Les radars à nuages sont des atouts indéniables pour la Prévision Numérique du Temps (PNT). De par leur petite longueur d’onde, ils possèdent une excellente sensibilité aux particules nuageuses et ils sont facilement déployables à bord de plates-formes mobiles. Cette thèse a permis d’évaluer l’apport des observations de radars à nuages pour la validation et l’initialisation de modèles de PNT à échelle kilométrique. Dans la première partie, un opérateur d’observation pour la réflectivité en bande W a été conçu en cohérence avec le schéma microphysique à un moment d'Arome, le modèle de PNT à échelle kilométrique de Météo-France, mais de façon suffisamment générale pour pouvoir être adapté à un autre modèle de PNT à échelle kilométrique. Il est adaptable pour des radars à visée verticale aéroportés ou au sol. Afin de dissocier les erreurs de positionnement des nuages prévus par Arome, de celles présentes dans l’opérateur d’observation, une nouvelle méthode de validation, appelée "la méthode de la colonne la plus ressemblante (CPR), a été élaborée. Cette méthode a été employée afin de valider et de calibrer l'opérateur d'observation en utilisant les profils de réflectivité collectés par le radar à nuages aéroporté Rasta dans des conditions variées durant la première période d’observations (SOP1) du programme international HyMeX, qui vise à améliorer notre compréhension du cycle de l'eau en méditerranée. La seconde partie s'est intéressée à l'apport respectif de l'assimilation de profils verticaux de réflectivité et de vents horizontaux mesurés par le radar à nuages Rasta dans le système d'assimilation variationnel tridimensionnel (3DVar) d'Arome. Le bénéfice apporté par des conditions thermodynamiques, via l'assimilation de la réflectivité en bande W, et dynamiques, via l'assimilation des profils de vents horizontaux, cohérentes dans l'état initial a également été étudié. Pour assimiler la réflectivité en bande W, la méthode d'assimilation "1D+3DVar", qui est opérationnelle dans Arome pour assimiler les réflectivités des radars de précipitation au sol, a été employée. La méthode de restitution bayésienne 1D de profils d'humidité a été validée avec des mesures d'humidité in situ indépendantes. Puis, les expériences d'assimilation ont été menées sur un événement fortement convectif, ainsi que sur une plus longue période de 45 jours. Les résultats suggèrent notamment que l'assimilation conjointe des profils de réflectivité en bande W et des profils verticaux de vents horizontaux permet d'améliorer les analyses d'humidité, mais suggèrent également une légère amélioration des prévisions des cumuls de précipitation

Les radars à nuages sont des atouts indéniables pour la Prévision Numérique du Temps (PNT). De par leur petite longueur d’onde, ils possèdent une excellente sensibilité aux particules nuageuses et ils sont facilement déployables à bord de plates-formes mobiles. Cette thèse a permis d’évaluer l’apport des observations de radars à nuages pour la validation et l’initialisation de modèles de PNT à échelle kilométrique. Dans la première partie, un opérateur d’observation pour la réflectivité en bande W a été conçu en cohérence avec le schéma microphysique à un moment d'Arome, le modèle de PNT à échelle kilométrique de Météo-France, mais de façon suffisamment générale pour pouvoir être adapté à un autre modèle de PNT à échelle kilométrique. Il est adaptable pour des radars à visée verticale aéroportés ou au sol. Afin de dissocier les erreurs de positionnement des nuages prévus par Arome, de celles présentes dans l’opérateur d’observation, une nouvelle méthode de validation, appelée "la méthode de la colonne la plus ressemblante (CPR), a été élaborée. Cette méthode a été employée afin de valider et de calibrer l'opérateur d'observation en utilisant les profils de réflectivité collectés par le radar à nuages aéroporté Rasta dans des conditions variées durant la première période d’observations (SOP1) du programme international HyMeX, qui vise à améliorer notre compréhension du cycle de l'eau en méditerranée. La seconde partie s'est intéressée à l'apport respectif de l'assimilation de profils verticaux de réflectivité et de vents horizontaux mesurés par le radar à nuages Rasta dans le système d'assimilation variationnel tridimensionnel (3DVar) d'Arome. Le bénéfice apporté par des conditions thermodynamiques, via l'assimilation de la réflectivité en bande W, et dynamiques, via l'assimilation des profils de vents horizontaux, cohérentes dans l'état initial a également été étudié. Pour assimiler la réflectivité en bande W, la méthode d'assimilation "1D+3DVar", qui est opérationnelle dans Arome pour assimiler les réflectivités des radars de précipitation au sol, a été employée. La méthode de restitution bayésienne 1D de profils d'humidité a été validée avec des mesures d'humidité in situ indépendantes. Puis, les expériences d'assimilation ont été menées sur un événement fortement convectif, ainsi que sur une plus longue période de 45 jours. Les résultats suggèrent notamment que l'assimilation conjointe des profils de réflectivité en bande W et des profils verticaux de vents horizontaux permet d'améliorer les analyses d'humidité, mais suggèrent également une légère amélioration des prévisions des cumuls de précipitation / Cloud radars are an undeniable assets for Numerical