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 quantité 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 caractérise 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 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 associé au taux de croissance des systèmes convectifs.
Le deuxième chapitre introduit CONDOR (Continuous cONvective Depth and Organization Reconstruction), 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 multispectrales, et ses sorties sont généralisées dans l'espace et dans le temps à la résolution du 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 de CONDOR 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 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. |
Deep convection plays a central role in the water and energy cycles. As the driver of the main vertical motions, it transports energy, water vapour and momentum throughout the troposphere. In the tropics, it is mainly structured into mesoscale convective systems, whose life cycle is continuously tracked by geostationary infrared imagers (GEO), which retrieve cloud-top properties at high spatial and temporal resolution. The cloud shield (or anvil) of these systems undergoes a growth phase followed by a dissipation phase. Beneath this shield, convective cores develop: spatially continuous regions of aggregated convective columns, of variable size, intensity and height. These cores concentrate intense precipitation and the vertical transport of moist air and hydrometeors, and they feed the cloud shield.
This thesis characterizes convective cores based on satellite data, in relation to the morphological properties of the convective systems with which they are associated. GEO imagers observe cloud shields continuously, but provide only partial information on the underlying convection. The low earth orbiting (LEO) spaceborne radars TRMM-PR and GPM-DPR resolve its vertical structure, but only intermittently and over a spatial extent limited by their observing geometry. Two methodological developments, based on the fusion of GEO infrared and LEO radar measurements, are proposed to build an observational constraint linking the scale of convective cores (≃10 km, 15–45 min) to that of cloud shields (≃100 km, several hours).
The first chapter characterizes the spatial arrangement of convective cores through a decomposition into elementary structures. A set of four parameters makes it possible to describe, compare and classify scenes of convective organization. The resulting classes are physically consistent and interpretable. The degree of organization is associated with the growth rate of convective systems.
The second chapter introduces CONDOR (Continuous cONvective Depth and Organization Reconstruction), a conditional generative adversarial network (CGAN) trained on GPM-DPR data. Its composite multi-scale loss function enables an accurate reconstruction of the fine-scale structure of the radar data. CONDOR reconstructs the height of convective cores from multispectral GEO image sequences, and its outputs are generalized in space and time to produce fields at the spatial and temporal resolution of the GEO imagery. The spatial distribution and the height of convective cores are thus described continuously over large geographical domains, which makes it possible to track convective cores throughout the life cycle of individual convective systems.
The third chapter uses this continuous reconstruction to characterize the temporal evolution of convective organization. Applying the method of the first chapter to the CONDOR outputs reveals robust organization trajectories. These trajectories show transitions in convective organization during the life cycle and confirm the results of the first chapter.
The fourth chapter builds a conceptual model of the deep convective core. Individualized Lagrangian tracking defines a life cycle for each identified convective core. This gives access to the size and duration distributions of convective cores and to some of their dynamical properties.
This work provides novel contributions to the study of deep convective cores from space, and is a step towards a renewed understanding of the mechanisms linking the scale of convective cores to that of mesoscale convective systems. |