Le Soleil est la source d'énergie essentielle de notre planète, et la connaissance du rayonnement solaire devient nécessaire dans un nombre croissant de domaines, où les utilisateurs font face à un manque de données. Les mesures disponibles dans le réseau météorologique mondial fournissent des valeurs du rayonnement solaire reçu au sol ; cependant elles sont ponctuelles et dispersées. Il est alors nécessaire de recourir à des interpolations ou extrapolations, techniques d'autant moins précises que la distance à la station augmente. Dans ce contexte, nous proposons d'une part une méthode d'estimation du rayonnement solaire reçu au sol à partir d'images satellitales, et d'autre part des outils pour permettre à l'utilisateur d'accéder de manière plus efficace à l'information sur le rayonnement solaire par l'intermédiaire d'Internet. Parmi les méthodes existantes, la méthode Heliosat a été choisie au regard des critères de qualité, de robustesse, et d'exploitation, qualités qui doivent être renforcées dans l'objectif de créer une climatologie du rayonnement solaire. Nous proposons donc d'améliorer la méthode Heliosat en 1) introduisant une méthode automatique d'étalonnage, 2) utilisant un modèle ciel clair plus précis, 3) établissant une nouvelle relation entre les indices de ciel clair et d'ennuagement, 4) évaluant l'albédo des différentes surfaces à partir des images étalonnées. Forte de ces améliorations, la méthode " Heliosat-2 " constitue alors une base solide pour l'élaboration d'une base de données climatiques du rayonnement solaire, devant être disséminées au travers d'Internet.

Les caractéristiques du rayonnement solaire incident en ondes courtes sont une connaissance essentielle pour un nombre croissant de domaines. Il existe des méthodes permettant d'estimer l'irradiation globale au sol à partir des images du spectre visible des satellites météorologiques géostationnaires, de manière plus efficace que l'interpolation spatiale de mesures en stations météorologiques. Cependant, malgré la disponibilité des images satellitales depuis plus de 25 ans, il n'existe pas actuellement de séries temporelles de l'irradiation globale à échelle mondiale avec une haute résolution spatiale sur une longue période. De plus, les méthodes satellitales ne permettent pas d'estimer avec précision les composantes directe et diffuse ainsi que la distribution spectrale du rayonnement solaire. Il existe donc une part non satisfaite des besoins des utilisateurs de données solaires au sol. Dans ce contexte, nous proposons un traitement opérationnel d'une série temporelle d'images Meteosat avec la méthode d'estimation du rayonnement solaire au sol Heliosat II. Nous diffusons les résultats de ce traitement en contribuant au développement d'un système d'information, appelée HelioClim-1, permettant d'obtenir, au travers d'Internet, l'irradiation globale pour l'Europe, l'Afrique et l'océan Atlantique de 1985 à 2004. Nous avons évalué la qualité des données contenues dans HelioClim-1 et analysé les erreurs par comparaisons avec des mesures acquises en stations météorologiques. Nous avons créé une continuité temporelle de ce système en participant à l'élaboration d'une méthode d'estimation du rayonnement solaire au sol (Heliosat III) bénéficiant des capacités améliorées de Meteosat Second Generation et en préparant les spécifications d'un nouveau système d'information contenant les résultats de cette nouvelle méthode. Ces travaux ont apporté une amélioration à la qualité et l'accessibilité de l'information du rayonnement solaire au sol en utilisant les outils d'estimation satellitale existants et les nouvelles technologies de l'information et de la communication. Ils ouvrent la voie à un accès à une information de qualité sur le rayonnement solaire pour l'ensemble de la surface terrestre.

