Nuvens desempenham papel fundamental no balanço radiativo terrestre, e o conhecimento de suas propriedades micro e macrofísicas é importante para o estudo do clima global. O desenvolvimento de nuvens esta ligado à dinâmica da atmosfera, fluxos de energia térmica e radiativa à superfície, e também depende crucialmente do tamanho de seus hidrometeoros. Uma ferramenta importante para o estudo de hidrometeoros em nuvens de grande escala e o sensoriamento remoto por satélite, que representa uma alternativa para se estudar propriedades de nuvens em grandes escalas espaciais. No entanto, atualmente não há estudos para subsidiar análises de propriedades microfísicas de nuvens a partir de plataformas geoestacionárias. Neste trabalho foram comparados dois códigos de transferência radiativa amplamente utilizados pela comunidade científica, SBDART e libRadtran, em simulações considerando variações de propriedades atmosféricas, de superfície, macro e microfísicas de nuvens. Em seguida estudou-se a transferência radiativa em nuvens de água e gelo determinando o impacto simulado de diversas geometrias de iluminação e observação nas radiâncias medidas por sensoriamento remoto. Finalmente, foram desenvolvidas tabelas de referência para a determinação de tamanho de hidrometeoros em nuvens, para fases líquida e solida, a partir de radiâncias medidas por um sensor em satélite geoestacionário. As comparações entre SBDART e libRadtran mostram resultados sistematicamente subestimados pelo libRadtran. Em um céu sem nuvens a diferença entre as refletâncias calculadas em ambos os modelos é inferior a 4% quando consideradas variações em albedo de superfície e coluna de ozônio. Em um céu com nuvens a diferença entre os resultados dos modelos para comprimento de onda de 630 nm e intervalo visível (590 a 660 nm) pode chegar ate 18% para variações de profundidade óptica entre 0 e 20. Para profundidade óptica maior que 20 essas diferenças variam entre 4 e 9%, além de refletâncias constantes para o intervalo entre 3850 e 4000 nm e para comprimento de onda de 3900 nm. A divergência de resultados obtidos pelos dois modelos é atribuída a diferenças estruturais entre os códigos, uma vez que atualmente apenas o libRadtran apresenta atualizações periódicas pela comunidade científica. Assim, este modelo foi utilizado para a construção da tabela de referência simulando medidas de radiâncias em plataforma geoestacionária. A tabela construída compreende 86 valores de raios efetivos de hidrometeoros, variando entre 2 e 59m, com fases termodinâmicas de água e gelo, 16 valores de geometria de observação solar, 3 valores de âgulos de observação, 2 valores de azimute relativo, e condições fixas de profundidade óptica de nuvem de 50, conteúdo integrado de ozônio de 255 DU e 60mm de vapor d água. Essas condições foram escolhidas como representativas para a região Amazônica. Em um teste de aplicação direta da tabela de referência a medidas de radiância realizadas com satélite geoestacionário foram obtidos raios efetivos entre 2 e 30m para gotículas de água e até 24m para cristais de gelo. Os resultados obtidos neste trabalho poderão ser aplicados futuramente a medidas obtidas por plataformas geoestacionárias em estudos de tamanhos de hidrometeoros, tornando possível a análise de sua evolução temporal. / Clouds play a fundamental role in the terrestrial radiative balance, and knowledge of its micro and macrophysical properties is important for the study of global climate. Cloud development is linked to the dynamics of the atmosphere, thermal and radiative energy flows to the surface, and also depends crucially on the size of its hydrometeors. An important tool for the study of large-scale cloud hydrometeors is satellite remote sensing, which represents an alternative to study cloud properties at large spatial scales. However, there are currently no studies to support analyzes of microphysical properties of clouds from geostationary platforms. In this work, two radiative transfer codes widely used by the scientific community, SBDART and libRadtran, were compared in simulations considering variations of atmospheric, surface, macro and microphysical properties of clouds. Next, radiative transference was studied in water and ice clouds, determining the simulated impact of various lighting and observation geometries on radiances measured by remote sensing. Finally, look-up tables were developed for the determination of the size of hydrometeors in clouds, for liquid and solid phases, from radiances measured by a geostationary satellite sensor. The comparisons between SBDART and libRadtran show results systematically underestimated by the libRadtran. In a cloudless sky the difference between the reflectances calculated in both models is less