Motivations

Les aérosols atmosphériques affectent la qualité de l’air que nous respirons et le climat de notre planète. La diversité et la variabilité de leurs propriétés optiques et physico-chimiques, ainsi que leur localisation dans l’atmosphère compliquent leur quantification, leur surveillance ainsi que l’évaluation de leurs différents impacts. La compréhension des mécanismes qui les impliquent repose principalement sur leur observation dans leur environnement naturel. Les observations par télédétection passives réalisées par les photomètres automatiques du réseau AERONET, riches en information, nous informent sur les propriétés moyennes des aérosols sur la colonne atmosphérique, principalement dans la couche limite, parfois dans la troposphère libre et plus rarement dans la stratosphère. Elles ne donnent cependant pas accès à l’altitude de ces diverses couches de particules. A l’inverse, des systèmes de télédétection actifs tels que les LIDAR nous informent en premier lieu sur l’altitude des couches particulaires et, selon les caractéristiques et performances instrumentales, et permettent de mesurer, au sein de ces couches, certaines de leurs propriétés. Les observations passives et actives sont donc très complémentaires, et leur combinaison ou synergie, considérée dans le Groupe de Travail, permet d’améliorer notre connaissance des propriétés aérosols colonne et profils. Plusieurs algorithmes et filières de traitements ou d’exploitation ont été développés (cf section filières) au niveau national (Mortier et al., 2013) et européen (Lopatin et al., 2013) dans le cadre d’ACTRIS-2. Le Groupe de Travail a pour objectif la documentation de la variabilité saisonnière et interannuelle des variables atmosphériques essentielles décrivant les propriétés des aérosols sur l’ensemble de la colonne atmosphérique et sur l’ensemble des sites de mesures du périmètre d’intérêt national. Les techniques de mesures concernées sont principalement les photomètres automatiques du réseau AERONET et les LiDAR. Les LiDAR se déclinent en version automatique de faible puissance/moyenne (ceilomètre ou télémètre, micro LiDAR souvent mono-longueur d’onde) jusqu’aux LiDAR de forte puissance, multi-longueur d’onde, Raman, ayant des niveaux d’automatisation variables et croissants. La couche limite atmosphérique, n’étant jamais intégralement sondée par le LiDAR, l’intégration de mesures aérosols optiques in situ sol (GT Aerosol-in Situ), prévue par les filières de traitements (voir la section Filières), permet d’étendre la profil aérosols jusqu’au sol et améliore et renforce la cohérence entre mesures colonne, profil et in situ. Pour bénéficier à la communauté, le cycle complet des données doit être assuré (production de données brutes en continu si possible, leur soumission au fil de l’eau vers le Centre de données et traitement (Pôle AERIS), leur étalonnage, leur contrôle qualité, puis leur exploitation par l’application d’algorithmes complexes (filières) donnant accès aux propriétés/variables aérosols recherchées et, à la fin de cycle, à leur mise à disposition pour communauté.  Les activités du GT visent à développer les liens avec d’autres réseaux et acteurs de l’observation, en valorisant, par exemple, les données du réseau de LiDAR automatiques de Météo France. Le GT en bref :
  • Suivi instrumental (opération, jouvence, automatisation de la mesure)
  • Suivi des mesures (QC, campagnes d’inter-comparaison)
  • Implémentation, automatisation des traitements, suivi des filières en lien vers AERIS
  • Valoriser, documenter les données, résultats, les rendre visibles
  • Diffusion d’alerte en cas d’événement aérosols extrêmes
  • Encourager les travaux/publications communes
  • Intégration européenne, avec CARS/ACTRIS-RI
  • Partenariat avec d’autres acteurs (MF, UMS SAFIRE, EARLINET/ACTRIS (Europe),…)
Contact email : aerosol3d-gt1-actris@univ-lille.fr

Sites de mesure (ou plateformes d’observation)

L’IR ACTRIS-FR est riche de plusieurs sites de mesure répartis du nord au sud de la métropole, sous les tropiques nord (Dakar), sud (La Réunion), en Sibérie (Tomsk) et Arctique (Alomar). Chacun de ces sites est représentatif d’un écosystème, d’expertise spécifique et d’un potentiel instrumental riche offrant un niveau d’automatisation croissant. Moyens Mobiles :

