Observation

Variabilités de la vapeurd’eau et de la températuretroposphérique au Dôme C(station Concordia),AntarctiquePartie I : l’instrument HamstradPhilippe RicaudGAME/CNRMMétéo-France, UMR 3589, CNRS/Toulouse42, avenue Coriolis, 31057 Toulouse Cedex 1philippe.ricaud@meteo.fr

RésuméLe programme H2OAntarctica Micro-wave Stratospheric and TroposphericRadiometers (Hamstrad) a pour but ledéveloppement d’un radiomètremicro-onde pour sonder la vapeur d’eau(H2O) et la température troposphé-rique au-dessus du Dôme C, stationConcordia, Antarctique (75°06’S,123°21’E, 3233 m au-dessus du niveaumoyen de la mer), l’un des sites les plusfroids et les plus secs de la planète. Leprojet vise à étudier sur une périodesupérieure à dix ans l’influence duchangement climatique sur le bilan dela vapeur d’eau atmosphérique, gaz àeffet de serremajeurmodifiant directe-ment et indirectement (au travers desnuages) le bilan radiatif terrestre.Mesurant à 60 GHz (raie de la molé-cule de dioxygène (O2) pour en déduirela température) et à 183 GHz (raie devapeur d’eau), ce radiomètre unique età l’état de l’art a pu être installé sur lesite une première fois en janvier 2009(12 jours) et définitivement en janvier2010 après une phase de validation aupic duMidi, en France, de février à juin2008. Les mesures du radiomètreHamstrad permettent de remonter auxprofils verticaux deH2O et de la tempé-rature, du sol à 10 km d’altitude avecune résolution temporelle de 7 minuteset des résolutions verticales de 30 à50 m dans la couche limite atmosphé-rique, 100 m dans la troposphère libreet 500 m dans la haute troposphère-basse stratosphère. Comme l’instru-ment échantillonne le cycle diurne avecune bonne résolution, il permet entreautre la validation des produits spa-tiaux et des analyses météorologiques.Des comparaisons systématiques ontété entreprises au Dôme C avec desmesures in situ, des radiosondes, desinstruments spatiaux comme l’instru-ment Infrared Atmospheric SounderInterferometer (Iasi) à bord de la plate-forme MetOp-A et l’instrumentAtmospheric InfraRed Sounder(AIRS) sur la plate-forme Aqua et lesanalyses du Centre européen pour lesprévisions météorologiques à moyenterme (CEPMMT). Les mesures detempérature et d’humidité absolue deHamstrad sont d’une très grande qua-lité dans la couche limite atmosphé-rique, se dégradent dans la troposphèrelibre et perdent en sensibilité dans lahaute troposphère-basse stratosphère.

Les régions polaireset le changementclimatiqueL’évolution des régions polaires est unequestion scientifique majeure dans lecontexte du changement climatique glo-bal. Les conditions extrêmes rencon-trées aux hautes latitudes rendentces zones encore plus sensibles auréchauffement global, et les réponses dusystème Terre aux variations de tempé-rature y sont plus rapides qu’auxmoyennes latitudes. Le réchauffementde la troposphère antarctique en hiverest plus important que n’importe où surTerre avec un taux de 0,5 à 0,7 °C pardécennie mesuré sur les trente dernièresannées (Turner et al., 2006). Les surfa-ces des pôles diffèrent par leur géogra-phie et leur composition. Tandis que lepôle Nord est composé essentiellementde glace de mer, un continent solideréside sous la glace de l’Antarctique. EnAntarctique, le vortex polaire est plusintense et dure plus longtemps, et latempérature y est plus basse qu’enArctique. Le rôle de la glace antarctiqueest essentiel, car elle est un des acteursde la régulation de la températureatmosphérique proche de la surface.Durant l’hiver austral, il n’y a plus derayonnement solaire et la surface serefroidit via l’émission de rayonnementinfrarouge vers l’atmosphère très froideet très sèche. Durant l’été austral,l’absorption du rayonnement solaire àcourte longueur d’onde introduit uncycle diurne et réchauffe la surface bienque le réchauffement soit limité par unalbédo très élevé (Argentini et al.,2005).

La vapeur d’eau (H2O) est le principalgaz à effet de serre émettant et absor-bant le rayonnement infrarouge. Leschangements dans son abondanceinfluencent directement (et indirecte-ment via les nuages) le bilan radiatifterrestre et, par conséquent, affectentl’évolution du climat (Brasseur et al.,1999). Le plateau antarctique (d'unealtitude moyenne de 2500 m au-dessusdu niveau de la mer) est un des lieux lesplus froids et les plus secs de la planète,jusqu’à –80 °C et moins de 0,5 mm dequantité intégrée de vapeur d’eau enhiver au Dôme C (Tomasi et al., 2012).Pour ces raisons, de nombreuses étudesse focalisent sur l’évolution du climat(par exemple, Hines et al., 2004), lesprocessus au sein de la couche limiteatmosphérique (par exemple, Town etWalden, 2009 ; Aristidi et al., 2005 ;Anderson et Neff, 2008), les espècesréactives interagissant avec la neige (parexemple, Davis et al., 2001 ; Jones etal., 2001) et la qualité des sites pourl’astronomie et son influence sur latransmittance atmosphérique (parexemple, Aristidi et al., 2003 ; Tomasiet al., 2006 ; Tremblin et al., 2011).

La station du Dôme C (Concordia) enAntarctique (75°06’S, 123°21’E,3233 m au-dessus du niveau moyen dela mer) est opérée conjointement parl’Institut polaire français Paul-ÉmileVictor (Ipev) et l’institut italienProgramma Nazionale Ricerche inAntartide (PNRA). Si l’on considèretous les processus qui jouent un rôle clédans l’évolution de la température et dela vapeur d’eau selon la saison, la sta-tion du Dôme C est extrêmement inté-ressante pour l’étude des variationsdiurnes et de la couche limite…

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Figure 1. Spectre théorique calculé pour un rayonnement atmosphérique atteignant l’altitude de6000 m (trait tireté), 3000 m (trait pointillé) et le niveau de la mer (trait plein) sur un domaine de fré-quence de 0 à 220 GHz. Le domaine spectral couvert par le radiomètre Hamstrad est représenté enbleu : 51-59 GHz (raie de dioxygène) et 169-197 GHz (raie de vapeur d’eau) (tiré de Ricaud et al.,2010a).

atmosphérique selon les saisons (Ricaudet al., 2012) et pour l’étude des tendan-ces à long terme de la vapeur d’eau et dela température induite par l’évolution duclimat, et réciproquement. En effet, lesite est situé sur le plateau antarctiqueavec 24 heures de jour en été et 24 heu-res de nuit en hiver, une températureclimatologique de surface compriseentre –40 et –20 °C en été et entre –80 et–60 °C en hiver (Tomasi et al., 2006).Situé au sommet d’un dôme, on ne ren-contre pas de vent catabatique commec’est le cas à la station costale deDumont d’Urville (66°S, 140°E, 0 mau-dessus du niveau de la mer) puisquele vent moyen dépasse rarement les5 m s–1 tout au long de l’année. Quelleque soit la saison considérée, lorsque latempérature chute, l’eau précipite sousforme de légers cristaux de glace ensuspension dans l’air. Les nuages sontégalement peu fréquents au-dessus de lastation, hormis les cirrus.

