Evaluation de l'apport d'IASI-NG pour la caractérisation de la qualité de l'air en Europe au travers de l'ozone troposphérique

par Pierre Dauphin

Thèse de doctorat en [Chimie, pollution atmosphérique, physique, environnement]

Sous la direction de Jean-Marie Flaud et de Gaëlle Dufour.

Soutenue en 2013

à Paris 7 .


  • Résumé

    La qualité de l'air est un enjeu sociétal important et son évolution en lien avec le changement climatique reste mal évaluée. Sa surveillance est donc un objectif principal des prochaines années pour la santé publique et des écosystèmes. L'ozone, qui est un produit secondaire, lorsqu'il est présent en trop grande concentration dans la basse troposphère, a des conséquences délétères sur la santé et la végétation, il est donc important de surveiller sa concentration et de disposer des outils les mieux adaptés pour prévoir au mieux les épisodes de pollution à l'ozone. Pour surveiller et prévoir la qualité de l'air aux échelles régionales et continentales, les réseaux de surface s'avèrent insuffisants, l'information sur la distribution verticale de l'ozone devenant un élément important à prendre en compte à ces échelles. Les observations satellitaires de la composition chimique de la troposphère, qui se sont fortement développées ces dernières années, commencent à apporter une information pertinente sur l'ozone troposphérique en donnant cette composante verticale. Cependant, l'accès aux plus basses couches de la troposphère reste encore limité. Il est donc important de s'interroger et d'évaluer l'apport des futures missions satellitaires dans ce domaine. L'objectif de cette thèse porte donc sur l'évaluation du futur instrument IASI-NG, qui sera embarqué sur la plateforme MetOp-SG d'EUMETSAT aux environs 2020, pour la surveillance de la qualité de l'air en Europe. Nous nous sommes en particulier focalisés sur l'évaluation des performances de cet instrument pour mesurer l'ozone dans la basse troposphère et son impact sur les systèmes d'analyse et de prévision de la qualité de l'air. Cette évaluation a été faite en comparaison avec les performances de l'instrument IASI. Dans un premier temps, nous avons cherché à amliorer l'algorithme de restitution de l'ozone troposphérique en optimisant la sélection des fenêtres spectrales ou canaux spectraux. Nous avons élaboré une méthode permettant de sélectionner les meilleurs canaux pour la restitution de l'ozone dans la basse troposphère, c'est-à-dire contenant le maximum d'information sur l'ozone et les moins contaminés par les espèces ou paramètres interférents. Cette méthode a été appliquée à plusieurs configurations instrumentales actuelles ou futures (IASI, IASI-NG et MAGEAQ). Dans un second temps, nous nous sommes attachés à quantifier l'apport d'IASI-NG pour la caractérisation de la qualité de l'air à l'échelle européenne. Nous avons pour cela mis en oeuvre des expériences de simulation de systèmes d'observation (OSSE). Une première étape a consisté à évaluer les améliorations en termes de restitution de l'ozone troposphérique en comparaison avec IASI. On a en particulier montré qu'avec IASI-NG il sera possible de distinguer l'ozone de la basse et la haute troposphère quelque soient les conditions atmosphériques. Une deuxième étape a consisté à l'analyse des résultats des OSSEs. Le travail de thèse a en particulier montré toute l'importance de la calibration de l'OSSE pour une bonne réalisation et analyse des résultats. Nous avons montré que les observations IASI-NG, si elles sont assimilées dans des modèles de qualité de l'air, devraient améliorer la représentation des champs d'ozone simulés notamment en termes de corrélation.


  • Résumé

    Air quality is a major societal issue with severe implications on human health and ecosystems and its evolution in the climate change context is not well known. Then, monitoring of air quality is an important objective for the following years. Ozone, secondarily produced in the atmosphere, is a harmful pollutant when its concentrations in the lower troposphere become larger than some exposure thresholds. It is then important to monitor its concentrations and to have the best adapted tools to forecast pollution events. In order to monitor and forecast air quality at the regional and continental scales, surface networks are insufficient because the vertical distribution of ozone becomes a key parameter to understand its distribution even in the lowermost troposphere. Satellite observations of the tropospheric composition have been largely developed since the last decade and start to bring useful information on tropospheric ozone given the vertical component of its distribution. However, the access to the lowermost troposphere remains limited. It is then important to quantify the improvement expected with future satellite missions. The main objective of this thesis is to evaluate the future instrument IASI-NG, which will be aboard the EUMETSAT MetOp-SG platform around 2020, for the air quality monitoring in Europe. We focused on the quantification of the performances of IASI-NG to measure ozone in the lower troposphere and the impact of this future instrument on the analysis and forecast systems of air quality. This evaluation has been done in comparison with the current performances of the IASI instrument. Firstly, we worked on the improvement of the retrieval algorithm of tropospheric ozone by optimizing the spectral window selection. We developed a method that allows the selections of the best spectral channels for the retrieval of ozone in the lower tropospher, i. E. Including the maximum of information on ozone and the least contamined by interfering species or variables. This method has been applied to several instrumental configurations (IASI, IASI-NG and MAGEAQ). Secondly, we quantified the impact of IASI-NG for the characterization of air quality at the European scale. For this, we implemented Observating System Simulation Experiments (OSSEs). A first step was to evaluate the improvements of IASI-NG for the retrieval of tropospheric ozone in comparison with IASI. We show in particular, that it will be possible to separate information on ozone from the lower ant the upper troposphere with IASI-NG whatever the atmospheric conditions. A second step was the analysis of the OSSEs results. This work showed the necessity of good calibration of the OSSE in order to correctly analyze the results. We showed that the IASI-NG observations, when assimilated in air quality modelsl, should improve the description of simulated ozone fields especially in terms of correlation.

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