Instruments

Photomètre et propriétés intégrées sur toute la colonne d’atmosphère

Depuis le début des années 1990, le réseau AERONET met en œuvre des photomètres solaires, puis lunaires automatiques et sur tous les continents. En évolution continue, le réseau se caractérise par un haut niveau de standardisation: homogénéité instrumentale (photomètre CIMEL CE318T) ; acquisition, transfert des données automatiques ; autonomie grâce à des panneaux solaires; procédures d’étalonnage rigoureuses et annuelles ; traitement des données centralisé ; beaucoup de contrôle qualité automatiques et supervision quotidienne/hebdomadaire par les scientifiques. Cet instrument possède deux modes de mesure. En visée solaire (resp. lunaire) directe, le photomètre mesure l’extinction du faisceau solaire (resp. lunaire) due à l’atmosphère afin de quantifier l’épaisseur optique en aérosols (souvent appelée AOD) dans un intervalle spectral principalement compris entre 340 et 1640 nm. L’AOD est indicative de la teneur en aérosols. Un second mode mesure une fraction du diagramme de luminance atmosphérique descendante (dans l’Almucantar, le plan principal solaire ou combinaison des deux) et permet, à l’aide d’algorithmes élaborés (Dubovik et al., 2006 ; 2011), souvent nommées « code d’inversion », d’accéder aux propriétés optiques et microphysiques moyennes de la couche d’aérosols telles que la distribution en taille, l’indice de réfraction complexe lié à la composition chimique, et la fraction de particules sphériques, etc (voir la liste des variables). Le photomètre est composé d’une tête optique installée sur un robot contrôlé par un boitier de commande alimenté par des panneaux solaires. La transmission des données, leurs traitements et leur diffusion sont faits en Near Real Time (< 1h). Depuis 2015, des versions photomètres mobiles permettent des mesures automatiques sur avion, voiture, bateau (Popovici et al., 2018).

Les LiDAR et la répartition verticale des couches d’aérosols

La communauté française dispose de plusieurs systèmes LiDAR-aérosols permettant de profiler les aérosols depuis la surface (à quelques dizaines ou centaines de mètres prés) jusqu’à la stratosphère. Il s’agit de LiDAR à rétrodiffusion élastique et/ou Raman dont la portée et la résolution verticale (7 à 15 m) permettent de préciser la manière dont les éléments diffusants sont distribués sur la verticale et dans le temps et l’espace. Selon leurs caractéristiques instrumentales, les LiDAR peuvent mesurer la puissance laser rétrodiffusée selon un processus de diffusion élastique (Mie/Rayleigh) ou inélastique (Raman). L’exploitation de ces mesures permet idéalement de déterminer les profils verticaux du coefficient d’extinction aérosols (a), de rétrodiffusion aérosols (b), tous deux dépendants de la concentration en particules (paramètres « extensifs »). Le rapport entre ces deux grandeurs optiques, appelé un peu abusivement « rapport LiDAR » et plus justement « extinction-to-backscatter ratio », n’est pas dépendant de la concentration mais de la nature, dimension et forme de l’aérosol (paramètre « intensif »). De plus, certains LiDAR mesurent la puissance laser rétrodiffusée dans deux directions de polarisation, respectivement parallèlement et perpendiculaire à la direction de polarisation du faisceau laser émis. La puissance radiative rétrodiffusée dans la direction perpendiculaire est généralement très faible, voire nulle, et augmente notablement lorsque la forme des particules s’écarte de la sphère. Le rapport entre ces deux puissances est appelé dépolarisation linéaire volumique et peut être utilisé pour identifier la présence de particules non sphériques telles que cristaux de glace ou d’aérosols d’origine désertique ou volcanique (VLdP), par exemple. Enfin, les propriétés de l’aérosol ambiant étant fonction de ses propriétés hygroscopiques et de l’humidité atmosphérique, certains systèmes LIDAR permettent, de manière complémentaire, de mesurer le profil vertical du rapport de mélange de la vapeur d’eau (voir GT 4) et apportent, ainsi, une information précieuse pour interpréter l’évolution observée des propriétés aérosols.

