GT4 – Profil vertical des paramètres thermodynamique, dynamique et ozone

Motivations

Dans le contexte du changement climatique, du suivi de la qualité de l’air ou la détection d’événements extrêmes, et pour les études sur les nuages, aérosols et gaz traces, le suivi de la structure verticale de l’atmosphère est primordial. Le Groupe de Travail « Profil vertical thermodynamique, dynamique et ozone » a pour objectif la documentation de la variabilité saisonnière et interannuelle des paramètres Vent, Humidité, Température et Ozone sur l’ensemble de la colonne atmosphérique.

Sites de mesure (ou plateformes d’observation)

o Laboratoire d’Optique Atmosphérique (LOA):
o Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique (SIRTA)
o Station de recherche atmosphérique : Cézeaux –Opme- puy-de-Dôme (CO-PDD)
o Observatoire de Haute Provence (OHP)

oPlateforme Pyrénéenne d’Observation Atmosphérique (P2OA)

o Observatoire de Physique de l’Atmosphère de la Réunion (OPAR)

o Moyens Mobiles METEO-FRANCE
o Site instrumenté de la Météopole

Instruments

o Radiosondages :
Mesures in situ à partir d’une sonde sous ballon des paramètres T, U entre le sol et la basse stratosphère. Les vents et la pression sont déduits du déplacement de la sonde et de son altitude (sonde positionnée par GPS). La sonde émet avec une fréquence dédiée (~403 MHz) ses enregistrements qui sont réceptionnés puis traités par une unité appelée banc RS. Les RS peuvent être manuels, semi-auto ou automatiques.
La mesure du profil d’ozone par sonde électrochimique (ECC) embarquée sous ballon météorologique est également disponible avec une fréquence hebdomadaire entre 0 et 30 km d’altitude et une résolution verticale < 100 m.

o Stations GPS :
Les GNSS (systèmes globaux de positionnement par satellites tels que le GPS), constituent actuellement la technique de positionnement la plus utilisée. Pour la détermination précise des coordonnées d’un point donné au voisinage de la Terre, l’analyse des observations GNSS nécessite l’estimation de retards à la propagation affectant la transmission des signaux et liés, entre autres, à la teneur de l’atmosphère en vapeur d’eau. De ces retards, appelés retards troposphériques, il alors est possible de déduire le contenu intégré en vapeur d’eau atmosphérique (IWV) au-dessus d’une antenne réceptrice. Le développement continu des réseaux de stations GNSS permanentes (comme le RGP, Réseau GNSS Permanent française, http://rgp.ign.fr)permet alors de bénéficier d’un maillage très dense de sites de mesure d’IWV avec une résolution temporelle fine (5 à 30 min en général).

o Radiomètres microondes :
Ils s’agit d’instruments passifs mesurant le rayonnement émis par les différentes couches de l’atmosphère dans des bandes de fréquences principalement situées dans les raies d’absorption de l’oxygène (58 GHz) et de la vapeur d’eau (22.23 GHz ). Après inversion de la mesure brute (températures de brillance), les radiomètres micro-ondes fournissent des profils de température et de vapeur d’eau ainsi que les contenus intégrés en vapeur d’eau et eau liquide avec une résolution temporelle de quelques minutes. Pour le profil de température, le contenu en information est maximal dans la couche limite atmosphérique, permettant d’obtenir une bonne résolution verticale sur les deux premiers km. Plus d’une trentaine d’unités sont déployées en Europe au sein du réseau de recherche MWRNet : http://cetemps.aquila.infn.it/mwrnet/ et plusieurs instruments sont actuellement monitorés de manière journalière par comparaison avec le modèle AROME. Leur déploiement au sein de réseaux opérationnels est en cours d’étude.

o Lidar :
Le lidar (Light detection and ranging) est un instrument de télédétection optique active se basant sur l’émission d’impulsions laser et la réception de la lumière rétrodiffusée par l’atmosphère vers le lidar. La rétrodiffusion est due aux molécules d’air, aux particules (aérosols) et hydrométéores (gouttelettes d’eau et cristaux de glace formant les nuages). Un système de réception optique (lentille ou télescope) collecte les photons rétrodiffusés. La technique lidar est ici utilisée pour mesurer des profils de vent, température, humidité et ozone. La résolution temporelle varie de quelques minutes à plusieurs heures et la résolution verticale d’une centaine de mètre à environ 2 km.

