ROMEO: Radio Occultation pour l'Observation des Méga Feux // ROMEO: Radio Occultation for Mega Fire Observation

Dans le contexte du réchauffement climatique, des événements de feux de forêt extrêmes, communément appelés « méga feux », peuvent survenir lors d'événements météorologiques extrêmes combinés (par exemple une canicule associée à un déficit hydrique). Ceux-ci sont amenés à devenir plus fréquents et plus intenses [1]. Cette nouvelle situation devrait accentuer l'activité des feux de forêt et étendre les zones sensibles au feu vers le nord et dans les régions montagneuses, ainsi que prolonger la saison des incendies [2]. Ce contexte pose de sérieuses difficultés pour la sécurité civile et l'adaptation de la société.

Un phénomène extrême lié aux méga feux est la formation de cellules convectives, qui peuvent conduire à la formation du nuages dits pyrocumulonimbus (pyroCb) [3]. Ces nuages peuvent occasionner des orages et ré-allumer de nouveaux foyers, rendant la scène de feux de forêt très complexe et extrêmement difficile à prévoir. Le feu de Pedrógão Grande au Portugal en 2017 a été particulièrement dramatique en raison d'un pyroCb [4] qui a radicalement modifié la direction et l'intensité de la propagation du feu. Ce feu additionnel a traversé une voie d'évacuation, conduisant à 66 décès.

La formation de pyroCb est un phénomène mal compris [5]. Dans le projet ROMEO, nous proposons d'utiliser la radio occultation (RO), un système mondial de surveillance atmosphérique satellite-à-satellite, pour sonder l'intérieur des panaches de feu de forêt. Cette technique pourrait améliorer notre compréhension des pyroCb, et potentiellement fournir des alertes en temps réel aux opérations de secours au sol pour prévoir le développement de feux de forêt extrêmes.

État-de-l'art Le principe de la radio occultation (RO) est le suivant : un satellite en orbite basse terrestre (LEO) – le récepteur – est vu par le transmetteur au bord de l'occultation derrière la planète. Par conséquent, le signal électromagnétique traverse l'atmosphère de la planète, ce qui fournit des informations sur ses caractéristiques. Le signal radiofréquence mesuré par le satellite LEO est traité pour obtenir le profil de réfractivité observé pendant l'occultation. Finalement, à partir de ce profil de réfractivité, les profils de température et d'humidité sont dérivés. La radio occultation est une technique bien maîtrisée pour le sondage atmosphérique sur Terre – en utilisant les signaux d'opportunité GNSS – et sur des corps célestes (Mars, Vénus, Titan, etc.).

Le traitement opérationnel des données RO est aujourd'hui basé sur des techniques analytiques telles que la transformée d'Abel [6] ou les transformées canoniques [7], qui supposent une propagation électromagnétique modélisée par des rayons. De plus, pour que ces méthodes d'inversion soient valides, l'atmosphère est supposée à symétrie azimutale tout au long de l'occultation. Cependant, cette hypothèse n'est plus vraie lorsqu'un événement météorologique ou climatique extrême est sondé, ce qui entraîne un échec de l'inversion. La présence de forts gradients verticaux de conditions atmosphériques peut également conduire à des inversions erronées.

Ainsi, le but du projet ROMEO est de prolonger la RO aux feux de forêt et plus généralement aux événements météorologiques extrêmes. Pour ce faire, il est nécessaire de dépasser les techniques aujourd'hui implémentées. La thèse SPARROW, qui s'achève en 2026, a permis le développement de l'outil ROoSTER (Simulateur de radio occultation pour l'atmosphère extrême). Ce dernier, basé sur une modélisation complète («full-wave») de la propagation électromagnétique, peut reproduire les données reçues par un satellite RO en tenant compte de n'importe quelle atmosphère complexe [8]. Cet outil a été validé en reproduisant les données de radio occultation mesurées par RO lors du feu de Pedrógão Grande, de l'émetteur jusqu'à la sortie du récepteur, à l'aide de simulations à grande échelle du feu [9] pour alimenter la méthode de propagation électromagnétique [10].
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In the context of climate change, extreme wildfire events, often referred to as ‘megafires', may occur under compound weather extreme events, which are known to be more frequent and more intense [1]. This situation is expected to intensify wildfire activity and extend fire-prone areas northwards and to mountains, as well as to further lengthen the fire season [2].

One extreme phenomenon associated with megafires is the formation of convective cells, which can lead to pyrocumulonimbus (pyroCb) clouds [3]. These clouds can create storms and reignite new fires. The Pedrógão Grande wildfire in Portugal in 2017 was particularly dramatic due to a pyroCb [4], which radically modified the direction and intensity of the fire spread, causing it to cross an evacuation route, resulting in 66 casualties.

The formation of pyroCb clouds is a poorly understood phenomenon [5]. In the ROMEO project, we propose to use radio occultation (RO), a global satellite-to-satellite atmosphere monitoring system, to probe the interior of wildfire plumes. This technique could improve our understanding of pyroCb, and potentially provide real-time warnings to ground-based operations to anticipate the development of extreme wildfires.

RO principle is the following: a low-elevation-orbit (LEO) satellite – the receiver – is seen by the transmitter at the limit of occultation behind the planet. Therefore, the electromagnetic signal crosses the atmosphere of the planet. The signal measured by the LEO satellite is processed to obtain the refractivity profile observed during the occultation. The temperature and humidity profiles are finally derived from this refractivity profile. RO is a well-mastered technique for atmospheric sounding on Earth using GNSS as opportunity signals and on other bodies (Mars, Venus, ...).

The operational processing of RO data is based on analytical techniques such as the Abel transform [6] or canonical transforms [7], which assume ray-based propagation. Moreover, these inversion methods assume an azimuthal symmetry of the atmosphere all along the occultation. Yet, this assumption is no longer valid when an extreme weather or climate event is sounded.

The goal of the ROMEO project is to extend RO to wildfires and more generally to extreme weather events. As a first step, overcoming ray-based propagation techniques has been achieved, which led to the development of the ROoSTER tool (Radio Occultation Simulation Tool for Extreme atmospheRes). This tool can reproduce data received on a RO satellite, taking into account any complex atmosphere [8]. This tool was validated by reproducing the RO data measured during the Pedrógão Grande wildfire using large-eddy simulations of the fire [9] to feed the electromagnetic propagation method [10].

In the ROMEO project, the ROoSTER tool will constitute the basis for the development of an inversion. The objective is to get the values of key variables inside the fire plume, and detect the presence of ice within the plume, which is characteristic of pyroCb development. In the addressed three-dimensional full-wave scenario, inversions based on analytical developments can no longer be applied. Numerical optimization-based techniques will be explored.

For the detection of hydrometeors, polarimetry is classically used. This detection technique consists in inferring the presence of water or ice in suspension from the phase difference between the two orthogonal linear polarizations of a circularly-polarized incoming wave. This technique is now implemented in RO for rain study [6]. A polarimetric module could be implemented in the RooSTER tool to address this type of system for the detection of ice in the fire plume.

The planned co-supervision includes experts from electromagnetic propagation, mathematical optimization, and wildfire modeling, and guarantees that the topic is covered in all its scientific and operational aspects.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Programmes ministériels spécifiques

Ecole Nationale de l'Aviation Civile

323 GEETS - Génie Electrique Electronique,Télécommunications et Santé : du système au nanosystème

Etudiant master ou école d'ingénieurs en mathématiques, physique ou sciences de l'atmosphère
Master student in Mathematics, Physics or Atmospheric science Applicant must be European