Thèse Développement d'Une Stratégie Innovante d'Évaluation des Mesures Satellite de la Mission C2omodo pour l'Observation des Orages et de leur Dynamique H/F - Université Paris-Saclay GS Géosciences, climat, environnement et planètes

Établissement : Université Paris-Saclay GS Géosciences, climat, environnement et planètes
École doctorale : Sciences de l'Environnement d'Ile-de-France
Laboratoire de recherche : Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement - DRF
Direction de la thèse : Hélène BROGNIEZ ORCID 0000000300944127
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-15T23:59:59

La convection qui forme les orages contribue au transport vertical de l'eau et de la matière au sein de l'atmosphère, depuis la surface vers les basses couches de la stratosphère. De nombreuses compagnes d'observations ont été déployées afin de comprendre, et donc de modéliser, les ascendances orageuses et leur amplitude, leur sensibilité aux conditions environnementales, et leur évolution en climat changeant. Malgré ces efforts, la représentation de la dynamique orageuse reste un challenge pour la modélisation numérique (e.g. [1] [2] et [3]) qui fait face à des enjeux sociétaux forts sur la prévision des orages et de leur développement. Répondre à ce challenge requiert des mesures d'une large variétés d'orages, à l'échelle globale, à des étapes de développements.
La mission spatiale C2OMODO (Convective Core Observations through MicrOwave Derivatives in the trOpics [5]) du CNES a comme objectif de mesurer la dynamique convective avec un tandem de radiomètres micro-ondes jumeaux, se suivant avec un léger décalage temporel (de 30 à 135s), en utilisant les variations rapides de la température de brillance (TB) mesurée TB/t comme indicateur du mouvement vertical de la glace au sein des orages [6]. Le lancement est actuellement prévu en 2030.
A l'heure actuelle, différentes approches (apprentissage statistiques machine/profond, méthodes variationnelles) sont définies pour obtenir les informations visées : partition convection/enclume des scènes observées, distribution verticale des hydrométéores glacés et son évolution temporelle et vitesse verticale de la glace [6]. Il est également attendu qu'un radar Doppler (PMM, Precipitation Measurement Mission) sera opéré par l'agence japonaise JAXA en coïncidence immédiate avec C2OMODO.

Le système de mesures C2OMODO et les paramètres géophysiques qui en découlent (profil de glace, profil de vitesse verticale, et synergies avec PMM) aura besoin d'être évalué et validé sur des points de mesures coïncidents et certains paramètres algorithmiques devront être calibrés lorsque la mission sera en exploitation avec une attention particulière accordée à la phase de recette, juste après la mise en opération.
Pour cela il faut définir une stratégie adaptée de calibration des mesures et d'une évaluation des produits issus du tandem C2OMODO et des mesures auxiliaires qui sont utilisées dans les algorithmes d'inversion. C'est tout l'enjeu de ce projet doctoral : si une partie de la validation algorithmique (réalisée en amont) est déjà en cours il est nécessaire de développer une stratégie globale permettant d'exploiter l'ensemble des moyens dont nous disposons/disposerons.
Il apparaît évident qu'il n'est pas possible d'avoir une mesure unique pour évaluer les performances des produits : il faut donc s'appuyer sur des réseaux sols, des campagnes de mesure (radars sol/aéroportés, synergie instrumentale, échantillonnage varié de conditions...) et sur les autres systèmes d'observation satellite en opération à l'époque de C2OMODO. Il est donc nécessaire de déterminer quels seront les instruments, les plateformes et les méthodes permettant de mettre en place cette stratégie. Cela nécessite une compréhension complète des produits satellites, et notamment ceux de C2OMODO et du radar PMM mais également de tous les autres systèmes de mesures qui seront utilisés. Il faudra prendre en compte les échelles, les avantages/inconvénients de chaque système d'observation et la meilleure approche pour les combiner.
Le résultat central de ce travail sera d'avoir une stratégie innovante. Cette stratégie aura été testée pré-lancement (prévu en 2030) afin de permettre des ajustements sur les déploiements instrumentaux. La phase de cal/val devant se dérouler peu de temps après le lancement, et une seule pré-campagne française étant prévue, il faudra donc avoir une stratégie robuste pour cela. En fonction du calendrier, le/la candidat.e sera pleinement impliqué.e dans la réalisation de cette pré-campagne de validation.