Variables

Les instruments opérant sur les sites nous donnent accès, après traitement, à un certains nombre variables descriptives des aérosols, soit individuellement (le photomètre seul par exemple), soit par combinaison des mesures du LiDAR et du photomètre. Deux types de traitement existent, d’une part les traitements automatisés, pouvant produire ces ou certaines de ces variables en temps quasi-réel, sous réserve de soumission des mesures dés leur acquisition. D’autre part, pour les instruments les plus complexes, une partie des traitements ne peut encore être faite en routine mais fait appel à l’expert ou scientifique directement (analyse de cas d’étude typiquement). Nous listons les principales variables actuellement produite en quasi-temps réel, en distinguant les mesures ou variables primaires, des variables résultantes de l’inversion de ces mesures primaires et celles qui peuvent en être déduites. Nous indiquons également celles qui sont produite à la demande, par l’expert (*). Les données sont produites avec plusieurs niveaux de qualité (brute QC, filtré des nuages et QC, et QA).
  • Photomètre seul (variables « colonne »)
Variables primaires : AOD (extinction) de jour et nuit, luminance voire polarisation – Variables résultant de l’inversion
  • Distribution en taille et 6 paramètres de la distribution (fin, grossier)
  • Indice de réfraction complexe (total, modes fin et grossier);
  • Fraction non sphérique
Variables calculées à partir des variables inversées (code forward)
  • AOD extinction, de diffusion, d’absorption
  • Albédo de diffusion simple (SSA)
  • LiDAR ratio, dépolarisation ratio, fonction de phase, paramètre d’asymétrie
  • Flux et forçage radiatifs aérosols
Incertitude sur les variables 
  • LiDAR seul (variables « profil », voire colonne ou colonne partielle). Les variables aérosols accessibles dépendent du nombre de longueurs d’onde, de la présence ou pas de voies Raman, principalement utilisable la nuit.
– Variables primaires :
  • Profils de signal rétrodiffusé atténué (voie élastique/Raman) voire polarisé (RCS)
  • Profil de dépolarisation volumique
– Variables résultant d’inversion-s :
  • Profil d’extinction et de rétrodiffusion, pour un rapport LiDAR imposé (voie élastique)
  • Profil d’extinction, de rétrodiffusion et du rapport LiDAR (voir Raman/Elastique), nuit(*)
  • Profil de dépolarisation particulaire (*)
  • Profil de rayon effectif, d’indice de réfraction (algorithme non automatique)(*)
 
    • Photomètre et LiDAR combiné (profil, colonne) Les variables aérosols accessibles dépendent du nombre de longueurs d’onde, de la présence ou pas de voies Raman principalement utilisables la nuit.
– Variables primaires : celles du photomètre et du LiDAR (voie-s élastique-s) – Variables résultant d’inversion-s :
    • Distribution en taille (colonne) et 6 paramètres de la distribution (fin, grossier)
    • Indice de réfraction complexe (colonne, total, modes fin et grossier);
    • Fraction non sphérique (colonne)
    • Profil de la concentration en aérosol (total si LiDAR mono-longueur d’onde, modes fin et grossier, si multi-longueur d’onde)
– Variables calculées à partir des variables inversées (déclinable en mode fin, grossier et total, si LiDAR multi-longueur d’onde)
    • Profil d’AOD extinction, de diffusion, d’absorption
    • Profil des coefficients d’extinction, de diffusion et d’absorption
    • Profils du coefficient d’Angström d’Extinction  et de rétrodiffusion
    • Profil d’albédo de diffusion simple (SSA)
    • Profil du LiDAR ratio, du rapport de dépolarisation
– Incertitude sur les variables (en cours d’élaboration pour la partie profil)

QC-QA

Les activités QC/QA sont intégrées dans le Centre d’Expertise AERONET pour les photomètres et, pour le moment, aux niveaux des sites de mesures les LiDAR et du Data Center.

Filière de traitements

Plusieurs filières sont intégrées et fonctionnelles, d’autres en cours d’intégration dans le Pôle AERIS. Le pôle AERIS accueille aussi les données issues de filières externes, comme AERONET (production NASA et production LOA).
  • Filière BASIC (resp. P. Goloub, I. Popovici, A. Mortier, N. Pascal, N. Miladi). Cette filière traite en routine les données des LiDAR mono-longueur d’onde associé ou pas à un photomètre. Elle produit les profils d’extinction aérosols, de jour et de nuit, et un rapport LiDAR colonne. Elle fournit également une détection nuageuse, une estimation de hauteur de couche limite et celle de la plus haute couche d’aérosols.
  • Filière STRAT (Resp. M. Haeffelin). Elle détermine la hauteur de couche limite et la détection des couches aérosols et nuages.
  • Filière GARRLiC (resp. P. Goloub, A. Lopatin, Q. Hu, N. Pascal, L. Miladi). Cette filière, en cours d’implémentation dans le cadre national et européen, inverse simultanéement toutes les mesures primaires photométriques et LiDAR (limité aux voies élastiques pour le moment). Elle produit les variables colonnes photométriques et profils avec distribution verticale sur 60 points.
  • Filière GRASP-AOD (resp. B. Torres, I. Popovici, P. Goloub). Cette filière implémentée à AERIS s’applique aux données photométriques AOD et produit la distribution en taille aérosols, jour comme nuit.

Highlights

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