Le programmeHamstradC’est un défi important que de détecterles raies d'absorption de la vapeur d’eauavec des radiomètres micro-ondesinstallés dans des sites très froids et trèssecs tels que ceux rencontrés à hauteélévation et/ou haute latitude. La grandemajorité des radiomètres micro-ondesinstallés au sol et dédiés à la vapeurd’eau utilisent la transition spectro-scopique (616-523) à 22,235 GHz (parexemple, Westwater et al., 2004 ; Motteet al., 2008) qui a le principal avantaged’être détectable dans la majorité dessites à travers le monde, mais le princi-pal inconvénient d’être peu intensepour être mesurée dans des conditionstrès froides et très sèches. La raie detransition spectroscopique (313-220) à183,310 GHz n’est pratiquement pas

utilisée : elle a peu ou pas de sensibilitéà la vapeur d’eau troposphérique endehors des régions élevées et/ou de hau-tes latitudes, car la raie sature pour defaibles quantités intégrées de vapeurd’eau telles que celles rencontrées auxlatitudes moyennes, typiquement supé-rieures à 10 mm. Elle reste cependant lemeilleur candidat pour mesurer H2O enAntarctique.

Initialement, le programme H2OAntarctica Microwave Stratosphe-ric and Tropospheric Radiometers(Hamstrad) avait pour but le développe-ment de deux radiomètres micro-ondespour sonder la vapeur d’eau tropo-sphérique et stratosphérique au-dessusdu Dôme C sur une longue période, del’ordre ou supérieure à dix ans. Un seulinstrument dédié à la vapeur d’eautroposphérique et opérant à 60 GHz (raiede la molécule de dioxygène (O2) pouren déduire la température) et à 183 GHz(raie de vapeur d’eau) a pu être déve-loppé in fine et être installé sur le site.La latitude du Dôme C permet de parti-ciper à la validation d’instruments spa-tiaux comme par exemple l’instrumentInfrared Atmospheric Sounder Inter-ferometer (Iasi) à bord des plate-formes MetOp-A et B ou bien l’instru-ment Atmospheric InfraRed Sounder(AIRS) sur la plate-forme Aqua. Enfin,les analyses du Centre européen pour lesprévisions météorologiques à moyenterme (CEPMMT) peuvent aussi êtrevalidées.

Le programme Hamstrad est présentésous la forme de deux articles. Le pre-mier (objet du présent article) traite del’instrument en lui-même et de la vali-dation des mesures de profils verticauxtroposphériques de H2O et de tempéra-ture ainsi que de quantités intégrées devapeur d’eau. Le second (Ricaud, 2014)présentera les résultats scientifiquesassociés.

…/…AbstractVariabilities of tropospheric watervapour and temperature at Dome C(Concordia station), Antarctica.Part I: The Hamstrad instrument

The H2O Antarctica MicrowaveStratospheric and TroposphericRadiometers (Hamstrad) programaims to develop a ground-based micro-wave radiometer to measure tropo-spheric water vapor and temperaturevertical profiles above the Dome C sta-tion, Concordia, Antarctica (75°06’S,123°21’E, 3233 m above mean sealevel, amsl), one of the coldest anddriest sites on the Earth. The projectintends to study over a time framegreater than ten years the impact ofclimate change on the budget ofatmospheric water vapor (H2O), amajor greenhouse gas affectingdirectly and indirectly (throughclouds) the Earth radiative balance.Operating at 60 GHz (dioxygen line todeduce temperature) and at 183 GHz(H2O line), the state-of-the-art radio-meter has been installed on site inJanuary 2009 (for 12 days) and is defi-nitively operating since January 2010after a validation phase at the Pic duMidi station (France) from Februaryto June 2008. Hamstrad measure-ments can provide vertical profiles ofH2O and temperature from the groundto 10 km above the surface with a timeresolution of 7 minutes and a verticalresolution of 30-50 m in the planetaryboundary layer, 100 m in the free tro-posphere and 500 m in the upper tro-posphere-lower stratosphere. Since theinstrument is sampling the diurnalcycle with a good resolution, it can helpto validate measurements from space-borne instruments and meteorologicalanalyses. Systematic comparisons havebeen performed above Dome C withmeasurements from in situ sensors,radiosondes, spaceborne instrumentssuch as the Infrared AtmosphericSounder Interferometer (IASI)onboard the MetOp-A platform andthe Atmospheric InfraRed Sounder(AIRS) onboard the Aqua plateformtogether with the analyses from theEuropean Centre for Medium-range Weather Forecast (ECMWF).Temperature and absolute humiditymeasurements fromHamstrad are of agreat quality in the planetary boun-dary layer, degrading in the free tropo-sphere to lose sensitivity in the uppertroposphere-lower stratosphere.

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Optimisation de la mesure des profils verticaux de températureet de vapeur d’eau par Hamstrad

La mesure des profils verticaux de température à partir de la raie de dioxygène a été optimisée depuis une dizaine d’années (voirpar exemple Crewell et Löhnert, 2007) en sélectionnant sept canaux dont les fréquences centrales et les largeurs de bande sontprésentées au tableau 1. Pour la raie de H2O à 183 GHz, six canaux ont été sélectionnés de part et d’autre de la transition(tableau 2).

Tableau 1. Fréquences centrales (fc) et largeurs de bandes (∆f) des canaux du radiomètre Hamstrad optimisés pour la mesure de latempérature via la raie de dioxygène (tiré de Ricaud et al., 2010a).

Tableau 2. Fréquences centrales (fc), fréquence intermédiaires (fFI) et largeurs de bandes (∆f) des canaux du radiomètre Hamstradoptimisés pour la mesure de la raie de vapeur d’eau (tiré de Ricaud et al., 2010a).

Le radiomètre Hamstrad balaie l’atmosphère terrestre à six élévations de 5,4° jusqu’au zénith (90°) avec une haute résolution angu-laire à faible élévation : 10,2°, 19,2°, 30,0° et 42,0°. Les mesures de profils verticaux de température s’effectuent sur deux modes :le mode « troposphère », où seuls les canaux de dioxygène dans la direction zénithale sont utilisés pour l’inversion, et le mode« couche limite », où seuls les canaux de 54,9 à 58 GHz sont utilisés sur toutes les élévations de 5,4° jusqu’au zénith pour l’inver-sion. Un profil vertical composite de température peut ainsi être construit en combinant les deux modes. Les mesures de H2Os’effectuent sur tous les canaux à toutes les élévations. À l’intérieur du radiomètre, la température physique est stabilisée à±30 × 10–3 °C sur un domaine de températures extérieures allant de –30 °C à +40 °C pour garantir une haute stabilité du gain(permettant d’étalonner les spectres bruts) durant un cycle de mesure (> 200 s). Le bruit du récepteur est minimisé à mieux que700 K. La résolution temporelle peut varier entre 1 et 7 minutes, et a été fixée à 7 minutes.

Une approche statistique (régression linéaire) a été utilisée pour calculer les profils verticaux à partir des spectres étalonnés (tem-pérature de brillance, TB, température qu'aurait un corps noir émettant le même flux de rayonnement que l’objet – en l’occurrencel’atmosphère – observé) mesurés par le radiomètre. L’algorithme d’inversion s’appuie sur un millier de radiosondages à proximitéde sites où l’instrument a été installé, en l’occurrence au pic du Midi pour une campagne de validation en 2008 et au Dôme Cdepuis 2009. À partir de l’équation de transfert radiatif utilisant des modèles spectraux (Liebe, 1989 ; Rosenkranz, 1998), unensemble de températures de brillance telles que mesurées pour les deux stations aux fréquences du radiomètre est dérivé. Unalgorithme d’ajustement statistique est appliqué en utilisant une régression linéaire ou quadratique pour résoudre le problèmeinverse, c’est-à-dire estimer les profils verticaux de température et de vapeur d’eau à partir des spectres mesurés. Cette méthoded’inversion a le principal avantage de produire instantanément des profils verticaux. Mais elle a le principal défaut de ne pouvoirproduire les fonctions mathématiques de type fonctions de balayage (comme dans la méthode de l’estimation optimale, voir plusloin) pour caractériser la résolution verticale de la mesure et la contamination de l’information a priori sur le profil vertical estimé.