This study had as objective to show the importance of the spectral characteristics obtained by the physical properties of clouds measured by the METEOSAT geostationary satellite that helps on the understanding and prediction of severe storms. The study area was Brazil s southeastern because this region is located in a transition range between the mid-latitude temperate climate and the low latitudes warm climate and, therefore, becomes an area that has influence of various meteorological phenomena. With the strong topography and the proximity to the Atlantic Ocean, is a severe storms, strong winds and continuous rainfall favorable zone. It were used MSg datanot only by the images been captured from 15 in 15 minutes, but also because the SEVIRI radiometer on board of the European satellite has 12 multispectral channels that generate twenty times more information than the previous generation radiometers of the same. Were generated qualitative information of the atmospheric events in RGB color compositions, spectral response analysis and differences in the water vapor multispectral channels. The obtained results indicated that the RGB color composition (WV6.2μm - WV7.3μm; IR3.9μm - IR10.8μm; NIR1.6μm - VIS0.6μm) characterizes in a satisfactory way the convection in thunderstorms, showing when the system is in dissipation, stabilization or increasing, but is indicated only for storms occurring during the day and when analyzed the 3 RGB compositions (standard for air mass and convection) generate more information than analyzing only 1 of them. For the first case study, the values of the channel difference of the water vapor that were indicated as critical values with a trend to storm formation were of 4 to 13 ºC and for the second study case were of 8 to 13 °C. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho teve por objetivo mostrar a importância que as características espectrais obtidas por meio das propriedades físicas das nuvens medidas pelos satélites geoestacionários METEOSAT que auxilia a previsão e compreensão de tempestades severas. A região de estudo foi o sudeste brasileiro por essa região encontrar-se em uma faixa de transição entre o clima temperado das latitudes médias e o clima quente das latitudes baixas e, por isso, se torna uma área que tem influência de vários fenômenos meteorológicos. Com a topografia acentuada e a proximidade com o Oceano Atlântico, é uma zona propicia a tempestades severas, vendavais e chuvas contínuas. Foram utilizados os dados do MSG não apenas pelas imagens serem captadas de 15 em 15 minutos, mas também, porque o radiômetro SEVIRI a bordo desse satélite europeu possui 12 canais multiespectrais que geram vinte vezes mais informações do que os radiômetros da geração anterior do mesmo. Foram geradas informações qualitativas dos eventos atmosféricos nas composições coloridas RGB, análise da resposta espectral e diferenças dos canais multiespectrais de vapor de água. Os resultados obtidos indicaram que a composição colorida RGB (WV6.2µm WV7.3µm; IR3.9µm IR10.8µm; NIR1.6µm VIS0.6µm) caracteriza de maneira satisfatória a convecção em tempestades, mostrando quando o sistema está-se dissipando, estabilizado ou intensificando, porém é indicada apenas para as tempestades que ocorrem durante o dia e quando analisada as 3 composições RGB (padrão, para massas de ar e convecção) geram mais informações do que analisando apenas 1 delas. Para o 1° estudo de caso os valores da diferença de canais do vapor de água que foram indicados como valores críticos propícios a formação de tempestades foram de 4 a 13°C e para o 2° estudo de caso foram de 8 a 13°C.