than 4% when considering variations in surface albedo and ozone. In a clouded sky the difference between the model results for wavelengths of 630 nm and the visible range (590 to 660 nm) can reach up to 18% for optical depth variations between 0 and 20. For optical depths greater than 20, these differences range from 4 to 9%, in addition to constant reflections for the range of 3850 to 4000 nm and for a wavelength of 3900 nm. The divergence of results obtained by the two models is attributed to structural differences between the codes, since currently only the libRadtran presents periodic updates by the scientific community. Thus, this model was used for the construction of the reference table simulating measurements of radiances in geostationary platform. The constructed table comprises 86 values of effective radii of hydrometeors, ranging from 2 to 59m, with thermodynamic phases of water and ice, 14 values of geometry of solar observation, 3 values of angles of observation, 2 relative azimuth values, and fixed cloud optical depth conditions of 50, integrated ozone content of 255 DU and 60mm of water vapor. These conditions were chosen as representative for the Amazon region. In a test of direct application of the look-up table to measurements of radiance obtained with geostationary satelite we obtained effective radius up to between 2 and 30 for water droplets and up to 24 for ice crystals. The results obtained in this work can be applied in the future to measurements obtained by geostationary platforms in studies of sizes of hydrometeors, making possible the analysis of their temporal evolution.

Neste projeto de pesquisa planeja-se obter indícios da correlação entre o conteúdo metálico estelar deduzido para a Via Láctea e os indíces metálicos obtidos para as Nuvens de Magalhães. O ponto de apoio para tal comparação é que cada encontro deixará importantes traços na eficiência de formação dos membros do tripleto. À medida que os encontros dependem da história dinâmica, suas ``impressões digitais\'\' deixadas nos conteúdos estelares colocam importantes limitações na história dinâmica e vice-versa. Para tanto, são utilizados os dados espectroscópicos já obtidos com o telescópio Magellan Clay, para uma amostra contendo 28 estrelas ricas em carbono encontradas nas Nuvens de Magalhães. A quantidade de carbono bem como a existência ou não de binaridade nas estrelas da amostra são indícios das possíveis fontes da sobreabundância do carbono. A caracterização da amostra é essencial para o estudo da relação entre duas populações estelares aparentemente distintas: a de estrelas de carbono e a de estrelas pobres em metais enriquecidas em carbono. Para tanto, são utilizados catálogos de espectros assim como critérios fotométricos. A descoberta de alguma relação entre as duas populações pode ajudar a esclarecer o problema dos processos de enriquecimento de carbono, notado nas atmosferas estelares. A futura determinação dos parâmetros físicos das estrelas que compõem a amostra pode revelar detalhes sobre a história de formação estelar dos objetos das Nuvens e, portanto, vincular a evolução dessas duas galáxias-satélites à história da Via Láctea. / This project searches for signs of correlation between metallic stellar content, available for the Milky Way, and the metallicities indices obtained for the Magellanic Clouds. This comparison is supported by the traces on the formation of these three galaxies, that should have been left by each triplet members encounter. Since these crosses depend on the dynamical history, their fingerprints left by stellar content can estabilish constraints to the Galactic dynamical history. Spectroscopic data for a sample of carbon stars, obtained on the Magellanic Telescope, are used in this work. The amount of carbon, as the existence or not of binary stars in this sample, indicates possible sources of this element. The determination of sample properties is essential for studying the constraints between two stellar populations that are apparently distincts: carbon stars and carbon enhanced metal-poor stars. To do this, spectral catalogues and photometric criteria are used. Finding the correlations between both populations will bring some light to the unknown carbon enrichment processes that occured at the stellar atmospheres. Variability, emission lines, and binarity are studied for the sample. Stellar parameters are discussed, although there is no method applicable to this sample. By estimating the physical parameters of the stars presented in this sample and by analysing their carbon abundances, one can provide hints of the star formation history of objects in the Magellanic Clouds and therefore constraint the evolution of these satellite-galaxies to the Milky Way.