Pour estimer les profils verticaux de H2O et de température, une grille verticale fixe a été définie sur 39 niveaux : 0, 10, 30, 50, 75,100, 125, 150, 200, 250, 325, 400, 475, 550, 625, 700, 800, 900, 1000, 1150, 1300, 1450, 1600, 1800, 2000, 2200, 2500, 2800,3100, 3500, 3900, 4400, 5000, 5600, 6200, 7000, 8000, 9000 et 10 000 m. Une haute résolution verticale dans la couche limiteatmosphérique est critique pour pouvoir détecter les inversions de température (et de vapeur d’eau) très communes enAntarctique (voir Ricaud, 2014). La précision sur les profils verticaux de H2O et de température du radiomètre Hamstrad pour untemps d’intégration de 7 minutes est présentée respectivement dans les tableaux 3 et 4, associée aux résolutions verticales dans lacouche limite atmosphérique, la troposphère libre et la haute troposphère-basse stratosphère.

Tableau 3. Résolutions verticales et erreurs aléatoires associées aux mesures de H2O de Hamstrad, radiosonde, in situ, Iasi, AIRS etCEPMMT dans la couche limite atmosphérique (CLA), la troposphère libre (TL) et la haute troposphère-basse stratosphère (HTBS)(tiré de Ricaud et al., 2013b).

1Erreur aléatoire associée à un temps d’intégration de 7 minutes.2Résolution verticale estimée à partir de données moyennées sur l’année 2010 au Dôme C.3Biais des analyses CEPMMT par rapport aux radiosondes.(

fc (GHz) 51,26 52,28 53,86 54,94 56,66 57,30 58,00

∆f (MHz) 230 230 230 230 600 1000 2000

fc (GHz) 183,31 ± 0,6 183,31 ± 1,5 183,31 ± 2,5 183,31 ± 3,5 183,31 ± 4,5 183,31 ± 7,0

fFI (GHz) 0,6 1,5 2,5 3,5 4,5 7,0

∆f (MHz) 200 200 200 200 500 1000

Résolutions verticales (m) ErreursCLA TL HTBS CLA TL HTBS

Hamstrad1 30–50 100 500 0,05 g m-3 0,03 g m-3 0,005 g m-3

Radiosonde2 – – – 5 % 5 % 5 %In situ 7-9 – – 3 % – –Iasi 1000 1500 2000 10–25 % 5–20 % 20–45 %AIRS 2500 3800 6200 <10 % 10–20 % 20–30 %CEPMMT3 20–80 80–280 280-410 –0,06 à 0,01 g m3 –0,06 à 0,01 g m3

~0

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Tableau 4. Résolutions verticales et erreurs aléatoires associées aux mesures de température de Hamstrad, radiosonde, in situ, Iasi,AIRS et CEPMMT dans la couche limite atmosphérique (CLA), la troposphère libre (TL) et la haute troposphère-basse stratosphère(HTBS) (tiré de Ricaud et al., 2013b).

1Erreur aléatoire associée à un temps d’intégration de 7 minutes.2Résolution verticale estimée à partir de données moyennées sur l’année 2010 au Dôme C.3Biais des analyses CEPMMT par rapport aux radiosondes.(

Nous avons appliqué en parallèle la théorie de l’estimation optimale (Rodgers, 2000) aux mesures du radiomètre Hamstrad pourcaractériser les résolutions verticales des profils de H2O et de température (Ricaud et al., 2013a). Les fonctions de balayage asso-ciées (ou noyaux moyens) permettent de caractériser la résolution verticale des mesures en calculant leur largeur à mi-hauteur. Deplus, la somme des éléments de chaque fonction de balayage caractérise la réponse de la mesure qui est une indication de l’infor-mation provenant de la mesure sur l’information provenant de l’a priori. Le domaine vertical optimum où une information perti-nente peut être obtenue est estimé en considérant une réponse de la mesure supérieure à 75 %, ce qui signifie que l’information apriori contamine l’inversion par moins de 25 %. Par cette méthode, on montre que les mesures du radiomètre Hamstrad couvrentbien toute la troposphère avec une meilleure sensibilité dans la basse troposphère (avec une résolution de 40-50 m dans la couchelimite atmosphérique, figure 2) que dans la troposphère libre (~100 m de résolution à 1 km au-dessus de la surface) se dégradantfortement dans la haute troposphère-basse stratosphère (400-500 m à 10 km au-dessus de la surface, figure 2). Globalement, nousmontrons que les deux méthodes de traitement des données (régression linéaire et estimation optimale) donnent des résultatscohérents quant à la précision et à la résolution verticale des mesures de H2O et de température.

Résolutions verticales (m) Erreurs (K)

CLA TL HTBS CLA TL HTBS

Hamstrad1 20–50 100 500 0,25 0,5 1

Radiosonde2 18 6 5 0,5 0,5 0,5

In situ 7-9 – – 0,15 – –

Iasi 1000 1500 2000 < 1 < 1 < 1

AIRS 2500 4000 7100 1–2 1–1,5 0,5–2

CEPMMT3 20–80 80–280 280-410 1 (été) ; 6 (hiver) 2 2

Figure 2. Fonctions de balayage ou noyaux moyens de la température relatives aux mesures du radiomètre Hamstrad au Dôme C : à gauche de3,2 à 4,2 km d’altitude (0-1 km au-dessus de la surface) ; à droite de 3,2 à 13,2 km d’altitude (0-10 km au-dessus de la surface). Les chiffres àdroite de chaque graphe montrent, pour chaque fonction de balayage, 1) l’altitude du pic et 2) la résolution verticale estimée à partir de la largeur àmi-hauteur de la fonction de balayage (tiré de Ricaud et al., 2013a).

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Le radiomètreHamstrad

ThéorieLe radiomètre Hamstrad a été déve-loppé par l’entreprise allemandeRadiometer Physics GmbH (RPG)(http://www.radiometer-physics.de)sous le nom générique de LowHumidity And Temperature PROfiler(LHATPRO). C’est un instrument quiutilise l’information spectrale provenantde deux bandes dans le domaine micro-onde (figure 1) : 51-59 GHz (bande V,aile basse fréquence de la raie de dioxy-gène) et 169-197 GHz (bande G, raieintense de H2O centrée à 183,3 GHz)pour en déduire des profils verticauxrespectivement de température et de H2O,de 0 à 10 km d’altitude. Le profil verticalde température est obtenu à partir de laforme de la raie de dioxygène dont l’élar-gissement dépend de la pression, tandisque la raie intense de H2O permet d’accé-der au profil vertical à partir d’une quan-tité intégrée de vapeur d’eau très faible,inférieure à 2 kg m–2, soit 2 mm.

InstrumentLe radiomètre Hamstrad est un instru-ment compact entièrement automatisé. Sesdimensions sont de 36 × 65 × 115 cm3.La figure 3 montre une représentationschématique de l’instrument. Les deuxmodules des récepteurs H2O et tempé-rature sont orientés orthogonalementet les deux faisceaux sont superposéspar le biais d’un filtre à fil. Un miroirparabolique désaxé forme une imagedans le ciel avec une résolution angu-laire de largeur à mi-puissance d’envi-ron 2°. Le miroir parabolique permet

Figure 3. Structure interne du radiomètre Hamstrad (tiré de Ricaud et al., 2010a).

de balayer à la fois l’absorbant à tem-pérature ambiante (charge chaudepour l’étalonnage) et l’atmosphère àdifférentes élévations.