Thunderstorms, due to their high frequency of occurrence over southern Africa, and their major contribution to summer rainfall are the primary focus of very short range forecasting and nowcasting efforts in South Africa. With a limited number of surface and upper-air observations and the limited availability of numerical model output most southern African countries are heavily reliant on satellite technology. In developing tools for the first twelve forecast hours the South African Weather Service has to address both the national and regional needs. Thus, the blending of techniques in an optimal manner is essential. This study initially describes how the Global Instability Index product derived from the European Meteosat Second Generation Satellite was adapted for South African circumstances using a different numerical model to provide background information – creating the Regional Instability Indices (RII). The focus of the study is the development of a new convection indicator, called the Combined Instability Index (CII), which calculates the probability of convection from satellite derived instability indices and moisture, as well as height above sea level early in the morning when the sky is relatively cloud free. Early morning CII values were evaluated statistically against the occurrence of lightning over South Africa, where a lightning network is available, as well as against satellite derived precipitation over southern Africa, later in the same day. It is shown that the CII not only performs well, but also outperforms the individual RII when compared to the occurrence of lightning. The CII will be beneficial to operational forecasters to focus their attention on the area which is most favourable for the development of convection later in the day. / Environmental Sciences / Ph. D. (Environmental Sciences)

La température des surfaces continentales (LST) est une variable météorologiquetrès importante car elle permet l’accès aux bilans d’énergie et d’eau ducontinuum Biosphère-Atmosphère. Sa haute variabilité spatio-temporelle nécessite desmesures à haute résolution spatiale (HRS) et temporelle (HRT) pour suivre au mieuxles états hydriques du sol et des végétations.La télédétection infrarouge thermique (IRT) permet d’estimer la LST à différentesrésolutions spatio-temporelles. Toutefois, les mesures les plus fréquentes sont souventà basse résolution spatiale (BRS). Il faut donc développer des méthodes pour estimerla LST à HRS à partir des mesures IRT à BRS/HRT. Cette solution est connue sous lenom de désagrégation et fait l’objet de cette thèse.Ainsi, une nouvelle approche de désagrégation basée sur l’assimilation de données(AD) est proposée. Il s’agit de contraindre la dynamique des LSTs HRS/HRT simuléespar un modèle en minimisant l’écart entre les LST agrégées et les données IRT àBRS/HRT, sous l’hypothèse d’homogénéité de la LST par type d’occupation des sols àl’échelle du pixel BRS. La méthode d’AD choisie est un lisseur particulaire qui a étéimplémenté dans le modèle de surface SETHYS (Suivi de l’Etat Hydrique du Sol).L’approche a été évaluée dans une première étape sur des données synthétiques etvalidée ensuite sur des données réelles de télédétection sur une petite région au Sud-Est de la France. Des séries de températures Météosat à 5 km de résolution spatialeont été désagrégées à 90m et validées sur une journée à l’aide de données ASTER.Les résultats encourageants nous ont conduit à élargir la région d’étude et la périoded’assimilation à sept mois. La désagrégation des produits Météosat a été validée quantitativementà 1km à l’aide de données MODIS et qualitativement à 30m à l’aide dedonnées Landsat7. Les résultats montrent de bonnes performances avec des erreursinférieures à 2.5K sur les températures désagrégées à 1km. / Land surface temperature (LST) is one of the most important meteorologicalvariables giving access to water and energy budgets governing the Biosphere-Atmosphere continuum. To better monitor vegetation and energy states, we need hightemporal and spatial resolution measures of LST because its high variability in spaceand time.Despite the growing availability of Thermal Infra-Red (TIR) remote sensing LSTproducts, at different spatial and temporal resolutions, both high spatial resolution(HSR) and high temporal resolution (HTR) TIR data is still not possible because ofsatellite resolutions trade-off : the most frequent LST products being low spatial resolution(LSR) ones.It is therefore necessary to develop methods to estimate HSR/HTR LST from availableTIR LSR/HTR ones. This solution is known as "downscaling" and the presentthesis proposes a new approach for downscaling LST based on Data Assimilation (DA)methods. The basic idea is to constrain HSR/HTR LST dynamics, simulated by a dynamicalmodel, through the minimization of their respective aggregated LSTs discrepancytoward LSR observations, assuming that LST is homogeneous at the land cover typescale inside the LSR pixel.Our method uses a particle smoother DA method implemented in a land surfacemodel : SETHYS model (Suivie de l’Etat Hydrique de Sol). The proposed approach hasbeen firstly evaluated in a synthetic framework then validated using actual TIR LSTover a small area in South-East of France. Meteosat LST time series were downscaledfrom 5km to 90m and validated with ASTER HSR LST over one day. The encouragingresults conducted us to expand the study area and consider a larger assimilation periodof seven months. The downscaled Meteosat LSTs were quantitatively validated at1km of spatial resolution (SR) with MODIS data and qualitatively at 30m of SR withLandsat7 data. The results demonstrated good performances with downscaling errorsless than 2.5K at MODIS scale (1km of SR).