Weather Prediction (NWP) models. Because of their very short wavelength, they are extremely sensitive to cloud microphysical properties and are easily deployable aboard moving platforms such as aircraft or spacecraft. This PhD has explored the potential of cloud radar data for the validation and initialisation of kilometre-scale NWP models. In the first part of the PhD, a W-band reflectivity forward operator was designed. It is consistent with the one-moment microphysical scheme used in the Météo-France kilometre-scale NWP model AROME, but in a sufficiently general way that it could be adapted to other kilometrescale NWP models. It was designed in particular for airborne or ground-based vertically pointing cloud radars. To disentangle spatial location errors in the model from errors in the forward operator, a neighbourhood validation method, called the “Most Resembling Method” (MRC), was designed. This validation method was used to validate and calibrate the forward operator using the data collected by the airborne cloud radar RASTA in diverse conditions during the first Special Observation Period (SOP1) of the HyMeX international program, which aims to improve our understanding of the Mediterranean water cycle. The second part focused on the respective roles of the assimilation of reflectivity and horizontal wind profiles, measured by the cloud radar RASTA, in the three dimensional variational (3DVar) assimilation system of AROME. The benefit brought by consistent thermodynamic conditions in the initial state, through the assimilation of the W-band reflectivity, and dynamic ones, through the assimilation of horizontal wind profiles, was also investigated.To assimilate the W-band reflectivity, the two-step assimilation method “1D+3DVar”, operationally employed in AROME to assimilate ground-based precipitation radar data, was used. The efficiency of the 1D Bayesian method in retrieving humidity fields is assessed using independent in-flight humidity measurements. The assimilation experiments were performed for a heavy convective event, as well as over a longer period of 45 days. In particular, the results indicate that the joint assimilation of W-band reflectivity and horizontal wind profiles suggest an improvement of moisture analyses, along with a slight improvement of the rainfall precipitation forecasts.

Cette thèse a permis d'explorer l'apport des variables polarimétriques radar (aux longueurs d'onde centimétriques), sensibles aux propriétés microphysiques des hydrométéores, pour les modèles de prévision numérique à échelle convective. Dans la première partie de la thèse, un opérateur d'observation radar polarimétrique, cohérent avec les paramétrisations microphysiques à 1 moment couramment utilisées par les modèles opérationnels à échelle convective a été développé. Des comparaisons entre données simulées et observées pour tous les types de radar (S, C et X) ont été réalisées pour deux cas d'étude convectifs, et ont permis de valider l'opérateur d'observation. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à la conception et au test d'une méthode d'assimilation des variables polarimétriques, s'appuyant sur la méthode opérationnelle 1D+3D-Var, d'assimilation des réflectivités radar dans le modèle AROME. La méthode de restitution bayésienne 1D des profils d'humidité a été adaptée, afin d'inclure la phase différentielle spécifique et la réflectivité différentielle, en plus de la réflectivité, dans le vecteur d'observation. Plusieurs options de la méthode de restitution ont été testées et évaluées par des comparaisons aux observations radar et GPS. Des expériences d'assimilation menées sur deux cas convectifs ont ensuite été réalisées et ont permis d'évaluer l'impact des observations polarimétriques sur les champs analysés d'humidité ainsi que sur les prévisions de réflectivité et de cumuls de précipitation. / This PhD has explored the benefits of polarimetric variables (for centimeter wavelength radars), which are sensitive to the microphysical properties of hydrometeors, for convective scale numerical prediction models. In the first part of the PhD, a radar forward operator, consistent with the bulk 1 moment microphysical schemes typically used by the operational convective scale models, has been designed. Comparisons between observed and simulated variables for all radar types (S, C, X) have been performed for two convective cases, and helped validate the forward operator. Following these comparisons, quality controls have been specified so as to limitate the errors on the polarimetric variables before using them for assimilation. In the second part of the PhD, an assimilation method for polarimetric variables, based on the operational 1D+3D-Var assimilation method used for radar reflectivities in AROME model has been designed. The Bayesian retrieval of 1D humidity profiles has been adapted in order to include differential reflectivity and specific differential phase within the observation vector. Different options of the methodology have been tested and evaluated by comparisons with radar and GPS observations. Assimilation experiments conducted for two convective cases demonstrated an impact on analysed humidity fields. The effect of the assimilation of polarimetric variables on forecasted reflectivities and precipitation accumulations was also evaluated.