O sistema climático terrestre é regido pela interação entre o fluxo de radiação solar e diversos elementos presentes na atmosfera e na superfície. Entre esses elementos destacamos o papel que as nuvens desempenham nesse processo devido a sua elevada cobertura terrestre, que chega a média de três quartos de todo o globo. Do total de radiação solar que atinge a atmosfera, as nuvens são responsáveis pela reflexão direta de cerca de 23% da radiação incidente de volta ao espaço evitando, assim, o aquecimento da superfície. Por outro lado, parte da radiação térmica emitida pelo solo é absorvida e reemitida pelas nuvens podendo ocasionar em um aumento de temperatura próximo à superfície dependendo da sua altitude. Todo esse processo está intimamente relacionado a quantidade de nuvens, sua espessura óptica e o comprimento de onda da radiação, podendo a resposta do sistema variar conforme muda-se alguma dessas condições. Outro elemento que influencia tanto nas características das nuvens quanto no balanço radiativo terrestre é o aerossol atmosférico. Sua presença na atmosfera pode tanto aumentar a temperatura em solo quanto diminuí-la, dependendo do tipo de aerossol, sua quantidade, distribuição espacial e da radiação com a qual está interagindo. Ele também participa na formação das nuvens ao atuar como núcleo condensador de nuvens em atmosfera supersaturada, facilitando a aglutinação de vapor de água em torno de si. A presença de elevadas quantidades de aerossóis para uma determinada taxa de umidade do ar, dificulta a formação e o desenvolvimento vertical da nuvem, podendo até mesmo acarretar sua evaporação. Como a variabilidade dos aerossóis na atmosfera, em geral, é muito alta e devido a sua interação com a radiação variar com o comprimento de onda, a determinação precisa do seu efeito no balanço radiativo terrestre é prejudicada. Esses processos citados evidenciam a enorme complexidade no entendimento das relações envolvendo esses dois elementos presentes na atmosfera terrestre. Para diminuir essa lacuna, sobrevoamos uma região próxima a Porto Velho (RO) entre os dias 21 e 28 de setembro de 2012 munidos de um aparato experimental a fim de analisar o perfil vertical das nuvens. Esse aparato continha uma câmera sensível a comprimentos de onda visíveis (aproximadamente de 440nm a 700nm), uma câmera térmica, sensível a comprimentos de onda entre 8 e 14m, e outra sensível a comprimentos de onda no infravermelho próximo, entre 900nm e 2500nm. Esse conjunto de instrumentos permitiu obter medidas da radiação emergente da lateral de nuvens convectivas na região estudada. / none

Clouds and their instantaneous effects on downward solar radiation were studied at the Metropolitan Area of São Paulo. For this purpose, visual observations of clouds, ground-based measurements performed by different radiometers, products from the polar orbiting satellites CALIPSO and CloudSat and 1-D Radiative Transfer Model (RTM) LibRadtran were used. Daytime climatology of cloud cover fraction (1958-2016) using data of hourly visual observations was carried out. The diurnal cycle of cloud cover fraction was dominated by low clouds especially by stratiform clouds. Remarkable differences in the diurnal cycles of low cumuliform and stratiform clouds were also observed. During the time period, positive trends for low cloud cover (1.6 %/decade), especially stratiform (3.1 %/decade), and cirriform cloud (0.8 %/decade) were observed, while a decreasing trend of mid-level cloud cover (-2.4%/decade) was found. Seasonal and diurnal variability of vertical profile of cloud was observed, with cloud extending to higher altitudes at night and with maximum frequency of occurrence observed in summer. In winter, low clouds prevailed. Effective cloud optical depth (ECOD), using the total transmittance at 415 nm, and instantaneous cloud effects on solar radiation at the surface, using global irradiance measurements, were estimated in synergy with LibRadtran computations. ECOD presented seasonal and diurnal variability, with maximum of mean in spring (34.4) and in the afternoon (34.2), and minimum at sunrise (25.5) and winter (26.9) for low clouds. The shortwave effects of clouds depended on solar disk condition, cloud type and cloud cover. Maximum of shortwave radiative attenuation was observed for low clouds in total overcast conditions with a median reduction of 72 % of global irradiance compared to clear sky. Median reduction of mid and high clouds was 57 % and 33 %, respectively. Enhancement effects with duration as long as 20 minutes, caused by lateral scattering, were observed in the presence of all analyzed cloud types, when the solar disk was not blocked by clouds, increasing global solar irradiance around 10% at the surface. Maximum enhancement could