Développement d’un algorithme de restitution des propriétés des aérosols atmosphériques en utilisant la synergie du spectre solaire et infrarouge thermique

Development of an algorithm for retrievals of atmospheric aerosol properties using synergy of solar and thermal IR spectrum

• Auteur / Autrice : Marcos Herreras Giralda
• Direction : Oleg Dubovik, Yevgeny Derimian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre, enveloppes fluides
• Date : Soutenance le 28/04/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique Atmosphérique (LOA)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Brogniez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pavel Litvinov, René Preusker, Roberto Román, Stéphane Victori
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cathy Clerbaux, Jeffrey Reid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vapeur d'eau atmosphérique

Transfert radiatif

Inversion (géophysique)

Mesure

Rayonnement infrarouge

Rayonnement solaire -- Mesure

Poussières minérales

Propriétés optiques

Composition chimique

Aérosols atmosphériques

Mots clés libres

Infrarouge Thermique

Aerosol

Inversion

Thermal Infrared

Résumé

La connaissance et le suivi de la composition chimique des aérosols atmosphériques sont très importants pour la compréhension et l'évaluation du climat, des processus environnementaux et de la qualité de l'air. La composition des aérosols détermine l'efficacité des interactions avec les nuages, l'interaction directe avec le rayonnement, l'évaluation de « Particulate Matter » (PM) et l'impact sur l'écosystème marin après le dépôt des aérosols. Les poussières minérales représentent la deuxième, après les aérosols marins, plus grande fraction des émissions des aérosols. L'effet radiatif net de la poussière atmosphérique dépend de sa composition minéralogique. La grande variété de la minéralogie du sol détermine la variabilité de la composition des poussières atmosphériques, mais un lien direct entre les deux n'est pas évident. L'objectif de cette thèse est d'établir un cadre pour la restitution cohérente des propriétés optiques des aérosols atmosphériques et des composants des aérosols en utilisant la synergie des mesures solaires et infrarouges thermiques (TIR). L'implémentation de ce développement est faite dans le cadre de l'algorithme GRASP (Dubovik et al., 2021). La synergie entre les deux parties des spectres vise à améliorer la sensibilité aux propriétés microphysiques des aérosols et de caractériser plus finement les composants minéralogiques de la poussière, par exemple en séparant les fractions de quartz et d'argile. Le développement présenté est une extension de l'approche GRASP/Component développée précédemment (Li et al., 2019). Une nouveauté importante est l'intégration de l'émission Planck dans le schéma de transfert radiatif de Ordres Successifs de Diffusion qui est employé par l'algorithme GRASP. En outre, des méthodologies line-by-line et K-Distribution pour intégrer les lignes d'absorption des gaz et une méthodologie pour traiter l'indice de réfraction très variable des aérosols minéraux dans le TIR ont été implémentées afin de remplir les objectifs. Des tests synthétiques ont été réalisés pour évaluer la précision i) de la méthodologie conçue pour les simulations de mesures d'un radiomètre infrarouge thermique et ii) de la paramétrisation réactualisée des composants de l'aérosol. En outre, une étude a été menée sur l'influence des informations supposées a priori. Une amélioration de la sensibilité aux grosses particules, une caractérisation plus fine des composants de la poussière, la restitution de la hauteur moyenne de couche des aérosols à partir de mesures passives et enfin la restitution de la concentration totale dans la colonne atmosphérique de vapeur d'eau ont été illustrées comme faisables en s'appuyant sur la synergie des mesures Solaire-TIR. Ainsi, le nouvel algorithme de restitution GRASP/Component combinant le spectre solaire-TIR a été appliqué aux mesures combinées du photomètre solaire AERONET (Holben et al., 1998) et du radiomètre infrarouge thermique CLIMAT (Legrand et al., 1999; Brogniez et al., 2003) au Sénégal. Les observations réelles, obtenues entre novembre 2020 et avril 2021 sur le site de Dakar Belair, ont été sélectionnées pour l'application de l’algorithme. Un accord important a été trouvé entre les valeurs restituées et les résultats correspondants du produit standard d'AERONET. Il a été constaté que la vapeur d'eau totale dans la colonne atmosphérique et la hauteur moyenne de couche des aérosols peuvent être restituées simultanément avec les caractéristiques des aérosols. Les restitutions ont montré une bonne corrélation avec la vapeur d'eau dérivée indépendamment par l’algorithme AERONET et un accord qualitatif a été observé avec les mesures de profils d'aérosols par un système lidar. Les étapes suivantes du travail incluent une validation plus poussée des composants d'aérosol restitués. La perspective réside dans l'application de l'algorithme à une combinaison des capteurs 3MI et IASI qui seront lancé à bord de la mission spatiale MetOp-SG A ou des missions similaires.

