Sujet de thèse de doctorat (2025-2028)

Synergies multi-échelles pour la caractérisation optique, microphysique et chimique des
aérosols à partir des mesures de fluorescence lidar et in situ de la plateforme ATOLL

Dir. Thèse : Pr. Philippe Goloub (philippe.goloub@univ-lille.fr)
Co-encadrants : Dr. Qiaoyun Hu (qiaoyun.hu@univ-lille.fr)
Location : Laboratoire d’Optique Atmosphérique/Université de Lille/Département de Physique, Groupe
“Interaction Aérosol Rayonnement”
La région des Hauts-de-France, située à un carrefour où convergent des masses d’air d’origines variées,
constitue une zone particulièrement exposée au transport à longue distance des aérosols. L’observatoire
ATOLL tire parti de cette diversité d’influences, ainsi que des sources locales et régionales, en disposant
d’un jeu de données uniques permettant d’approfondir l’étude des interactions complexes entre les
aérosols locaux et transportés, tout en évaluant leur impact sur la qualité de l’air et le climat.
Grâce à des mesures continues et multi-paramètres, ATOLL joue un rôle notable pour approfondir
l’analyse et la compréhension des processus atmosphériques, dans le perfectionnement des modèles et
dans l’élaboration de stratégies de gestion de la qualité de l’air. Les données collectées sont intégrées
dans des bases de données nationales, européennes et internationales. Cette contribution renforce la
position d’ATOLL en tant qu’acteur majeur dans la recherche sur les aérosols et leur influence sur
l’environnement et le climat.
Dans ce projet, le/la doctorant/e exploitera le potentiel du lidar LIFE (Laser-Induced Fluorescence
Explorer), qui introduit une nouvelle dimension d’observation grâce à la détection de fluorescence
multispectrale. Cette technologie, testée avec succès à l’aide d’un prototype depuis 2020, offre des
informations discriminantes sur la composition chimique et les propriétés des particules (en atmosphère
claire et nuageuse), surpassant les lidars classiques. Cette approche intégrera également des observations
in situ avancées (mesures de fluorescence à l’échelle de la particule avec un capteur WIBS (coll. avec
l’Université de Clermont-Ferrand et l’entreprise DMT) et possiblement l’imagerie et l’holographie
particulaire) pour construire de meilleurs outils d’interprétation des données lidar permettant ainsi de
mieux connaître les aérosols impactant notre territoire. Ce travail consistera en la création d’une base
de données sur les caractéristiques des aérosols à partir des mesures de LIFE et in situ, ce qui implique
une bonne identification des sources d’aérosols (locales ou liées au transport longue distance) et leurs
intrusions dans la couche limite planétaire (PBL) jusqu’à la surface. Cela permettra l’amélioration de
la caractérisation des aérosols par télédétection grâce à l’intégration des mesures lidar et in situ, avec
une méthode de classification lidar validée par des données coïncidentes. Les retombées seront le
renforcement des synergies télédétection/in situ au sein d’ATOLL, le développement d’algorithmes
pour une meilleure classification, la valorisation des résultats dans la communauté ACTRIS et via les
collaborations avec les entreprises CIMEL (AGORA-Lab) et DMT. Ce projet s’inscrit dans les priorités
scientifiques du LOA dans le cadre des projets CaPPA, OBS4CLIM, AREA.

Mots clefs : Climat, qualité de l’air, aérosols, lidar, fluorescence, in situ; Financement : CaPPA/AREA
(acquis) + U-Lille (expected). Publications de l’équipe

Candidature/Application : best before April 2025 (send CV and motivation letter)

English version

Doctoral thesis topic (2025-2028)

Multi-Scale Synergies for the Optical, Microphysical, and Chemical Characterization of
Aerosols Using Lidar Fluorescence and In Situ Measurements from the ATOLL Platform

The Hauts-de-France region, located at a crossroads where air masses from various origins
converge, is particularly exposed to the long-range transport of aerosols. The ATOLL
observatory leverages this diversity, as well as local and regional sources, by maintaining a
unique dataset that facilitates the in-depth study of complex interactions between local and
transported aerosols, while evaluating their impact on air quality and climate.
Through continuous and multi-parameter measurements, ATOLL plays a significant role in
enhancing the analysis and understanding of atmospheric processes, improving models, and
developing strategies for air quality management. The data collected are integrated into
national, European, and international databases, further establishing ATOLL as a key player in
research on aerosols and their influence on the environment and climate.
In this project, the Ph.D. candidate will utilize the potential of the LIFE lidar (Laser-Induced
Fluorescence Explorer), which introduces a new dimension of observation through multispectral
fluorescence detection. Successfully tested with a prototype since 2020, this technology
provides discriminative information on the chemical composition and properties of particles (in
both clear and cloudy atmospheres), surpassing conventional lidars. This approach will also
integrate advanced in situ observations, including fluorescence measurements at the particle
scale using a WIBS sensor (in collaboration with the University of Clermont-Ferrand and DMT
company) and potentially particle imaging and holography. These will help develop improved
tools for interpreting lidar data, enabling a better understanding of aerosols impacting the
region.
The work will involve creating a database of aerosol characteristics from LIFE and in situ
measurements, which requires precise identification of aerosol sources (local or long-range
transport) and their penetration into the planetary boundary layer (PBL) down to the surface.
This will enhance aerosol characterization through remote sensing by integrating lidar and in
situ measurements, supported by a lidar classification method validated with coincident data.
Outcomes will include strengthened remote sensing/in situ synergies within ATOLL, the
development of algorithms for improved classification, and the dissemination of results within
the ACTRIS community and through collaborations with CIMEL (AGORA-Lab) and DMT
companies (technological applications). This project aligns with the scientific priorities of the
LOA, CaPPA, OBS4CLIM, and AREA projects.
Keywords: Climate, air quality, aerosols, lidar, fluorescence, in situFundings : CaPPA/AREA
(accepted) + U-Lille (expected); Related-papers
Supervisor : Pr. Philippe Goloub (philippe.goloub@univ-lille.fr)
Co-supervisor : Dr. Qiaoyun Hu (qiaoyun.hu@univ-lille.fr)
Location : Laboratoire d’Optique Atmosphérique/Université de Lille/Département de Physique, Groupe
“Interaction Aérosol Rayonnement”

Candidature/Application : best before April 2025 (send CV and motivation letter)