reach 50 % for low clouds. / Na Região Metropolitana de São Paulo, foram estudadas as nuvens e seus efeitos na radiação solar. Para tanto, foram usadas observações visuais de nuvens, medições desde a superfície efetuadas por diferentes radiômetros, produtos dos satélites de órbita polar CALIPSO e CloudSat e o modelo de transferência radiativa 1-D LibRadtran. Foi desenvolvida uma climatologia para o ciclo diurno da fração de cobertura de nuvens (1958-2016) usando dados de observações visuais. O ciclo diurno da cobertura de nuvens foi dominado por nuvens baixas, especialmente as estratiformes. Observaram-se diferenças entre o ciclo diurno das nuvens baixas cumuliformes e estratiformes. Além disso, houve uma tendência de aumento da fração de cobertura de nuvens baixas (1,6 %/década), especificamente das estratiformes (3,1 %/década), e das nuvens cirriformes (0,8%/década). Por outro lado, observou-se tendência de diminuição da fração de cobertura de nuvens médias (-2,4%/década). A variabilidade sazonal e diurna do perfil vertical de nuvens foi analisada, com as nuvens atingindo maiores altitudes à noite e no verão. No inverno, as nuvens baixas predominaram. A profundidade óptica efetiva da nuvem (ECOD), usando a transmitância total em 415 nm, e os efeitos instantâneos das nuvens sobre a radiação solar, de medições de irradiância solar global, foram estimados em sinergia com cálculos feitos com o LibRadtran. ECOD apresentou variabilidade diurna e sazonal com máximo na primavera (34,4) e no período da tarde (34,2) e mínimo pela manhã, próximo ao nascer do sol (25,5) e no inverno (26,9) para nuvens baixas. O efeito radiativo de onda curta apresentou dependência com relação à obstrução do disco solar pelas nuvens, o tipo de nuvem e fração de cobertura. A atenuação máxima foi observada para nuvens baixas com o céu totalmente nublado, com valor médio de redução de 72 % da irradiância global, comparada com condições de céu claro. Medianas de redução de nuvens médias e altas foram de 57 % e 33 %, respectivamente. Foram observados efeitos de incrementos da radiação solar (enhancement) de cerca de 10 % com duração de até 20 minutos, devido ao espalhamento pelas laterais das nuvens, em presença de todos os tipos de nuvens analisados, quando o disco solar não estava obstruído. O máximo de enhancement chegou até 50 % na presença de nuvens baixas.

Le suivi journalier du bilan radiatif solaire est indispensable à l’étude des processus à l'interface sol-atmosphère, en particulier en climatologie et en hydrologie. Dans le cadre du projet CEOP-Aegis visant à étudier l'hydrologie du plateau du Tibet, cette thèse se concentre sur le développement d'une méthode permettant d’en estimer le bilan radiatif solaire de surface de façon quotidienne. Une série temporelle de flux radiatifs produite à partir de produits satellitaires existants met en évidence la nécessité d’intégrer la variabilité sous-pixel du terrain et des nuages pour les zones aussi hétérogènes que le Tibet. L’analyse de l’impact de la variabilité spatiale et temporelle des nuages sur le rayonnement solaire illustre le bénéfice lié à l’utilisation de la répartition des nuages plutôt que la fraction de nébulosité et l’importance d’une résolution temporelle élevée. Une méthode novatrice proposée pour la correction topographique sous-pixel montre que l’utilisation d’un modèle numérique de terrain à haute résolution spatiale améliore significativement l'estimation de l’éclairement ainsi que de l'albédo. Deux approches sont proposées pour améliorer l’estimation du bilan radiatif intégrant de manière adéquate l’hétérogénéité sous-pixel. / Monitoring the solar radiation budget on a daily basis is a prerequisite to study land surface processes, especially in climatology and hydrology. As part of the CEOP-Aegis project studying the hydrology of the Tibetan Plateau, this thesis focuses on developing a method to adequately estimate at-surface daily solar radiation budget over this particular area. A radiation budget time series produced based on existing satellite data products highlights the necessity to consider terrain and clouds sub-pixel variability when working over heterogeneous areas such as the Tibetan Plateau. The analysis of the impact of spatial and temporal variability of clouds on solar radiation demonstrates that the surface irradiance estimation would benefit from using cloud distribution instead of cloud fraction and the significance of high temporal resolution. A new sub-pixel topographic correction method is proposed and shows that using high resolution digital elevation model improves the irradiance as well as the albedo retrieval. Two approaches are proposed to improve solar radiation budget estimates taking into account adequately the sub-pixel heterogeneity.

