Contributions à l’étude des cœurs convectifs profonds depuis l’Espace : une approche orientée-objet renforcée par intelligence artificielle générative

– Louis Netz, Doctorant, LEGOS –

Résumé :

La convection profonde joue un rôle central dans le cycle de l’eau et de l’énergie. Responsable des principaux mouvements verticaux,elle assure le transport d’énergie, de vapeur d’eau et de quanti té de mouvement à travers la troposphère. Dans les tropiques, elle se structure principalement sous la forme de systèmes convectifs de méso-échelle, dont le cycle de vie est suivi en continu par les imageurs infrarouges géostationnaires (GEO), qui restituent les propriétés des sommets nuageux à haute résolution spatio-temporelle. Leur bouclier nuageux (ou enclume) connaît une phase de croissance puis de dissipation. Sous ce bouclier se développent des cœurs convectifs : des régions spatialement continues de colonnes convectives agrégées, de tailles, d’intensités et de hauteurs variables. Ces cœurs concentrent les précipitations intenses et les mouvements verticaux d’air humide et d’hydrométéores, et alimentent le bouclier nuageux.
Cette thèse vise à caractériser les cœurs convectifs depuis l’espace, en lien avec les propriétés morphologiques des systèmes convectifs auxquels ils sont associés. Les GEO observent les boucliers nuageux en continu, mais ne renseignent que partiellement sur la convection sous-jacente. Les radars spatiaux TRMM-PR et GPM-DPR accèdent à cette structure verticale, mais de manière intermittente et spatialement limitée par leur géométrie d’observation. Deux développements méthodologiques fondés sur la fusion des mesures infrarouges GEO et des mesures radars sont proposés afin de construire une contrainte observationnelle reliant l’échelle des cœurs convectifs (≃10 km, 15–45 min) à celle des boucliers nuageux (≃100 km, plusieurs heures).
Le premier chapitre caractérise l’arrangement spatial des cœurs convectifs via une décomposition on en structures élémentaires. Un ensemble de 4 paramètres permet de décrire, comparer et classifier des scènes d’organisation convective. Les classes obtenues sont physiquement cohérentes et interprétables. Le degré d’organisation est ensuite associé au taux de croissance des systèmes convectifs.
Le deuxième chapitre introduit un modèle d’IA générative de type CGAN entraîné sur les données de GPM-DPR. Sa fonction de perte composite multi -échelle permet de reconstruire fidèlement la structure fine échelle des données radars. CONDOR reconstruit la hauteur des cœurs convectifs à partir de séquences GEO multi spectrales, et ses sorties sont généralisées dans l’espace et dans le temps à la résolution de l’imageur GEO. La distribution spatiale et les hauteurs des cœurs convectifs sont ainsi décrites en continu sur des zones géographiques étendues, ce qui rend possible le suivi des cœurs convectifs au cours du cycle de vie des systèmes convectifs individuels.
Le troisième chapitre exploite cette reconstruction continue pour caractériser l’évolution temporelle de l’organisation convective. L’application de la méthode du premier chapitre aux sorties du modèle du chapitre précédent met en évidence des trajectoires d’organisation robustes, qui révèlent des transitions d’organisation convective au cours du cycle de vie et confirment les résultats du premier chapitre.
Le quatrième chapitre construit un modèle conceptuel du cœur convectif profond. Un suivi lagrangien individualisé définit un cycle de vie pour chaque cœur convectif identifié. La distribution en taille et en durée des cœurs convectifs et certaines de leurs propriétés dynamiques deviennent finalement accessibles.
Ce travail propose des contributions innovantes à l’étude du cœur convectif profond depuis l’espace et constitue une étape vers une compréhension renouvelée des mécanismes reliant l’échelle des cœurs convectifs à celle des systèmes convectifs de méso-échelle.

Jury :

• Mme Claudia STUBENRAUCH
• M. Filipe AIRES
• Mme Caroline MULLER
• Mme Hélène BROGNIEZ
• M. Rémy ROCA
• M. Thomas FIOLLEAU