Knowledge and monitoring of atmospheric aerosol chemical composition is highly important for the understanding and evaluation of Earth's climate, environmental processes and air quality. The aerosol composition drives the efficiency of interactions with clouds, direct interaction of radiation with the Particulate Matter, impact on marine ecosystem after the aerosol deposition, etc.. Mineral dust represents the second, after the marine aerosol, largest fraction of the global atmospheric aerosol emissions. The net radiative effect of the atmospheric dust depends on its mineralogical composition. The vast variety of soil mineralogy determines the variability of airborne dust composition, but direct link between them is not evident. Mineralogical composition of volcanic ash is even less predictable, while has an importance for aviation safety. Finally, the fraction of aerosol hygroscopic species is determinant for aerosol cloud interactions. The objective of this thesis is to establish a framework for the combined and consistent retrieval of atmospheric aerosol optical properties and aerosol components using synergy of solar and Thermal Infrared (TIR) measurements. The implementation is done as part of the GRASP algorithm (Dubovik et al., 2021). Synergy between both parts of the spectra is expected to provide an enhanced sensitivity to aerosol microphysical properties as well as a finer characterization of the mineral dust components, e.g. Quartz and clays fractions separation. The presented development is an extension the of previously developed GRASP/Components approach (Li et al., 2019). An important update has been done on the incorporation of Planck emission into the Successive Orders of Scattering radiative transfer scheme that is employed in the GRASP algorithm. In addition, line-by-line and K-Distribution methodologies to integrate gas absorption lines and a methodology to deal with the highly varying aerosol refractive index in TIR was implemented in order to fulfill the objectives. Synthetic tests were performed to evaluate the accuracy of (i) the designed methodology for the measurements simulation of a thermal infrared radiometer and (ii) the updated aerosol components parameterization. Furthermore, a synthetic study was conducted to evaluate the influence of a priori assumed information. An enhancement of the sensitivity to the coarse mode particles, a finer characterization of the dust components, the retrieval of the Aerosol Mean Height (AMH) from passive measurements and finally the retrieval of total column water vapor concentration was illustrated as possible based on the Solar-TIR measurements synergy. Namely, the new combined solar-TIR GRASP/Components retrieval algorithm was applied to the AERONET (AErosol RObotic Network) (Holben et al., 1998) sun photometer and the CLIMAT Thermal Infrared radiometer (Legrand et al., 1999; Brogniez et al., 2003) combined measurements conducted by LOA in Senegal. The observations conducted between November 2020 to April 2021 at the Dakar Belair site were selected for the application of the Solar-TIR GRASP/Components retrieval. A high degree of agreement was found between the derived values and the corresponding standard AERONET retrievals. Moreover, it was found that the total column water vapor and AMH can be retrieved simultaneously with the aerosol characteristics. The retrievals showed good correlation with the independently derived AERONET precipitable water and a qualitative agreement with lidar aerosol profiles observations. The future steps of this work include a further validation of the retrieved aerosol components. The perspective is in the algorithm application to combined 3MI and IASI-NG sensors that will fly onboard of MetOp-SG A space mission or similar.