Clouds and their instantaneous effects on downward solar radiation were studied at the Metropolitan Area of São Paulo. For this purpose, visual observations of clouds, ground-based measurements performed by different radiometers, products from the polar orbiting satellites CALIPSO and CloudSat and 1-D Radiative Transfer Model (RTM) LibRadtran were used. Daytime climatology of cloud cover fraction (1958-2016) using data of hourly visual observations was carried out. The diurnal cycle of cloud cover fraction was dominated by low clouds especially by stratiform clouds. Remarkable differences in the diurnal cycles of low cumuliform and stratiform clouds were also observed. During the time period, positive trends for low cloud cover (1.6 %/decade), especially stratiform (3.1 %/decade), and cirriform cloud (0.8 %/decade) were observed, while a decreasing trend of mid-level cloud cover (-2.4%/decade) was found. Seasonal and diurnal variability of vertical profile of cloud was observed, with cloud extending to higher altitudes at night and with maximum frequency of occurrence observed in summer. In winter, low clouds prevailed. Effective cloud optical depth (ECOD), using the total transmittance at 415 nm, and instantaneous cloud effects on solar radiation at the surface, using global irradiance measurements, were estimated in synergy with LibRadtran computations. ECOD presented seasonal and diurnal variability, with maximum of mean in spring (34.4) and in the afternoon (34.2), and minimum at sunrise (25.5) and winter (26.9) for low clouds. The shortwave effects of clouds depended on solar disk condition, cloud type and cloud cover. Maximum of shortwave radiative attenuation was observed for low clouds in total overcast conditions with a median reduction of 72 % of global irradiance compared to clear sky. Median reduction of mid and high clouds was 57 % and 33 %, respectively. Enhancement effects with duration as long as 20 minutes, caused by lateral scattering, were observed in the presence of all analyzed cloud types, when the solar disk was not blocked by clouds, increasing global solar irradiance around 10% at the surface. Maximum enhancement could reach 50 % for low clouds. / Na Região Metropolitana de São Paulo, foram estudadas as nuvens e seus efeitos na radiação solar. Para tanto, foram usadas observações visuais de nuvens, medições desde a superfície efetuadas por diferentes radiômetros, produtos dos satélites de órbita polar CALIPSO e CloudSat e o modelo de transferência radiativa 1-D LibRadtran. Foi desenvolvida uma climatologia para o ciclo diurno da fração de cobertura de nuvens (1958-2016) usando dados de observações visuais. O ciclo diurno da cobertura de nuvens foi dominado por nuvens baixas, especialmente as estratiformes. Observaram-se diferenças entre o ciclo diurno das nuvens baixas cumuliformes e estratiformes. Além disso, houve uma tendência de aumento da fração de cobertura de nuvens baixas (1,6 %/década), especificamente das estratiformes (3,1 %/década), e das nuvens cirriformes (0,8%/década). Por outro lado, observou-se tendência de diminuição da fração de cobertura de nuvens médias (-2,4%/década). A variabilidade sazonal e diurna do perfil vertical de nuvens foi analisada, com as nuvens atingindo maiores altitudes à noite e no verão. No inverno, as nuvens baixas predominaram. A profundidade óptica efetiva da nuvem (ECOD), usando a transmitância total em 415 nm, e os efeitos instantâneos das nuvens sobre a radiação solar, de medições de irradiância solar global, foram estimados em sinergia com cálculos feitos com o LibRadtran. ECOD apresentou variabilidade diurna e sazonal com máximo na primavera (34,4) e no período da tarde (34,2) e mínimo pela manhã, próximo ao nascer do sol (25,5) e no inverno (26,9) para nuvens baixas. O efeito radiativo de onda curta apresentou dependência com relação à obstrução do disco solar pelas nuvens, o tipo de nuvem e fração de cobertura. A atenuação máxima foi observada para nuvens baixas com o céu totalmente nublado, com valor médio de redução de 72 % da irradiância global, comparada com condições de céu claro. Medianas de redução de nuvens médias e altas foram de 57 % e 33 %, respectivamente. Foram observados efeitos de incrementos da radiação solar (enhancement) de cerca de 10 % com duração de até 20 minutos, devido ao espalhamento pelas laterais das nuvens, em presença de todos os tipos de nuvens analisados, quando o disco solar não estava obstruído. O máximo de enhancement chegou até 50 % na presença de nuvens baixas.

