Thèse h/f: imagerie 2d des cristaux de nuage 3d: analyse de l’impact de l’orientation du cristal lors de la prise d’image pour la restitution des propriétés microphysiques et morphologiques

Contexte:
Les cristaux de glace présents dans les nuages jouent un rôle central dans le système climatique, notamment par leur influence sur la formation des précipitations et sur le bilan radiatif de l’atmosphère. Une caractérisation précise de leurs propriétés physiques (taille, forme, masse, phase, concentration, etc.) est indispensable pour améliorer leur représentation dans les modèles numériques, qu’il s’agisse de prévisions météorologiques, de simulations climatiques ou de modélisation du givrage aéronautique. Par ailleurs, une meilleure connaissance de ces propriétés permet d'affiner l’interprétation des données issues de la télédétection active et passive.

Sujet de la thèse:
Cette thèse vise à analyser de manière quantitative les propriétés microphysiques et morphologiques des cristaux de glace présents dans les nuages atmosphériques. Depuis plusieurs décennies, la communauté scientifique utilise avec succès des imageurs d’hydrométéores OAP (sondes à barrettes de photodiodes)-capables de produire entre 1 000 et 10 000 images par seconde selon le principe d’ombroscopie. Les imageurs OAP sont particulièrement utilisés lors de campagnes de mesures aéroportées.
Ces imageurs, qui diffèrent selon leur résolution et leur gamme de taille mesurée, permettent d’extraire à partir des images 2D des informations précieuses : dimensions, masse, densité, phase, et plus récemment, classification morphologique par réseaux de neurones convolutifs (développement en cours au sein du laboratoire).
Or, ces propriétés déduites d’images 2D sont affectées par la projection arbitraire d’un cristal 3D sur un plan, en fonction de son orientation. Cette réduction d’information peut introduire des biais significatifs, encore peu étudiés à ce jour.
L’objectif principal de cette thèse est de quantifier l’impact de l’orientation des cristaux de glace sur la restitution de leurs propriétés microphysiques et morphologiques à partir d’images 2D. Ce travail méthodologique constitue une première dans la communauté scientifique.

Approche et méthodologie:
Un modèle 3D de simulation réaliste de formes d’hydrométéores, représentatives de ceux observés dans les nuages, a récemment été développé au laboratoire. Ce modèle permet de générer des cristaux de différentes morphologies (monomères et agrégats), issus des principaux modes de croissance : par déposition de vapeur, par givrage, ou par agrégation.
Une amélioration de la génération des cristaux par le modèle, s’appuiera notamment sur des jeux d’images réelles obtenues :
• à partir de l’instrument MASC (Multi-Angle Snowflake Camera), qui fournit trois vues simultanées d’un même cristal ;
• à partir des deux systèmes stéréo de l’imageur 2DS (2D Stereo Probe, qui fournit deux vues orthogonales d’un même cristal.
Ces données permettront de confronter les propriétés extraites des images 2D à la "vérité terrain" connue des structures 3D simulées. L’impact de l’orientation sera analysé sur divers paramètres :
• spectres dimensionels (nombre, masse, densité effective)
• propriétés géométriques 2D (surface, périmètre, rapport d’aspect, rugosité)
• classification morphologique.

Perspectives:
Les connaissances acquises lors de cette thèse seront appliquées à des jeux de données réels issus de contextes variés :
• nuages arctiques,
• convection profonde,
• études industrielles sur les hydrométéores (aéronautique, givrage).
Ce travail vise à fournir des outils et des références solides pour corriger ou interpréter plus finement les données issues de l’imagerie 2D, en particulier dans les conditions environnementales contrastées de formation de nuages atmosphériques.


Contexte de travail

Le doctorant travaillera au LaMP à Clermont-Ferrand (France). Le LaMP (≈ 35 scientifiques et ingénieurs, 10-15 doctorants) est un laboratoire reconnu en France et dans le monde pour ses compétences d'observation et de modélisation de la microphysique des nuages. Cette thèse de 3 ans demande de travailler en collaboration avec des scientifiques du groupe de travail MNP (Microphysique des Nuages et Précipitations).