Le récepteur température est fondé surune technique de détection directe,simple bande, sans utiliser de mélan-geurs et d’oscillateurs locaux pour laconversion du signal (hétérodynage).Le signal est en fait directementamplifié, filtré et détecté. Le radiomè-tre est donc purement passif sans pertede rayonnement. Le récepteur vapeurd’eau est un système hétérodynedouble bande avec un ensemble de fré-quences optimisées pour les fréquen-ces intermédiaires (FI) telles queprésentées dans le tableau 2. La raiede vapeur d’eau est symétrique, detelle sorte que les deux ailes de raiepeuvent être détectées en parallèle viaun système double bande, qui doublela sensibilité du récepteur. La tempé-rature de bruit du mélangeur estproche de 500 K. La température sys-tème, incluant l’injection du signal àbruit et la chaîne FI, vaut approxima-tivement 1500 K.

Le radiomètre Hamstrad utilise unsystème d’auto-étalonnage automa-tique. Un signal à bruit, dont l’inten-sité est parfaitement bien connue, estpériodiquement (100 Hz) injecté dansles récepteurs H2O et température viadeux diodes à bruit pour étalonner lesdérives du gain. De plus, les dérives dela température système sont compen-sées périodiquement par une visée dumiroir parabolique vers une charge àtempérature ambiante (chargechaude). Un étalonnage manuel utili-sant une charge immergée dans de l’a-zote liquide (charge froide) permetd’étalonner en absolu tout le système.

Cet étalonnage manuel doit être répététous les six mois environ. Le radiomè-tre Hamstrad est aussi équipé de son-des additionnelles : température(précision de 0,5 °C), pression (préci-sion de 0,5 hPa), humidité relative(précision de 5 %), détecteur de pluieet récepteur GPS.

Jeux de donnéesexternes

RadiosondesLors de l’installation du radiomètreHamstrad au pic du Midi, nous avonslancé des radiosondages depuis leCentre de recherches atmosphériques(CRA) à Lannemezan. Les radiosondesétaient de type Modem M2K2 etM2K2DC pour les mesures de la vapeurd’eau et de la température. La sondetempérature est un thermistor opérantde –90 à +55 °C avec une résolution de0,1 °C, une précision de ±0,5 °C et uneréponse inférieure à 2 s. La sonde humi-dité est une capacité fonction de l’humi-dité relative opérant sur un domaine de0 à 100 %, une résolution de 0,1 %, uneprécision de ±5 % et une réponse infé-rieure à 2 s. Un GPS permet la déter-mination de la direction et de l’inten-sité des vents. Les deux sondeurs sontd’abord étalonnés en usine, puispar l’utilisateur avant le lancer. La fré-quence des mesures est de 1 Hz. Lesradiosondages ont été lancés defévrier à mars 2008 de Lannemezan à12:00 UTC en coïncidence temporelleavec ceux de Bordeaux et Saragosse.

Au Dôme C, des radiosondages sonteffectués chaque jour à 12:00 UTC(20:00 heure locale) depuis le prin-temps 2005. Les profils mesurés sontintégrés au système internationalGlobal Telecommunication Systemde l’Organisation mondiale de météo-rologie et sont validés avant d’êtredisponibles sur le site italienhttp://www.climantartide.it. Depuis2009, les sondes sont de type VaisalaRS-92SPGW et mesurent la tempéra-ture, l’humidité relative et les ventsgrâce à un système GPS. Les erreursquadratiques moyennes pour H2O ettempérature estimées par Vaisala sontreportées respectivement dans lestableaux 3 et 4 (voir encadré). Aucunecorrection de type retard temporel et/ouéchauffement de la sonde n’est appli-quée à la mesure. Des corrections surles mesures de 2009 appliquées selon

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Miloshevish et al. (2006) ont montréune influence faible (4 % maximum)sur la quantité d’eau intégrée (Ricaud etal., 2013a).

Sondes in situEn 2009, des sondes in situ ventiléesH2O (Humicap) et température (PT100)ont été installées sur la tour de 45 m dehaut à 3,5, 10,6, 18,0, 25,3, 32,7 et41,9 m au-dessus de la surface par leLaboratoire de glaciologie et de géo-physique de l’environnement (LGGE)de Grenoble (Genthon et al., 2010). Lessondes de température sont des thermis-tors PT100 DIN IEC 751 classe 1/10 enplatine avec une précision meilleure que±0,15 °C aux températures rencontrées.Afin d’éviter des biais dus à une conta-mination induite par le rayonnementsolaire, les sondes sont abritées et venti-lées en utilisant une protection Young43502 (Genthon et al., 2011). Leserreurs quadratiques moyennes esti-mées par Genthon et al. (2010) sontreportées dans le tableau 4. Pourla mesure de H2O, des thermo-hygromètres de type Vaisala HMP45acet HMP155 sont aussi déployés surla tour, avec des sondes Humicap quisont celles utilisées par Vaisala pour lesradiosondes RS92 lancées quotidienne-ment au Dôme C (Genthon et al.,2010). Les erreurs quadratiques moyen-nes mesurées par Genthon et al. (2010)sont reportées dans le tableau 3. La fré-quence de mesure des sondes est de0,1 Hz. Les données sont moyennéespar tranche de 30 minutes et linéai-rement interpolées (extrapolées) à 10,30 et 50 m au-dessus de la surface pourdes comparaisons avec les mesuresHamstrad.

En 2009, des sondes de température dumême type que celles du LGGE(PT100) ont aussi été installées par leCommissariat à l’énergie atomique(CEA) aux mêmes niveaux d’altitude,mais ces sondes n’étaient pas ventilées(Tremblin et al., 2010). Ces donnéesont été utilisées pour des comparaisonsavec Hamstrad sur la période janvier-février 2009 (Ricaud et al., 2013a).

Instrument spatial IasisurMetOp-ALa plateforme spatiale MetOp-A a étélancée le 19 octobre 2006 et contientune série de huit instruments, incluantl’interféromètre infrarouge Iasi (voir parexemple Cayla, 2001). MetOp-A volesur une orbite polaire héliosynchrone à

une altitude moyenne d’environ815 km, inclinée à 98,7° de l’équateuret traverse l’équateur au nœud descen-dant à 09:30 heure locale.

L’instrument Iasi (voir http://smsc.cnes.fr/IASI) est un sondeur infrarouge à hauterésolution spectrale qui a été développépour la mesure de la température et dela vapeur d’eau (Pougatchev et al.,2009 ; Lerner et al., 2002) avec une pré-cision meilleure respectivement que 1 K(tableau 4) et 10 % (tableau 3). Iasi estconstitué d’un spectromètre à transfor-mée de Fourier couvrant le domainespectral de 3,6 µm (2760 cm–1) à15,5 µm (645 cm–1) avec une résolutionspectrale entre 0,35 et 0,5 cm–1.L’instrument Iasi observe la Terre avecune fauchée de ±48,3° de part et d’autrede la trace au sol de l’orbite. Dans ledomaine spectral d’Iasi, outre H2O et latempérature, un nombre conséquentd’espèces chimiques peuvent êtredétectées : O3, CO, CH4, CO2, N2O, etc.

Nous avons utilisé les données deniveau 2 (profils verticaux) produites demanière opérationnelle par Eumetsat(Schlüssel et al., 2005) et disponiblessur la base de données Ether en lessélectionnant dans une boîte de 2° × 2°centrée sur le site étudié, pic du Midi ouDôme C. Le nombre de profils disponi-ble pour un jour donné est très variable,d’autant plus que les pixels nuageux nesont pas traités. Pour le pic du Midi, de10 à 30 profils par jour ont pu êtresélectionnés entre 09:00 et 10:00 etentre 21:00 et 22:00 UTC.