La convection qui forme les orages contribue au transport vertical de l'eau et de la matière au sein de l'atmosphère, depuis la surface vers les basses couches de la stratosphère. De nombreuses compagnes d'observations ont été déployées afin de comprendre les ascendances orageuses et leur amplitude, leur sensibilité aux conditions environnementales, et leur évolution en climat changeant. Malgré ces efforts, la représentation de la dynamique orageuse reste un challenge pour la modélisation numérique (e.g. [1] [2] et [3]) qui fait face à des enjeux sociétaux forts sur la prévision des orages. L'activité convective, que l'on peut étudier à travers des paramètres comme la vitesse verticale et le flux de masse convective, est toutefois une métrique difficilement atteignable depuis l'espace. Le radar Doppler du satellite EarthCare [4], lancé en Mai 2024, permet d'avoir un aperçu du mouvement de la glace au sein des orages avec des limitations dues à l'atténuation du signal lors de la traversée des zones denses en cristaux dans les orages. Même si la mission EarthCare permet d'apporter une description verticale bien détaillée sa fauchée est limitée (de l'ordre du km) et sa probabilité de capturer la convection est finalement assez faible.
L'idée sous-jacente à la mission spatiale C2OMODO (Convective Core Observations through MicrOwave Derivatives in the trOpics [5]) du CNES est de mesurer la dynamique convective avec un tandem de radiomètres micro-ondes jumeaux, se suivant avec un léger décalage temporel (<2min), en utilisant les variations rapides de la température de brillance (TB) mesurée TB/t comme indicateur du mouvement vertical de la glace au sein des orages [6]. L'horizon de lancement C2OMODO est actuellement en 2030.
A l'heure actuelle, différentes approches numériques sont définies pour obtenir les informations visées au niveau 2 : partition convection/enclume des scènes observées, distribution verticale des hydrométéores glacés et son évolution temporelle et vitesse verticale de la glace [6]. Il est également attendu qu'un radar Doppler (Precipitation Measurement Mission, PMM) sera opéré par l'agence japonaise JAXA en coïncidence immédiate avec C2OMODO. Une synergie algorithmique entre le tandem C2OMODO et PMM est d'ailleurs à l'étude dans l'équipe scientifique française du projet. Tous les développements et tests sont menés sur des simulations numériques de très fine résolution spatiale (< 1km) associées à des campagnes de mesures où des instruments actifs aéroportés (lidar, radar) ont été déployés.

Le projet doctoral se place au sein de l'équipe française en charge des développements algorithmiques pour les niveaux 2 et de leur évaluation (LSCE et LATMOS), et se fera en lien avec le reste des scientifiques impliqués dans la mission (LEGOS, LaMP, CNRM, LAERO) que ce soit pour les aspects d'exploitation des données (météo, climat) ou pour des approches de fusion de données combinant d'autres missions qui seront en opérations en même temps que C2OMODO.
Des échanges avec Météo-France ont montré leur intérêt de l'assimilation des mesures pour la prévision et la campagne de cal/val définie par le projet doctoral sera une excellente opportunité de test de performances.
Enfin, la synergie C2OMODO/PMM, impliquant une coordination CNES et JAXA, est particulièrement importante pour le succès scientifique de la mission.

Programme de travail envisagé (adapté aux points d'avancements et aux contraintes rencontrées) :
Année 1 : prise en main de l'ensemble des produits de C2OMODO et de leurs spécificités ; revue exhaustive des moyens de mesures permettant de valider les différents produits ; définition d'un module de comparaison t vs volume instantané ; analyse des données de la base de simulations km ; définition des scènes critiques (ex: limites de détection)
Année 2 : Mise en place d'une stratégie de cal/val : veille sur les campagnes passées/prévues et les autres missions satellites ; réflexion autour d'un partenariat de déploiement d'instruments avec la JAXA ; limites instrumentales ; réflexions sur les régions de campagnes stratégiques
Année 3 : définition d'une stratégie dédiée à C2OMODO avec l'organisation d'un déploiement pré-lancement pour évaluer la stratégie

Ingénieur/Master en télédétection / observation de la Terre / traitement du signal et de l'image / électromagnétisme / micro-ondes, ou mathématiques appliquées/physique.
Bon niveau en programmation (Python ou R), français et anglais requis.