o Radar profileurs de vent :
Le radar (Radio detection and ranging) est aussi une technique de télédétection active. L’onde émise est une onde électromagnétique en bande UHF (Ultra High Frequency, 300 MHz à 3 GHz, longueur d’onde entre 10 cm et 1 m) ou VHF (Very High Frequency, 30 à 300 MHz, longueur d’onde entre 1 et 10 m). A cette fréquence, les échos de l’onde rétrodiffusée proviennent des fluctuations d’indice de réfraction de l’air (elles-mêmes liées à celles d’humidité et de température), et également des hydrométéores et insectes pour les cas des ondes UHF. On accède ainsi, par effet Doppler, et avec l’utilisation d’au moins 3 faisceaux électromagnétiques, à la mesure du vent. Souvent, les faisceaux sont fixes, et les mesures de ces radar permettent d’observer le profil de vent dans une couche de l’atmosphère qui dépendra de la fréquence utilisée : les basses couches troposphériques pour l’UHF (100 m – 3000 m), et la moyenne à haute troposphère pour les VHF (1 km – 16 km).

o Spectromètres UV-Visible :
Instruments qui utilisent la technique de télédétection passive pour mesurer la colonne intégrée de différents constituants atmosphériques. On trouve les instruments Dobson pour la mesure de l’ozone et le SAOZ pour l’ozone et le NO2.
Le Dobson mesure les intensités relatives pour des paires de longueurs d’onde dans le domaine de l’ultraviolet. Chaque paire a une longueur d’onde très fortement absorbée par l’ozone et l’autre longueur d’onde plus faiblement absorbée. Les mesures sont régulièrement réparties durant les journées d’observation possibles.
Le SAOZ mesure la lumière diffusée au zénith pendant le crépuscule dans le domaine spectral du visible (300 nm -600 nm). Le principe de mesure est la méthode spectroscopique par absorption optique différentielle (DOAS). Dans le cas de l’ozone et du NO2, la géométrie crépusculaire (86°-91° d’angle zénithale solaire, SZA) permet un long trajet de la lumière dans la stratosphère (~200 km) et donc une grande sensibilité pour détecter les constituants mineurs stratosphériques. Les mesures des colonnes d’ozone et de NO2 sont effectuées deux fois par jour quelle que soit la couverture nuageuse, tout au long de l’année, et ce jusqu’à la latitude du cercle polaire.

Variables

Température : profile de température (en K) du sol à la basse mésosphère.
Vent : profil vertical du vent (en m.s-1) du sol à la basse mésosphère.
Humidité : profile d’humidité (en g/kg) du sol à la stratosphère.
Contenu intégré en vapeur d’eau (IWV, en cm)
Contenu intégré en eau liquide (LWP)
Ozone : concentration d’ozone (en molécules/cm3) du sol à 50 km. Résolution verticale < 100 m pour sondes ECC et de 0.3- 4km pour les lidars. Plusieurs profils par semaine et possibilité de suivi en continu pour les lidars et un profil hebdomadaire pour les sondes ECC.

QC-QA

Filière de traitements

o Radiosondages :
Réalisée par l’industriel (Vaisala ou Modem, ou directement par MF avant 2018) pour le sondage PTU, réalisée par le LACy et le LATMOS pour les profils d’ozone par sondage ECC en suivant les recommandations du réseau NDACC international.

o Stations GPS : Actuellement 40 stations GNSS permanentes appartenant aux réseaux RGP, RENAG et Orphéon et situées à proximité des sites de mesures AERIS sont utilisées. L’analyse des mesures acquises par ces stations est effectuée de manière routinière à J+12 au LAREG (IGN) à l’aide du logiciel Gipsy-Oasis II (JPL / NASA) ; le suivi opérationnel est réalisé par l’ENSTA Bretagne. Les données issues du calcul (IWV à une résolution de 5 min. pour chacune des stations) sont disponibles depuis le 1er janvier 2001. Elles sont archivées quotidiennement sur les serveurs ICARE et mis à disposition de la communauté.

o Radiomètres : les variables atmosphériques sont inversées à partir de régressions statistiques (linéaires, quadratiques mais aussi réseaux de neurones). Les régressions reposent sur une base climatologique de profils propres à chaque site et varient en fonction des sites de mesures. Météo-France a développé une méthode d’inversion variationnelle permettant : de réduire les erreurs au-dessus de 2 km d’altitude en combinant avec le modèle à échelle convective AROME, de fournir à l’utilisateur une estimation d’erreur du profil restitué, s’affranchir des bases de données climatologiques pas toujours disponibles. Une chaîne de monitoring à partir du modèle AROME tourne actuellement en temps quasi-réel au CNRM permettant le contrôle de qualité journalier des instruments.