Instrument spatial AIRSsur AquaL’instrument AIRS vole à bord de laplate-forme spatiale de la Nasa Aqua lan-cée en 2002 (voir http://airs.jpl.nasa.gov)afin de sonder la température et l’humi-dité. La plate-forme suit une orbite hélio-synchrone à une altitude de 705 km,croisant l’équateur au nœud ascendant à13:30 heure locale (Aumann et al.,2006).

L’instrument AIRS est un spectromètre àhaute résolution spectrale dans ledomaine infrarouge qui mesure la tempé-rature avec une précision de 1 K(tableau 4) et la vapeur d’eau àmieux que15 % (tableau 3) dans des couches verti-cales de 1 km d’épaisseur dans la tro-posphère libre. Le spectromètre d’AIRScouvre le domaine spectral 3,7–15,4 µmavec 2378 canaux (Aumann et al., 2003 ;Divakarla et al., 2006). Les résolutionsverticales des mesures de H2O et de tem-pérature (Maddy et Barnet, 2008 ;Arai et

Liang, 2009) sont présentées respective-ment dans les tableaux 3 et 4. Les para-mètres géophysiques de niveau 3 (version5) moyennés quotidiennement en nœudsascendant et descendant dans des cellulesde 1° × 1° sont fournis par la Nasa sur lesite Giovani (Susskind et al., 2010). Lesmesures AIRS ont été essentiellementutilisées dans l’analyse des mesures deHamstrad au Dôme C dans un domaine2° × 2° centré sur la station et correspon-dent à des temps de passage à 13:00heure locale (nœud ascendant) et 01:00heure locale (nœud descendant).

Analyses du CEPMMTLe CEPMMT a pour but de développerdes méthodes numériques pour lesprévisions météorologiques, ainsi que lacollecte et l’archivage de donnéesmétéorologiques. Ses analyses assimi-lent les observations effectuées à traversle monde dans un modèle météorolo-gique. La grille verticale est distribuéesur 91 niveaux (de ~8 m à ~80 km), avecune haute résolution dans la couchelimite atmosphérique et une résolutionbeaucoup plus faible dans la stra-tosphère. La résolution horizontale estapproximativement de 50 km. Lestableaux 3 et 4 donnent les biais entre lesanalyses du CEPMMT et les radiosonda-ges pour respectivement H2O et la tempé-rature (Hagelin et al., 2008). Quatreanalyses sont disponibles par jourà 00:00, 06:00, 12:00 et 18:00 UTC.Elles ont été utilisées dans nos étudessur les mesures effectuées au Dôme C,correspondant à : 08:00, 14:00, 20:00 et02:00 heure locale.

Mesures de vapeurd’eau au pic du MidiUne fois construit en janvier 2008 parl'entreprise RPG, le radiomètreHamstrad a été installé au pic du Midi(PdM, 42°56’N, 0°08’E, 2877 m au-dessus du niveau moyen de la mer,France) le 6 février 2008 (figure 4) pourune période de test et de validationavant un envoi définitif au Dôme C.Après un étalonnage à l’azote liquide, leradiomètre a pu fonctionner sur lapériode février-juin 2008 sans problèmetechnique majeur. L’essentiel des étudesa surtout porté sur la qualité des mesu-res de H2O, paramètre prioritaire, justi-fiant une installation de l’instrument enAntarctique. On a pu ainsi comparer lesmesures du radiomètre à des radioson-dages spécialement lancés depuis le sitedu Centre de recherches atmosphé-riques à Lannemezan (LAN, 43°07’N,

La Météorologie - n° 84 - février 201420

Figure 5. Quantité intégrée de vapeur d’eau au-dessus du pic du Midi (2877 m d’altitude) mesurée àpartir des mesures du radiomètre Hamstrad, Iasi et des radiosondes lancées à Bordeaux,Lannemezan et Saragosse de février à juin 2008 (tiré de Ricaud et al., 2010b).

Figure 4. Le radiomètre Hamstrad au pic du Midi en février 2008 (tiré de Ricaud et al., 2010a).

0°23’E, 610 m au-dessus du niveaumoyen de la mer, France), à 28 kmau nord-est du pic du Midi, des radio-sondages météorologiques de l’aéro-port de Bordeaux-Mérignac (BOR,44°49’N, 0°42’W, 50 m au-dessus duniveau moyen de la mer, France) et deSaragosse (ZAR, 41°39’N, 0°53’W,263 m au-dessus du niveau moyen dela mer, Espagne), ainsi que des mesu-res spatiales provenant de l’instrumentIasi.

La figure 5 montre à titre d’exemplel’évolution temporelle de la quantité

d’eau intégrée mesurée par Hamstrad,Iasi et les radiosondages lancée àBOR, LAN et ZAR. On peut noterl’extrême variabilité de l’atmosphèreau-dessus du PdM, de conditionsextrêmement sèches rencontrées enfévrier (IWV < 1 kg m–2) à des conditionshumides en juin (IWV > 10 kg m–2). Lapériode du 7 au 18 février 2008 cor-respond au blocage d’un anticycloneau-dessus de l’Europe produisant ainsides conditions très froides et trèssèches au-dessus du PdM. Ceci estd’autant plus encourageant que desvaleurs faibles de IWV de l’ordre de

1 kg m–2 sont régulièrement rencon-trées au Dôme C en été, avec desvaleurs hivernales qui peuvent descen-dre en dessous de 0,1 kg m–2 et attein-dre 0,05 kg m–2 (voir section suivante).On peut déjà conclure qu’il n’y a pasde biais significatifs entre Hamstradet les autres jeux de données. En mai,toutefois, les radiosondages etHamstrad sont en excellent accord,alors que Iasi montre un biais négatifde plus de 4 kg m–2, peut-être induitpar la présence partielle de nuagesdans les pixels mal interprétés par lelogiciel d’analyse d’Eumetsat.

Mesures de vapeurd’eau et de tempé-rature au Dôme C

Installation au Dôme CLe radiomètre Hamstrad a été envoyé etinstallé au Dôme C en janvier 2009 et,comme le container qui devait l’abritern’était pas encore disponible à cettedate, l’instrument a été installé à l’exté-rieur (figure 6). Il a fonctionné 12 jours,du 22 janvier au 2 février 2009, puis aété mis à l’abri, en environnement horsgel, pour l’hivernage. Durant l’été2009-2010, un container spécialementdédié, complètement équipé avecchauffage, a été aménagé. Le radio-mètre a été installé à l’intérieur(figure 6), protégé au sein d’une nichedont la fenêtre est constituée d’uneplaque quasi transparente aux rayon-nements micro-ondes entre 60 et190 GHz, et monté sur des rails pourfaciliter l’extraction lors des phasesd’étalonnage à l’azote liquide (figure 7).

L’instrument fonctionne de manièrenominale depuis janvier 2010. À cejour, la meilleure période d’observationde l’instrument Hamstrad correspond àl’année 2010.

Des étalonnages à l’azote liquide sonteffectués une fois (éventuellement deuxfois) par an. L’azote liquide, qui provientd’Australie, est transporté par bateau(Astrolabe) jusqu’à la station de Dumontd’Urville, puis par raid terrestre jusqu’auDôme C. Les mesures quotidiennes(données brutes, spectres étalonnés etprofils verticaux de H2O et température)de l’instrument sont envoyées automati-quement par email le jour suivant auCNRM (Toulouse, France) où elles sontstockées et archivées.

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Figure 6. À gauche, le radiomètre Hamstrad installé à l’extérieur en janvier-février 2009 à proximité du camp d’été de la station du Dôme C (tiré de Ricaudet al., 2013a). À droite, container (orange) abritant le radiomètre Hamstrad et la niche de protection avec sa fenêtre en matériau LD24 (blanche) permet-tant une observation atmosphérique pour des opérations de mesure nominales : depuis janvier 2010.

