Etude des émissions de gaz à effet de serre par les feux de biomasse par observation satellitaire

Study of greenhouse gas emissions from biomass fires by satellite observation

• Auteur / Autrice : Victor Bon
• Direction : Cyril Crevoisier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 03/10/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMD - Laboratoire de Météorologie Dynamique

Mots clés

Mots clés libres

Feux de biomasse

Gaz à effet de serre

Observations satellitaires

Biomass burnings

Greenhouse gas

Satellite observations

Résumé

Contexte de travail : Le LMD étudie le climat, la qualité de l'air et les atmosphères planétaires, à travers une combinaison d'approches théoriques, d'innovations instrumentales, de collecte d'observations, d'analyse de données, en particulier de données satellitaires, de développements conceptuels et de modélisation numérique. Le doctorant rejoindra l'équipe ABC(t) du LMD, qui est spécialisée dans la préparation et l'exploitation des missions spatiales, à la fois passives (IASI, IASI-NG, AIRS, IIR, Flex, MicroCarb) et actif (Merlin) ainsi que dans la recherche et le développement instrumental. Au fil des années, l'équipe a développé une chaîne complète de traitement des données satellitaires qui comprend : (i) la gestion et le développement de la base de données spectroscopique GEISA ; (ii) la gestion et le développement de modèles de transfert radiatif vers l'avant) ; (iii) le développement de codes de transfert radiatif inverse pour étudier différents Variables Climatiques Essentielles : nuages, aérosols, propriétés de surface et gaz à effet de serre (CO2, CH4, CO et N2O) ; (iv) les activités de validation, qui sont essentielles pour fournir des séries temporelles robustes sur le long terme robustes d'ECV. Projet de thèse : Les feux de biomasse sont l'une des composantes principales du système climatique, notamment du cycle du carbone. Les feux émettent de nombreux gaz traces, en premier lieu du dioxyde de carbone (CO2), du monoxyde de carbone (CO) et du méthane (CH4). De fortes relations entre variabilité climatique, feux de biomasse et taux de croissance de ces gaz traces ont été mises en évidence. Cependant, l'impact précis des feux de biomasse sur le climat reste mal connu. C'est particulièrement le cas des feux tropicaux : très peu d'observations in situ sont disponibles dans la zone tropicale alors que cette région est responsable à elle seule de plus de 75% des émissions annuelles ! Dans les modèles de climat, le calcul des émissions par les feux de biomasse fait intervenir l'étendue de la surface brûlée, la quantité de combustible disponible et l'efficacité de combustion, le tout intégré à l'échelle spatio-temporelle considérée. Cependant, l'estimation des surfaces brûlées, généralement réalisée à partir d'observations spatiales (par exemple à partir de MODIS ou ATSR), est le paramètre le plus incertain et limite fortement la construction d'inventaire des émissions. Un second problème majeur limitant l'estimation des émissions provient de l'incertitude associée au transport vertical des émissions lors d'événements de pyro-convection, mais aussi de la difficulté qu'ont les modèles à reproduire l'évolution des gaz traces au cours du transport dans les panaches de feux. Les observations satellitaires hyperspectrales réalisées par le sondeur infrarouge IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) apportent une réponse satisfaisante à ces différents problèmes. Elles permettent une observation globale et continue, et offrent la possibilité de suivre simultanément l'évolution atmosphérique des trois principaux gaz traces émis par les feux, le CO2, le CO, et le CH4. Or, ces gaz traces présentent des sources à la surface à la fois similaires (notamment les feux de biomasse) et distinctes. Par conséquent, la prise en compte simultanée des corrélations existant entre ces différents gaz peut apporter des informations importantes sur leurs sources et leurs puits, ainsi que sur l'effet des phénomènes de transport sur leurs distributions. Près de quinze années d'observation IASI, réalisées de jour et de nuit, sont désormais disponibles. L'objectif de cette thèse est d'étudier la variation diurne des émissions de gaz à effet de serre par les feux de biomasse dans la région tropicale et de relier leur évolution à celle de diverses variables climatiques et écologiques (humidité des sols, végétation). Ces travaux s'appuieront sur les observations de gaz à effet de serre réalisées deux fois par jour par le sondeur infrarouge à haute résolution spectrale IASI du CNES, pour lequel l'enjeu sera d'extraire la signature diurne des émissions de feux de biomasse des observations réalisées de jour et de nuit. Ils feront également appel aux observations d'autres instruments opérant dans le visible (MODIS, pour la végétation et la détection des « points chauds » indicateurs de feux) et les micro-ondes (GRACE, pour l'humidité des sols), dans le but de corréler les variations des émissions avec diverses signatures climatiques.

Work Context: The LMD studies climate, air quality, and planetary atmospheres through a combination of theoretical approaches, instrumental innovations, observational collection, data analysis, particularly of satellite data, conceptual developments, and numerical modeling. The PhD student will join the ABC(t) team of the LMD, which is specialized in the preparation and exploitation of space missions, both passive (IASI, IASI-NG, AIRS, IIR, Flex, MicroCarb) and active (Merlin), as well as in research and instrumental development. Over the years, the team has developed a complete satellite data processing chain that includes: (i) management and development of the GEISA spectroscopic database; (ii) management and development of forward radiative transfer models); (iii) development of inverse radiative transfer codes to study different Essential Climate Variables: Clouds, Aerosols, Surface Properties, and Greenhouse Gases (CO2, CH4, CO, and N2O); (iv) Validation activities, which are essential to provide robust long-term time series of ECV. Thesis Project: Biomass fires are one of the major components of the climate system, including the carbon cycle. Fires emit many trace gases, primarily carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO) and methane (CH4). Strong relationships between climate variability, biomass fires and the growth rate of these trace gases have been demonstrated. However, the precise impact of biomass fires on climate remains poorly understood. This is particularly the case for tropical fires: very few in situ observations are available in the tropical zone, even though this region alone is responsible for more than 75% of annual emissions! In climate models, the calculation of emissions from biomass fires involves the extent of the area burned, the amount of fuel available and the combustion efficiency, all integrated at the spatio-temporal scale considered. However, the estimation of the burned area, usually based on spatial observations (e.g. from MODIS or ATSR), is the most uncertain parameter and strongly limits the construction of an emission inventory. A second major problem limiting the estimation of emissions comes from the uncertainty associated with the vertical transport of emissions during pyro-convection events, but also from the difficulty for models to reproduce the evolution of trace gases during transport in fire plumes. The hyperspectral satellite observations made by the IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) provide a satisfactory answer to these different problems. They allow a global and continuous observation, and offer the possibility to follow simultaneously the atmospheric evolution of the three main trace gases emitted by fires, CO2, CO, and CH4. However, these trace gases have both similar (especially biomass fires) and distinct sources at the surface. Therefore, simultaneous consideration of the correlations between these different gases can provide important information on their sources and sinks, as well as on the effect of transport phenomena on their distributions. Nearly fifteen years of IASI observations, carried out during the day and at night, are now available. The objective of this thesis is to study the diurnal variation of greenhouse gas emissions from biomass fires in the tropical region and to relate their evolution to that of various climatic and ecological variables (soil moisture, vegetation). This work will be based on the greenhouse gas observations made twice a day by the CNES IASI high spectral resolution infrared sounder, for which the challenge will be to extract the diurnal signature of biomass fire emissions from the day and night observations. They will also use observations from other instruments operating in the visible (MODIS, for vegetation and detection of fire-indicating ''hot spots'') and microwave (GRACE, for soil moisture) wavelengths, in order to correlate emission variations with various climate signatures.