o Lidar : les profils d’ozone et de vapeur d’eau (et très bientôt de température) sont obtenus via la filière de traitement LICORNE déployée au sein du pôle de données AERIS. Les profils lidar d’ozone stratosphérique sont prétraités et envoyés en temps quasi-réel au centre européen pour le programme COPERNICUS.

o Radar profileurs de vent
De nombreux radar disposent d’un logiciel industriel de traitement DEGREANE-HORIZON du constructeur, qui permet le contrôle régulier du fonctionnement du radar, et la restitution de profils de vent en temps réel.
En outre, un chantier de traitement centralisé et homogène est en cours, où les données des profileurs de vent des site ACTRIS-FR sont centralisées au niveau du pôle de données AERIS où elles sont traitées avec la filière DESMAN développée à lOMP/LA-P2OA, qui restitue les profils de vent.
Ce traitement consolidé est différé et mensuel. Les produits livrés réunissent des images de visualisation à la quinzaine, et des fichiers au format netcdf mensuels et journaliers.

o SAOZ : les données de colonnes obliques d’ozone et de NO2 (niveau 1) obtenues à partir de la méthode DOAS sont transmises depuis chaque station SAOZ vers le LATMOS. Les colonnes obliques sont transformées en colonnes verticales en appliquant le facteur de mass d’air correspondant au constituant via un programme développé au LATMOS. Les colonnes verticales d’ozone et de NO2 sont envoyés en temps quasi-réel au centre européen pour le programme COPERNICUS et disponibles en temps réel dans la page web SAOZ (http://saoz.obs.uvsq.fr/SAOZ-RT.html)

Highlights

o GRUAN (Global Climate Observing System (GCOS) Reference Upper-Air Network), initiative GCOS de l’OMM, a pour objectif de mettre en place un réseau de référence de la mesure de, entre autres, la vapeur d’eau troposphérique et stratosphérique (dont l’importance dans la compréhension et l’évaluation des processus et des projections climatiques n’est plus à démontrer). L’OPAR et le SIRTA sont tous deux des sites GRUAN en voie de certification. Les radiosondages réalisés au SIRTA alimentent plusieurs actions GRUAN dont les objectifs sont (1) d’évaluer les sondes MODEM M10 via des vols double-attelage avec des sondes Vaisala RS92, (2) de valider les profils vapeur d’eau obtenus avec le lidar hautes performances IPRAL et (3) d’évaluer la capacité de restitution des profils de température et humidité du radiomètre micro-onde HATPRO. Chaque site GRUAN doit mesurer au moins une fois par mois un profil de vapeur d’eau de haute qualité dans l’UTLS en utilisant l’instrumentation la plus fiable possible, i.e un instrument de type Cryogenic Frostpoint Hygrometer (CFH) embarqué sous ballon. Des radiosondages CFH sont réalisés autant que faire se peut au sein de l’OPAR avec un double objectif : (1) construire une base de données tropicale M10/CFH pour le développement (effectué au SIRTA) et la certification GRUAN de l’algorithme de correction des sondages MODEM (en particulier : définition de l’incertitude), et (2) vérifier les capacités du lidar vapeur d’eau de l’OPAR à mesurer correctement la vapeur d’eau dans la TTL (Tropical Tropopause Layer). Dans ce cadre, les sondages par CFH sont essentiels à la qualification des mesures lidars dans la TTL (dont le contenu en vapeur d’eau – particulièrement faible – est mesurable par sondage uniquement par CFH).

o Modélisation de la variabilité interannuelle des sources et puits d’ozone pour améliorer la détection des tendances à long terme

o Amélioration de la caractérisation de la variabilité spatio-temporelle de l’UTLS (résolution verticale des mesures lidar, couplage ECC/lidar, couplage O3/H2O)

o Une étude statistique des courant jets d’altitude à partir des profileurs de vent VHF:
Baray et al., Case study and climatological analysis of upper tropospheric jet stream and stratosphere-troposphere exchanges using VHF profilers and radionuclide measurements in France. J. App. Meteorol. And Climate, 56(11), 3081-3097, 2016

o Une étude de la circulation plaine-montagne à partir de la combinaison de mesures de profileur de vent et de surface :
Hulin, M., Gheusi, F., Lothon, M., Pont, V., Lohou, F., Ramonet, M., Delmotte, M., Derrien, S., Athier, G., Meyerfeld, Y. : Observations of plain-mountain circulation in the Pyrenees : detection methods and impact on atmospheric composition measured at a mountain top, J. Applied. Meteor. Climatol (in press)