Cette thèse s’inscrit dans la problématique de l’utilisation des observations satellitaires pour l’assimilation en prévision numérique du temps dans les régions nuageuses pluvieuses. Les travaux sont abordés en lien avec l’amélioration de la prévision des cyclones tropicaux et s’appuient sur la mission satellitaire innovante MEGHATROPIQUES couvrant les zones tropicales avec une répétitivité temporelle inégalée et en particulier sur le sondeur micro-ondes d’humidité SAPHIR à 183 GHz. Nous avons utilisé le modèle de prévision numérique du temps ALADIN-Réunion opérationnel à Météo-France depuis 2006 dont le domaine couvre une large partie de l’océan Indien avec une résolution horizontale de 8 km, ainsi que le modèle de transfert radiatif RTTOV-SCATT qui offre un bon compromis entre sa précision pour décrire les atmosphères diffusantes et sa rapidité d’exécution. Dans un premier temps nous avons optimisé le choix des propriétés radiatives des précipitations solides afin de simuler au mieux les températures de brillance SAPHIR avec les modèles ALADIN-Réunion et RTTOV-SCATT. Nous avons ensuite proposé une méthode d’inversion des températures de brillance SAPHIR en zones nuageuses basée sur une méthode bayésienne permettant de restituer des profils atmosphériques corrigés. Ces profils inversés ont été validés pour une situation particulière associée au cyclone Benilde (Décembre 2011). Les profils d’humidité spécifique ont alors été introduits comme de nouvelles observations dans l’assimilation variationnelle tridimensionnelle (3D-Var) du modèle ALADIN-Réunion. La capacité du système 3D-Var à contraindre le champ d’humidité analysé vers les profils inversés est démontrée, ainsi que l’amélioration des prévisions de précipitations à courte échéance. Toutefois, la prévision du cyclone Benilde est de moins bonne qualité avec ces observations additionnelles. Plusieurs pistes sont proposées pour expliquer et améliorer ces premiers résultats. Finalement, une étude a été réalisée pour préparer les évolutions des modèles de prévision numérique. Nous avons examiné la capacité d’une version d’ALADIN-Réunion avec un schéma de convection profonde pronostique à simuler le cycle de vie du cyclone Bejisa (Décembre 2013 - Janvier 2014). Des améliorations significatives sont notées à la fois sur la trajectoire et l’intensification de ce système tropical. De manière cohérente, la simulation des températures de brillance SAPHIR en zones nuageuses est en meilleur accord avec les observations. Un modèle à plus fine échelle (AROME) résolvant explicitement la convection profonde (résolution horizontale de 2.5 km) est appelé à remplacer le modèle ALADIN-Réunion. Sa capacité à décrire le système Bejisa est démontrée. Toutefois il apparaît que le choix optimal pour le type de particule décrivant les précipitations solides fait pour ALADIN-Réunion n’est pas adapté à la simulation des températures de brillance SAPHIR avec AROME et RTTOV-SCATT. Les causes de cette incohérence sont expliquées. / This thesis is focused on the use of satellite observations within cloudy and rainy areas for assimilation in numerical weather prediction models. The activities have been undertaken in the context of tropical cyclone forecasting. They have taken advantage of the recent satellite mission MEGHA-TROPIQUES covering tropical regions with an unprecedented temporal revisit with a focus on the humidity sounder SAPHIR at 183 GHz. We have used the numerical weather prediction model ALADIN-Réunion that is operational at Météo-France since 2006 and covers a large fraction of the Indian ocean with a 8 km horizontal resolution. The radiative transfer model RTTOV-SCATT has also been considered, since it provides a good compromise between its accuracy to simulate scattering atmospheres and its computational cost. In a first step, the choice of the radiative properties for solid precipitating particles has been optimized in order to improve the simulation of SAPHIR brightness temperatures with ALADIN-Réunion and RTTOV-SCATT models. Then, an inversion method of cloudy SAPHIR brightness temperatures based on the bayesian technique has been chosen in order to retrieve improved atmospheric profiles. The retrieved profiles have been validated for a case study corresponding to the tropical cyclone Benilde (December 2011). Profiles of specific humidity have been introduced as new observations in the tridimensional variational assimilation (3D-Var) system of the ALADIN-Réunion model. The capacity of the 3D-Var system to constrain the humidity analysis towards the retrieved profiles is demonstrated, together with improved short-range precipitation forecasts. On the other hand, the prediction of the tropical cyclone Benilde is degraded with these additional observations. A number of reasons are provided to explain and improve these first results. Finally, a study has been done to prepare future evolutions of numerical weather prediction models. We have examined the skill of a version of the ALADIN-Réunion model with a prognostic deep moist convection scheme to simulate the life cycle of tropical cyclone Bejisa (December 2013 - January 2014). Significant improvements have been noticed on the trajectory and on the intensification of this tropical system. Consistently, the simulation of SAPHIR brightness temperatures is in better agreement with observations. A fine scale model (AROME) describing explicitly deep moist convection is planned to replace the ALADIN-Réunion model. Its ability to describe the cyclone Bejisa is demonstrated. However, it appears that the optimal choice of the solid particle made for ALADIN-Réunion is not suited for the simulation of SAPHIR brightness temperatures with AROME and RTTOV-SCATT. Explanations are given of such inconsistency.