Un des objectifs majeurs des programmes de recherches actuels est de comprendre quel est l'impact des nuages et des aérosols au sein du bilan radiatif global. En effet, les nuages et les aérosols ont une influence significative sur la balance radiative terrestre, et induisent des réponses climatiques diverses qui ne sont pas encore pleinement connues. L'hétérogénéité spatiale des structures nuageuses et de leurs propriétés microphysiques, contribue de manière significative à la modulation du budget énergétique terrestre. Les flux radiatifs pris à la surface sont très sensibles à la structure éométrique de ces nuages, ainsi qu'à leur altitude. Un des premiers objectifs afin d'améliorer les modèles climatiques existant, est donc d'acquérir une meilleur connaissance sur la distribution tri- dimensionnelle des structures nuageuses. Les systèmes spatiaux comportant des instrumentations lidar nous apportent aujourd'hui de nouvelles informations sur la distribution verticale des aérosols. Notre second objectif est donc d'améliorer l'obtention des propriétés des aérosols au dessus des surfaces continentales, lieu ou l'obtention de résultat via les systèmes de détection passif sont connus pour être difficiles du fait de la contribution radiative de la surface. Afin de remplir le premier objectif, nous avons appliqué et adapté un algorithme nous permettant d'estimer la fonction de densité de probabilité du sommet des structures nuageuses, à partir des profils lidar fournis par la mission satellite GLAS (Geoscience Laser Altimeter System, NASA) et la mission LITE (In-space Technology Experiment, NASA, 1994). La méthodologie utilisée est dans un premier temps expliquée. Les résultats obtenus grâce à l'utilisation des données GLAS et LITE sont présentés et discutés. La validation de cette méthode du point de vue de ses performances est ensuite effectuée grâce à une étude de sensibilité. La synergie entre les mesures des instruments passifs et actifs peut amener à des améliorations significatives de l'inversion lidar. Dans le but de remplir notre second objectif, nous présentons alors dans la suite de ce travail le potentiel apporté par l'utilisation du couplage entre un lidar spatial (LITE en l'occurrence) et un satellite géostationnaire (Meteosat-5) afin de retrouver les propriétés optiques de l'aérosol au dessus des océans et des continents, dans le cas particulier des poussières désertiques Africaines. Pour ce faire, un algorithme a été implémenté. Les résultats fournis par cette méthode sont présentés. Les erreurs faites sur l'estimation de l'impact radiatif de l'aérosol sont estimées pour cette synergie, mais aussi dans le cas des autres synergies possibles pouvant allier les instruments de télédétection actifs et passifs, embarqués à bord des satellites actuellement en orbite.

Thunderstorms, due to their high frequency of occurrence over southern Africa, and their major contribution to summer rainfall are the primary focus of very short range forecasting and nowcasting efforts in South Africa. With a limited number of surface and upper-air observations and the limited availability of numerical model output most southern African countries are heavily reliant on satellite technology. In developing tools for the first twelve forecast hours the South African Weather Service has to address both the national and regional needs. Thus, the blending of techniques in an optimal manner is essential. This study initially describes how the Global Instability Index product derived from the European Meteosat Second Generation Satellite was adapted for South African circumstances using a different numerical model to provide background information – creating the Regional Instability Indices (RII). The focus of the study is the development of a new convection indicator, called the Combined Instability Index (CII), which calculates the probability of convection from satellite derived instability indices and moisture, as well as height above sea level early in the morning when the sky is relatively cloud free. Early morning CII values were evaluated statistically against the occurrence of lightning over South Africa, where a lightning network is available, as well as against satellite derived precipitation over southern Africa, later in the same day. It is shown that the CII not only performs well, but also outperforms the individual RII when compared to the occurrence of lightning. The CII will be beneficial to operational forecasters to focus their attention on the area which is most favourable for the development of convection later in the day. / Environmental Sciences / Ph. D. (Environmental Sciences)