Figure 7. Radiomètre Hamstrad sur des rails à l’intérieur du container (à gauche)en configuration optimale lors d’une mesure atmosphérique à l’intérieur de laniche de protection et (à droite) retiré de la niche de protection afin d’effectuer unétalonnage à l’azote liquide.

Mesures de températureet validationL’évolution annuelle de la températurede janvier à décembre 2010 mesuréepar différents instruments (Hamstrad,radiosondages, Iasi et AIRS nœudascendant) et analysée par le CEPMMTest montrée sur la figure 8. On peutdistinguer deux périodes principales :– l’été (janvier, février, novembre etdécembre), caractérisé par les tempéra-tures les plus élevées, de ~230 à ~250 K

dans la couche limite atmosphériqueet de ~200 à ~240 K dans la hautetroposphère-basse stratosphère ;– l’hiver (mai-août), caractérisé par lestempératures les plus basses, de ~190 à~235 K dans la couche limite atmo-sphérique et de ~190 à ~220 K dans lahaute troposphère-basse stratosphère.L’automne et le printemps (respective-ment, mars-avril et septembre-octobre)sont des périodes de transition assezcourtes entre les températures élevées del’été et les basses températures de l’hiver.

De la plus basse à la moyenne tropo-sphère, les champs de température asso-ciés à tous les jeux de données sontsymétriques par rapport à la périodehivernale (juillet-août), tandis qu’ilssont asymétriques dans la haute tropo-sphère-basse stratosphère, avec le prin-temps (températures inférieures à 210 K)beaucoup plus froid que l’automne(températures supérieures à 210 K), cequi est essentiellement lié à l’évolutiondu vortex polaire qui se développe àl’automne et se désagrège au printemps

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Figure 9. Profils verticaux de température mesurés par Hamstrad en mode « zénith » (courbe noire),en mode « couche limite » (courbe verte) et mesurés par les radiosondes en coïncidence temporelleles 30 et 31 janvier, et 2 février 2009 (tiré de Ricaud et al., 2013a).

Figure 8. (De haut en bas) Évolution de la température (à gauche) et H2O (à droite) mesurée parHamstrad, radiosondages, Iasi, AIRS (nœud ascendant) et analyses CEPMMT au-dessus duDôme C du 1er janvier au 31 décembre 2010 (tiré de Ricaud et al., 2013b).

quand l’air stratosphérique se réchauffe(Ricaud et al., 2005). Globalement, tousles jeux de données se comportent demanière cohérente à trois exceptionsprès. Premièrement, si l’on considèreHamstrad, la troposphère moyenne ethaute est plus chaude de ~10 K et lahauteur de la tropopause est plus bassede 1 à 3 km par rapport aux autres jeuxde données. Deuxièmement, la bassetroposphère telle que mesurée par AIRSen automne, hiver et printemps est plusfroide de 10 à 20 K par rapport auxautres jeux de données. Nous revien-drons dans la section suivante sur cesdeux points. Troisièmement, on noteral’absence de mesures Iasi au-dessusdu Dôme C, principalement après le14 septembre 2010. En effet, à cettedate, le logiciel d’inversion développépar Eumetsat a connu une mise à jourmajeure (V5.0.6) et les pixels mesurésau-dessus de surfaces glacées ont étésystématiquement (mais de manièreerronée) labellisés comme des pixelscontaminés par la présence de nuageset, par conséquent, non analysés parle logiciel de traitement. Enfin, leschamps de température provenant desradiosondages et du CEPMMT sont trèssimilaires, dus à l’assimilation desradiosondages lancés au Dôme C dansle système d’analyse et de prévision duCEPMMT.

Lorsque les profils verticaux de tem-pérature mesurés par Hamstrad sontcomparés à ceux des radiosondages(f igure 9) et ce, quelle que soit lapériode considérée (non montré), onnote que l’accord est excellent dans latroposphère basse (0-1 km), puis unbiais négatif (1-5 K) est observé de ~1à ~5 km. La localisation de la tropo-pause est généralement plus basse (de1 à 2 km) et plus chaude que celleobtenue avec les radiosondages. Au-dessus, dans la basse stratosphère, lesprof ils obtenus par Hamstrad sontbeaucoup plus chauds (10-20 K) queceux obtenus par les radiosondages,montrant une nouvelle fois la très fai-ble sensibilité de Hamstrad dans cettecouche d’altitude.

Si l’on regarde en détail l’évolutiontemporelle de la température dans lacouche limite atmosphérique (parexemple très proche de la surface à 4 m,figure 10) mesurée par Hamstrad et dif-férents autres instruments sur la périodejanvier-février 2009, on s’aperçoit quel’amplitude du signal diurne de ±6-7 Kdétectée par Hamstrad est en accordavec les instruments in situ. Le sondeurspatial Iasi montre quant à lui un biaispositif de l’ordre de 2-5 K. Au-dessus,

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Figure 11. Corrélation temporelle de la température mesurée au Dôme C par Hamstrad et les autresjeux de données : radiosondes (RS), in situ, Iasi (IASI), Airs en nœuds ascendant (AIRS_A) et des-cendant (AIRS_D) et CEPMMT (ECMWF, en anglais). Les mesures sont en coïncidence temporelle àl’intérieur d’une fenêtre de 60 minutes (tiré de Ricaud et al., 2013b).

dans la troposphère libre à 2000 m(figure 10), on note que le régime estdifférent de celui observé dans la cou-che limite atmosphérique, sans varia-tion diurne avec une variabilitéintrasaisonnière majoritairement induitepar l’origine des masses d’air (voir sec-tion suivante). On observe à cette alti-tude un faible biais négatif de Hamstradde 1 à 2 K par rapport aux radiosonda-ges, avec un biais systématiquementpositif de Iasi par rapport aux radioson-dages de 1 à 3 K. À 5000 m (figure 10),la sensibilité des mesures Hamstraddevient plus faible, mais l’accord avecles radiosondages reste tout de même del’ordre de ±1-2 K.

La figure 11 montre la corrélation tem-porelle (r) des champs de températuremesurés par Hamstrad avec tous les au-tres jeux de données provenant desradiosondes, in situ, AIRS en nœudsascendant et descendant, Iasi etCEPMMT en fonction de la saisonsur une fenêtre temporelle de coïnci-dence de 60 minutes. Dans la basse

troposphère, quelle que soit la saisonconsidérée, les jeux de données prove-nant des radiosondes, in situ, AIRS (enété) et CEPMMT montrent une trèshaute corrélation temporelle avecHamstrad (r > 0,8 en moyenne et même

r > 0,9 en été), excepté pour Iasi pourlequel la corrélation est très faible(r ~ 0,2 en été et r ~ 0,5 en hiver etautomne/printemps). De 0 à 2 km au-dessus de la surface, les mesures desinstruments infrarouges (AIRS et Iasi)donnent systématiquement des corréla-tions pires que les autres jeux de don-nées. Cela est certainement induit à lafois par la résolution verticale de cesinstruments (~1000 m) et par la pertede sensibilité de Iasi dans la couchelimite atmosphérique qui empêchent deretrouver une information pertinentedans cette couche atmosphérique.

