Lidar vapeur d'eau pour la mesure de l'isotope HDO dans la basse troposphère – WaVIL

L'objectif global de la proposition est de développer un lidar à absorption différentielle compact, transportable pour mesurer la concentration de l’isotope de la vapeur d’eau HDO, avec une grande résolution spatio-temporelle dans la basse troposphère et une précision sans précédent. Le lidar vapeur d’eau et isotope est un instrument unique, novateur qui, pour la première fois, va permettre de mesurer les profils de vapeur d'eau et d'abondance isotopique pour faire progresser les connaissances sur le cycle de l'eau à des échelles pertinentes pour la météorologie et le climat.

Le lidar Vapeur d’eau et isotope dont le développement est proposé permettra de mesurer le rapport de mélange de vapeur d’eau, le rapport de mélange de HDO ainsi que l’abondance relative en HDO (désignée comme dD dans la suite) depuis la surface, en visée au zénith. Le système lidar sera conçu pour être opérationnel dans divers régions climatiques, i.e. des tropiques aux régions polaires. Les performances instrumentales visées sont une erreur absolue inférieure à 6‰ pour dD dans les couches limites atmosphériques (CLA) tropicales et aux moyennes latitudes et inférieure à 12‰ dans la CLA polaire. Les résolutions verticale et temporelle seront de l’ordre de 100 m et 10 minutes. Les mesures de dD dans la troposphère libre (et sous 3-4 km) seront faites avec une erreur absolue meilleure que 20‰ avec les mêmes résolutions verticale et temporelle. Les précisions attendues sont meilleures ou équivalentes à celles obtenus avec d’autres instruments de télédétection passive MAIS avec une bien meilleure résolution verticale. De plus, le système WaVIL permettra de mesurer le rapport de mélange de vapeur d’eau avec une erreur statistique relative inférieure à 1% sous 3 km (moins de 5‰ dans la CLA). Aux moyennes latitudes, cela se traduit en une erreur inférieure à 0.1 g kg-1 (moins de 160 ppmv). La précision de 1% imposée sur les mesures de H2O dans la basse troposphère ouvrira la voie vers la détection d’autre gaz à effet de serre d’importance pour le climat (CH4 et CO2).

Les mesures isotopiques précises et à haute résolution de WaVIL permettront d'améliorer notre compréhension du bilan de la vapeur d'eau (en permettant la séparation des sources naturelles et anthropiques) ainsi que le cycle de vie de la convection peu profonde dans une variété de région climatique (des tropiques aux pôles). Cela se fera en permettant une détermination sans équivoque de l'origine des masses d'air associés à chacun des processus qui contribuent au maintien ou à la disparition des nuages au cours de leur cycle de vie. Les séries temporelles longues de profils de dD hautement précis et verticalement résolues de dD mesurées par le lidar WaVIL seront d'une importance primordiale pour relever ce défi en synergie avec les modèles. Ils contribueront à améliorer la représentation explicite et / ou sous-grille de ces processus dans les modèles de méso-échelle, régionales et climatiques.

En outre, des observations faites avec le système de lidar WaVIL permettront de faire avancer l'interprétation des mesures de télédétection actuelles et futures des isotopes depuis l'espace, ainsi que de réduire les biais et les incertitudes associés à ces produits. L’obtention de produits fiables de l'abondance des isotopes issus de l’observation spatiale sont d’une grande importance afin d’analyser et de mieux comprendre l'impact des changements climatiques sur le cycle de l'eau.

Les observations de H2O/HDO obtenues par lidar contribueront à faire progresser les connaissances sur les processus d'évaporation à la surface, d’évapotranspiration par les écosystèmes, de mélange vertical et latéral dans l'atmosphère, de condensation lors de la formation de nuages et des changements de phase de l'eau, des processus qui sont actuellement très difficiles à observer au moyen d'instruments in situ.