Le traitement de nuages de points 3D de lidars permet aux robots mobiles autonomes terrestres de construire des modèles sémantiques de l'environnement extérieur dans lequel ils évoluent. Ces modèles sont intéressants car ils représentent des informations qualitatives, et ainsi donnent à un robot la capacité de raisonner à un niveau plus élevé d'abstraction. Le coeur d'un système de modélisation sémantique est la capacité de classifier les observations venant du capteur. Nous proposons un système de classification centré sur l'apprentissage non-supervisé. La prémière couche, la couche intermédiaire, consiste en un modèle de mélange gaussien. Ce modèle est déterminé de manière non-supervisée lors d'une étape de training. Il definit un ensemble de classes intermédiaires qui correspond à une partition fine des classes présentes dans l'environnement. La deuxième couche, la couche finale, consiste en un regroupement des classes intermédiaires dans un ensemble de classes finales qui, elles, sont interprétables dans le contexte de la tâche ciblée. Le regroupement est déterminé par un expert lors de l'étape de training, de manière supervisée, mais guidée par les classes intermédiaires. L'évaluation est basée sur deux jeux de données acquis avec de différents lidars et possédant différentes caractéristiques. L'évaluation est quantitative pour l'un des jeux de données, et qualitative pour l'autre. La concéption du système utilise la procédure standard de l'apprentissage, basée sur les étapes de training, validation et test. L'opération suit la pipeline standard de classification. Le système est simple, et ne requiert aucun pré-traitement ou post-traitement. / The processing of 3D lidar point clouds enable terrestrial autonomous mobile robots to build semantic models of the outdoor environments in which they operate. Such models are interesting because they encode qualitative information, and thus provide to a robot the ability to reason at a higher level of abstraction. At the core of a semantic modelling system, lies the capacity to classify the sensor observations. We propose a two-layer classi- fication model which strongly relies on unsupervised learning. The first, intermediary layer consists of a Gaussian mixture model. This model is determined in a training step in an unsupervised manner, and defines a set of intermediary classes which is a fine-partitioned representation of the environment. The second, final layer consists of a grouping of the intermediary classes into final classes that are interpretable in a considered target task. This grouping is determined by an expert during the training step, in a process which is supervised, yet guided by the intermediary classes. The evaluation is done for two datasets acquired with different lidars and possessing different characteristics. It is done quantitatively using one of the datasets, and qualitatively using another. The system is designed following the standard learning procedure, based on a training, a validation and a test steps. The operation follows a standard classification pipeline. The system is simple, with no requirement of pre-processing or post-processing stages.