Dans la troposphère libre, au-dessus de2 km, la corrélation temporelle entre lesdifférents jeux de données et Hamstradest bonne (r > 0,8), excepté encore pourIasi en hiver (r ~ 0,3-0,7). L’été, la cor-rélation avec Iasi est supérieure à 0,8entre 1,5 et 4 km, diminuant à 0,4 à5 km. La faible corrélation avec Iasi enhiver (r ~ 0,3) est assez intrigante à pré-sent, à moins que les inversions de Iasipar les logiciels développés à Eumetsatsoient beaucoup trop affectées par lesvaleurs d’émissivité de surface durantcette période. Par contre, quelques moisplus tard en été, la corrélation est plutôtélevée (r > 0,8), donc Iasi produit uneinformation pertinente dans la moyennetroposphère durant cette saison.

Dans la haute troposphère-basse strato-sphère, les corrélations avec Hamstradsont systématiquement plus faibles quedans la troposphère, mais néanmoinsnon négligeables (r ~ 0,6–0,8), avec unminimum local à 6 km en été (r ~ 0,7pour AIRS, r ~ 0,6 pour les radiosondeset CEPMMT, et r ~ 0,4 pour Iasi).Comme déjà vu précédemment, bienque les mesures de Hamstrad perdent dela sensibilité dans ce domaine d’altitude

Figure 10. De bas en haut : évolution temporelle de la température à 4, 2000 et 5000 m parHamstrad, radiosondages (RS), sondes in situ provenant des laboratoires LGGE et CEA, Iasi (IASI) etsonde météorologique attachée à Hamstrad (in situ) au Dôme C, du 22 janvier au 2 février 2009 (tiréde Ricaud et al., 2013a).

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Figure 12. Évolution temporelle de la quantité intégrée de vapeur d’eau (IWV) mesurée par Hamstrad,radiosondages (RS), Iasi (IASI), AIRS en nœud ascendant (AIRS_A), descendant (AIRS_D) et analy-ses CEPMMT (ECMWF) au-dessus du Dôme, du 1er janvier au 31 décembre 2010 (tiré de Ricaud etal., 2013b).

Figure 13. Profils verticaux d’humidité absolue mesurés par Hamstrad (courbe noire) et par les radioson-dages en coïncidence temporelle les 30 et 31 janvier et 2 février 2009 (tiré de Ricaud et al., 2013a). Lesradiosondages ont été corrigés de biais systématiques (courbe orange). Les quantités intégrées devapeur d’eau (IWV) correspondant aux trois jeux de données sont montrées sur chaque figure.

(Ricaud et al., 2013a), on peut néan-moins en tirer de l’information perti-nente pour des études statistiques detype climatologique. On notera enfinque, de la surface à 10 km d’altitude, lescorrélations de Hamstrad avecCEPMMT et les radiosondes sont trèssimilaires en amplitude et en allure ver-ticale. Cela permet aussi de souligner legrand potentiel des mesures du radio-mètre Hamstrad pour valider à la foisles mesures spatiales, mais aussiles analyses météorologiques dansdes sites reculés où peu de mesuresindépendantes existent.

Mesures de la quantitéintégrée de vapeur d’eauet validationLa figure 12 montre l’évolution tempo-relle de la quantité intégrée de vapeurd’eau mesurée au-dessus du Dôme Csur toute l’année 2010 par Hamstrad, lesradiosondes, les instruments spatiauxAIRS et Iasi, et analysée par le centreeuropéen. Comme on pouvait s’y atten-dre à partir de l’évolution de la tempé-rature (figure 8), une saison sèche estobservée de mai à août avec des valeursallant de 0,05 à 0,6 kg m–2 et une saisonhumide (disons moins sèche) apparaîtde novembre à février avec des valeursoscillant entre 0,5 et 1,5 kg m–2, mon-trant des pics intenses en décembre etfévrier pouvant atteindre des valeurssupérieures à 2,1 kg m–2. On pourranoter la grande cohérence au sein desdifférents jeux de données avec uneforte variabilité l’été et inversementl’hiver sur quelques jours en accordavec les études de Tomasi et al. (2012) àpartir de radiosondages effectués de2005 à 2009 au Dôme C. On noteraenfin que les radiosondes, avec Iasi, ont

tendance à mesurer une atmosphèreplus sèche que tous les autres jeux dedonnées de l’ordre de 0,05 kg m–2 enhiver jusqu’à 0,1-0,15 kg m–2 en été.

Mesures de vapeur d’eauet validationLa figure 8 montre l’évolution tempo-relle de H2O au-dessus du Dôme C en2010 mesurée par Hamstrad, les radio-sondes, les instruments spatiaux AIRSet Iasi, et analysée par le centre euro-péen. De manière cohérente avec l’évo-lution temporelle du contenu intégré(figure 12), une saison humide en étésuivie par une saison sèche en hiver estobservée, quel que soit le jeu de don-nées considéré sans réellement de diffé-rences marquées entre le printemps etl’automne, en accord avec Tomasi et al.(2012). En été, les quantités de H2O dela surface à ~2 km d’altitude sont supé-rieures à 0,1 g m–3 pour Hamstradet AIRS, atteignant ~3 km pour les

radiosondes et CEPMMT jusqu’à~4 km pour Iasi. En hiver, Hamstrad etAIRS tendent à mesurer des quantitésde H2O (~0,3 g m–3) bien supérieuresaux quantités mesurées par les autresjeux de données (0,06 g m–3).

Comme pour la température, les mesu-res de Iasi sont manquantes après le14 septembre à cause d’un changementdans le logiciel de traitement des mesu-res développé par Eumetsat. Enfin, leschamps de H2O mesurés par les radio-sondes et analysés par le CEPMMTsont très similaires pour les raisonsdonnées précédemment.

Si l’on considère les profils verticauxde H2O mesurés en coïncidence avec lesradiosondes (f igure 13) en janvier-février 2009 à 12:00 UTC au-dessus duDôme C, on peut noter que, malgré desquantités intégrées de vapeur d’eau(IWV) comparables à mieux que0,07 kg m–2, Hamstrad tend à mesurersystématiquement une atmosphère plushumide de ~0,5 g m–3 dans la couchelimite atmosphérique (un facteur 3-5),0,1-0,3 g m–3 dans la troposphère libreet un biais négatif de ~0,1 g m–3 dans lahaute troposphère. On notera que,même en corrigeant d’un biais négatifles radiosondes (Miloshevich et al.,2009), les biais entre Hamstrad et lesradiosondes persistent et ce, quelle quesoit la saison considérée. Comme lesquantités intégrées de vapeur d’eau(IWV) mesurées par Hamstrad et lesradiosondes sont cohérentes, le biaispositif dans la basse troposphère nes’étend pas dans toute l’atmosphère etun biais négatif est détecté à hautealtitude pour compenser.

À titre d’exemple, l’évolution de H2O à2000 m de la surface, mesurée enjanvier-février 2009 par Hamstrad, les

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radiosondes et Iasi est présentée enfigure 14. À partir du 22 janvier, unediminution rapide de H2O est mesuréepar les différents jeux de données de 0,2à 0,1 g m–3 suivie d’une lente diminu-tion à partir du 27 janvier jusqu’au29 janvier, avec des valeurs très faiblespour lesquelles les inversions deHamstrad sont égales à 0 pendantquelques heures. Le 30 janvier, H2Oaugmente très rapidement jusqu’à desvaleurs de l’ordre de 0,3 g m–3 puisdiminue jusqu’à la fin de la périodepour atteindre ~0,1 g m–3. Les trois jeuxde données sont assez cohérents les unsavec les autres, en sachant que, durantla période du 27 au 29 janvier, les nua-ges au-dessus de la station n’ont paspermis à Iasi d’observer H2O.

