension de la modélisation aux faibles précipitations et aux nuages non-précipitants,

-

Amélioration de la corrélation pluie-nuages,

-

Soumission de deux nouveaux articles dans des revues à comité de lecture et

formalisation du manuscrit de thèse (thèse sur articles).

6- Communications

Jeannin N, L. Féral, H. Sauvageot, L. Castanet , J. Lemorton (2007) : Statistical

distribution of the fraction of an area affected by rain above a given threshold, soumis à

Journal of Geophysical Research

en Décembre 2007.

Jeannin N, L. Féral, H. Sauvageot, L. Castanet , J. Lemorton (2007) : Statistical

distribution of integrated liquid water and water vapor content from meteorological

reanalysis, version révisée envoyée à IEEE Transactions on Antennas and Propagation en

Novembre 2007.

Participation à la rédaction d’un chapitre du livre : Castanet L. (editor) et al. : “Influence of the

variability of the propagation channel on mobile, fixed multimedia and optical satellite

communications”, SatNEx JA-2310 Book, Shaker, 2007, http//www.satnex.org.

Jeannin N, L. Féral, H. Sauvageot, L. Castanet, J. Lemorton, F. Lacoste: Stochastic Spatio-

Temporal Modelling of Rain Attenuation for Propagation Studies, in

European Conference on

Antennas and Propagation 2007

, Edinburgh, UK, Nov 2007.

Testoni A., Bousquet M., Feral L., Jeannin N., Castanet L. : “Testing analysis of prediction

methods of Site Diversity at Ku and Ka-bands”, 25

th

AIAA-ICSSC, Seoul, Korea, 10-13

April 2007.

France (A. Testoni, L. Castanet, N. Jeannin, L. Feral, M. Bousquet), Italy (C. Riva, A. Paraboni),

ESA (A. Martellucci), Canada (D. Rogers) : “Testing analysis of site diversity prediction

methods for Earth-space paths at Ku and Ka bands”, input document 3M/213, 11 April 2007.

Î

révision de la recommandation ITU-R P.837.

France (G. Blarzino, N. Jeannin, L. Castanet), Italy (D. Ferraro, L. Luini, C. Capsoni), ESA (A.

Martellucci) : “Discussion document about Recommendation ITU-R P.837-4”, input document

3J/185-3M/217, 11 April 2007.

Î

révision de la recommandation ITU-R P.618.

Jeannin N, L. Féral, H. Sauvageot, L. Castanet, J. Lemorton, K. Leconte and F. Lacoste:

Modelling of rain fields and attenuation fields spatially correlated over Europe and USA, in

Proceedings 3rd CNES Workshop on Earth - Space Propagation

, (CNES, ed.), Toulouse, France,

Sep. 2006.

Jeannin N., L. Féral, H. Sauvageot, L. Castanet, J. Lemorton, F. Lacoste and K. Leconte:

Modeling of rain fields at large scale, in

International Workshop on Satellite and Space

Communications (IWSSC) 2006

, Madrid, Spain, Sep. 2006.