Made available in DSpace on 2015-03-05T13:53:45Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esse trabalho tem por objetivo apresentar um modelo para geração e animação de céus em tempo-real, onde as nuvens possuem uma representação volumétrica e sua visualização é feita através de billboards. A iluminação das nuvens utiliza vertex-shaders e uma técnica de absorção de luz similar a ray-casting. A principal aplicação deste modelo é em jogos e entretenimento interativo, onde grandes áreas de natureza são exibidas e portanto faz-se necessário uma representação realista do céu. As principais contribuições deste trabalho são: a geração semi-automática de modelos tridimensionais de nuvens, iluminação das nuvens levando-se em conta a perda de energia da luz no interior da nuvem e o conceito de variação climática. / The objective of this work is to present a model for generation and animation of skies, in real-time, where clouds have a volumetric representation implemented using billboards. Clouds illumination performed using vertex-shader and a technique of light absorption similar to ray-casting algorithms. The main application of the model is for games and interactive entertainment, where large areas of nature must be visualized in a realistic representation. The main contributions of this work are: semi-automatic generation of three-dimensional clouds models, cloud illumination using a technique of light absorption to simulate dark areas of the cloud and the concept of climatic variation.

Les observations météorologiques depuis les satellites dans le domaine des micro-ondes sont actuellement limitées à 190 GHz. La prochaine génération de satellites météorologiques opérationnels européens (EUMETSAT Polar System-Second Generation-EPS-SG), em- portera un instrument, le Ice Cloud Imager (ICI), avec des fréquences sub-millimétriques jusqu’à 664 GHz, afin d’améliorer la caractérisation globale des nuages de glace. Pour préparer l’exploitation de ces nouvelles données, durant cette thèse, des travaux ont été effectués sur quatre axes complémentaires. Des simulations réalistes de transfert radiatif ont été réalisées de 19 à 700 GHz, pour des scènes météorologiques réelles, couvrant une grande variabilité des nuages en Europe. L’objectif était double : premièrement mieux comprendre la sensibilité des ondes millimétriques et sub-millimétriques à la phase glacée des nuages, deuxièmement créer une base de données robuste pour développer une méthode d’inversion statistique des caractéristiques des nuages de glace. Un code de transfert radiatif atmosphérique (Atmospheric Radiative Transfer Simulator ARTS) a été couplé avec des profils atmosphériques simulés par un modèle méso-échelle de nuage (Weather Research and Forecasting WRF), pour douze scènes européennes aux moyennes latitudes. Les propriétés de diffusion des hydrométéores (glace, neige, graupel, pluie et eau dans le nuage) ont été soigneusement sélectionnées, en particulier pour la phase glace, et la compatibilité avec la microphysique de WRF a été testée : le Discrete-Dipole approximation (DDA) est adopté pour calculer les propriétés diffusantes des particules de neige. Les simulations obtenues ont été systématiquement comparées avec des observations satellitaires coïncidentes d’imageurs et de sondeurs jusqu’à 200 GHz. L’accord entre les simulations et les observations montre la bonne qualité de la base de données, au moins jusqu’à 200 GHz... / The meteorological observations from satellites in the microwave domain are currently limited to 190 GHz. The next generation of European operational Meteorological Satellite (EUMETSAT Polar System-Second Generation-EPS-SG) will carry an instrument, the Ice Cloud Imager (ICI), with frequencies up to 664 GHz, to provide unprecedented measurements in the sub-millimeter spectral range, aiming to improve the characterization of ice clouds over the globe. To prepare this upcoming satellite-borne sub-millimeter imager, during this thesis, scientific efforts have been made on four complementary aspects. Realistic radiative transfer simulations have been performed from 19 to 700 GHz, for real meteorological scenes, covering a large variability of clouds in Europe. The goal was two fold, first to better understand the sensitivity of the microwave to sub-millimeter waves to the cloud frozen phases, and second, to create a robust training database for a statistical cloud parameter retrieval. The Atmospheric Radiative Transfer Simulator (ARTS) is coupled with atmospheric profiles from the Weather Research and Forecasting (WRF) model, for twelve diverse European mid-latitude scenes. The single scattering properties of the hydrometeors (cloud ice, snow, graupel, rain, and cloud water) are carefully selected, especially for the frozen phases, and compatibility with the micro- physics in WRF is tested: the Discrete-Dipole Approximation (DDA) is adopted for snow particles. The resulting simulations have been systematically compared with coincident satellite observations from imagers and sounders up to 200 GHz. The agreement between simulations and observations shows the good quality of the simulated training database, at least up to 200 GHz...