La figure 15 montre la corrélation tem-porelle (r) des champs de H2O mesuréspar Hamstrad avec tous les autres jeuxde données provenant des radiosondes,in situ, AIRS en nœuds ascendant etdescendant, Iasi et CEPMMT en fonc-tion de la saison sur une fenêtre tempo-relle de coïncidence de 60 minutes. Enmoyenne, la corrélation va de r ~ –0,2dans la haute troposphère-basse strato-sphère à r ~ +0,9 dans la basse tropo-sphère. Cela signifie que les jeux dedonnées de H2O sont moins cohérents

entre eux que ceux de température. Lesplus fortes corrélations (r ~ 0,7-0,9)sont obtenues proches de la surface et à~1 km pour les radiosondes, CEPMMTet AIRS, diminuant jusqu’à la hautetroposphère-basse stratosphère où lescorrélations avec Hamstrad s’annulent,voire sont négatives (r ~ –0,2). Onnotera aussi un minimum systématiqueà 500 m, quelle que soit la saison consi-dérée. Les jeux de données autres queHamstrad sont assez cohérents entreeux, cela confirme le fait que le jeu dedonnées de H2O de Hamstrad est demoins bonne qualité que les radioson-des, CEPMMT et AIRS. En été, la cor-rélation avec Iasi est complètementdifférente des autres jeux de données.Par contre, en hiver, la corrélation avecIasi en dessous de 1 km est cohérenteavec celles des autres jeux de données(AIRS, radiosondes et CEPMMT).

ConclusionsUne analyse complète de l’ensembledes mesures de vapeur d’eau et de tem-pérature du radiomètre micro-onde H2OAntarctica Microwave Stratosphericand Tropospheric Radiometers (Ham-strad) installé au Dôme C depuis janvier2010 vient d’être présentée. L’intérêt

Figure 14. Évolution temporelle de l’humidité absolue mesurée à 2000 m au-dessus de la surface duDôme C par Hamstrad, radiosondages (RS) et radiosondages corrigés (Corr RS) du 22 janvier au2 février 2009 (tiré de Ricaud et al., 2013a).

Figure 15. Corrélation temporelle de l’humidité absolue mesurée au Dôme C par Hamstrad et lesautres jeux de données : radiosondes (RS), in situ, Iasi (IASI), AIRS en nœuds ascendant (AIRS_A)et descendant (AIRS_D) et CEPMMT (ECMWF). Les mesures sont en coïncidence temporelle àl’intérieur d’une fenêtre de 60 minutes (tiré de Ricaud et al., 2013b).

initial du programme Hamstrad était desuivre, sur une longue période, supé-rieure à dix ans, l’évolution temporellede ces deux paramètres pour étudierl’influence du changement climatiquesur le bilan de la vapeur d’eauatmosphérique, gaz à effet de serremajeur modifiant directement et indi-rectement (nuages) le bilan radiatif ter-restre. Le radiomètre opère à 60 GHz(raie de la molécule de dioxygène pouren déduire la température) et à 183 GHz(raie de vapeur d’eau) et permet deremonter aux profils verticaux respecti-vement de température et de H2O du solà 10 km d’altitude avec une résolutiontemporelle de 7 minutes et des résolu-tions verticales de 30-50 m dans la cou-che limite atmosphérique, 100 m dansla troposphère libre et 500 m dans lahaute troposphère-basse stratosphère.

Après une phase de validation enfévrier-juin 2008 au pic du Midi, enFrance (2877 m au-dessus du niveaumoyen de la mer), le radiomètre a étéinstallé au Dôme C une première fois enjanvier 2009 (12 jours) et définitive-ment en janvier 2010. Il fonctionne demanière opérationnelle depuis. Commel’instrument échantillonne le cyclediurne avec une bonne résolution, ilpermet la validation, entre autre, desproduits spatiaux et des analyses météo-rologiques. Des comparaisons systéma-tiques ont été entreprises au Dôme Cavec des mesures in situ, des radioson-des, des instruments spatiaux commel’instrument Iasi à bord de la plate-forme MetOp-A et l’instrument AIRSsur la plate-forme Aqua et enfin les ana-lyses du CEPMMT.

Les mesures de température et d’humi-dité absolue de Hamstrad sont d’une trèsgrande qualité dans la couche limiteatmosphérique, se dégradent dans la tro-posphère libre et perdent de la sensibilitédans la haute troposphère-basse strato-sphère. La température de Hamstradmontre un biais négatif dans la tropo-sphère libre (5 K) et un biais positif dansla haute troposphère-basse stratosphère(5-10 K). L’atmosphère telle que mesu-rée par Hamstrad montre un biais positifen vapeur d’eau en dessous de 2 km d’al-titude et négatif au-dessus. Par contre, laquantité intégrée de vapeur d’eau mesu-rée par Hamstrad est légèrement plusélevée (2 %) que celle provenant desmesures des radiosondes. Les corréla-tions temporelles (r) entre les différentsjeux de données et Hamstrad sont, pourla température, très élevées (r > 0,8) dansla troposphère et se dégradent dans lahaute troposphère-basse stratosphère(r ~ 0,4), et sont moins élevées pour H2O

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(r ~ 0,4-0,7) dans la troposphère, sedégradant également dans la hautetroposphère-basse stratosphère (r < 0,4).On a pu ainsi montrer l’importance desmesures de Hamstrad pour qualifier desmesures spatiales et des analyses opéra-tionnelles météorologiques dans desendroits difficilement accessibles oùpeu de mesures indépendantes existent.

Un nouveau logiciel d’acquisition(mesures à 10 élévations au lieu de 6) etune nouvelle méthode d’inversion ontété mis à jour en janvier 2013. Celadevrait a priori permettre de réduire lesbiais trouvés jusqu’à présent sur la tem-pérature et la vapeur d’eau. Les mesuresdu radiomètre Hamstrad devraient aussipermettre de valider les mesures devapeur d’eau et de température du nou-vel instrument Iasi sur la plateformeMetOp-B d’Eumetsat. Enfin, elles pour-ront bientôt être complémentées par denouveaux instruments installés et/ou en

cours d’installation sur le site : lidaraérosols, radiomètre infrarouge (H2O ettempérature), etc.

RemerciementsDans le cadre du programme Hamstrad,je tiens à remercier les différents insti-tuts et laboratoires pour leur soutien :Institut national des sciences de l’uni-vers (Insu) du Centre national de larecherche scientif ique (CNRS),l’Institut polaire français Paul-ÉmileVictor (Ipev), le Centre national d’étu-des spatiales (Cnes), le Laboratoired’aérologie (Toulouse et Centre derecherche atmosphérique à Lanne-mezan), l’Observatoire de Midi-Pyrénées (Bureau d’étude et pic duMidi), le Centre national de rechercheen météorologie de Météo-France, laDélégation régionale Midi-Pyrénéesdu CNRS, ainsi que l’entreprise

Radiometer Physics GmbH. La stationConcordia est opérée conjointement parl’Ipev et l’Italian Programma NazionaleRicerche in Antartide (PNRA). Pourleurs diverses implications dans le pro-jet, je tiens à remercier : Y. Courcoux,F. Carminati, S. Derrien, E. Paul,A. Pierre, C. Genthon, P. Durand,J.-L. Attié, L. El Amraoui, J.-P. Chabou-reau, E. Bazile, B. Gabard, M. Niclas,E. Motte, P. Tremblin, G. Durand etA. Pellegrini, ainsi que les personnelsde l’Ipev et du PNRA travaillant sur lesite du Dôme C. Certains jeux de don-nées n’ont pu être accessibles que viales bases de données Ether, BADC etNasa GIS. Je tiens finalement à remer-cier les deux rapporteurs qui m’ont aidéà améliorer en profondeur le manuscritinitial. Un dernier clin d’œil à mafemme et mes enfants qui m’ont permisd’accéder à ce site hors du commun etd’avoir géré le quotidien durant meslongues missions.

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