Nous cherchons à mettre en évidence l'influence des hétérogénéités de température, de structure ou de composition des atmosphères sur leurs observations. Dans le années à venir, de plus en plus d'appareils vont permettre l'observation par transmission des atmosphères d'exoplanètes. Toutefois, les outils numériques permettant de contraindre ces dernières reposent sur des modèles simples à une dimension. Ils supposent en effet des atmosphères ne possédant qu'une structure verticale (le climat est le même en tout point de la surface, la composition ou la température n'évolue qu'avec l'altitude). Cette approche a le mérite de permettre des calculs rapides et de contraindre les paramètres globaux de l'atmosphère avec des temps raisonnables. Ceci ne serait pas possible en l'état avec une modélisation en 3 dimensions des atmosphères, même si ce serait beaucoup plus réaliste. Ce que nous cherchons à mettre en évidence, ce sont les limites des techniques actuelles d'inversion et donc, de caractérisation des atmosphères qui seront observées. Pour cela, il fallait mettre au point un logiciel capable de résoudre le transfert radiatif au sein d'une atmosphère en 3 dimensions (et non plus 1 seul). Une fois le logiciel terminé, nous avons éprouvé l'algorithme de traitement du signal TauREx en comparant les résultats qu'il proposait à des simulations atmosphériques parfaitement contrôlées. Nous nous sommes tout principalement arrêté sur les biais découlant d'hétérogénéités de température en simulant des atmosphères avec un fort contraste jour/nuit. Ceci nous a permis de caractériser les biais découlant de ces types d'hétérogénéités, de les quantifier et de mettre l'accent sur un biais jusqu'ici très sous-estimé par la communauté, à savoir celui découlant des hétérogénéités le long de la ligne de visée. Nous avons appuyé nos propos et concentré nos efforts sur l'interprétation de l'inversion d'une simulation complexe de l'atmosphère de GJ 1214 b. La reconstitution de la chaine observationnelle : GCM (LMD), Pytmosph3R (LAB) et TauREx (UCL) ouvre les portes d'un vaste panel d'études envisageables, et notamment tout ce qui va concerner l'identification et la caractérisation des biais systématiques qui incomberont les observations à venir. / Transmission spectroscopy provides us with information on the atmospheric properties at the limb, which is often intuitively assumed to be a narrow annulus aound ther planet. Consequently, the few recent studies on the effect of atmospheric horizontal heterogeneities on transmission spectra have used approaches sensitive to variations along the limb only. Here we demonstrate that the region probed in transmission – the limb – actually extends significantly toward the day and night sides of the planet. Consequently we show that thestrong day-night thermal and compositional gradients expected on synchronous exoplanets create sufficient heterogeneities across the limb to result in important systematic effects on the spectrum and bias its interpretation. To quantify these effects, we developed a 3D radiative transfer model able to generate transmission spectra of atmospheres based on 3D atmospheric structures, whether they come from a Global Climate Model or more parametrized models. We first apply this tool to a simulation of the atmosphere of GJ 1214 b toproduce synethic JWST observations and show that producing a spectrum using only atmospheric columns at the terminator results in errors greater than expected noise. This demonstrates the necessity of a real 3D approach to model data for such precise observatories.Second, we investigate how day-night temperature gradients cause a systematic bias in retrieval analysis performed with 1D forward models. For that purpose we synthesize a large set of forward spectra for prototypical HD209458 b and GJ 1214 b type planets varying the temperatures of the day and night sides as well as the width of the transition region. We then perform typical retrievalanalyses and compare the retrieved parameters to the ground truth of the input model. This study reveals systematic biases on the retrieved temperature (found to be higher than the terminator temperature) and absorber abundances. This is due to the fact that the hotter dayside is more extended vertically and screens the nightside—a result of the nonlinear properties of atmospheric transmission.These biases will be difficult to detect as the 1D profiles used in the retrieval procedure are found to provide an excellent match to theobserved spectra based on standard fitting criteria (chi2, posterior distributions). This fact needs to be kept in mind when interpretingcurrent and future data.