Capacités à améliorer la caractérisation des aérosols par le futur lidar à haute résolution spectrale de la mission AOS (the Atmosphere Observing System)
Cornut, Flavien
Ability to improve aerosol characterisation by the future high spectral resolution lidar of the AOS (Atmosphere Observing System) mission
Cette thèse évalue les bénéfices d'un Lidar satellitaire à Haute Résolution Spectrale à 532 nm dans le cadre du programme spatial international Atmosphere Observing System (NASA, CNES, JAXA, CSA) pour améliorer l'observation des aérosols et leur description dans un Modèle de Chimie Transport, avec une attention particulière à leur distribution verticale. L'objectif scientifique de cette mission est d'approfondir nos connaissances sur les aérosols et les nuages et notamment leurs interactions avec le climat et l'environnement. Les lidars à rétrodiffusion élastique (exemple CALIOP) sont limités par leur difficulté à séparer le signal moléculaire du signal particulaire, source de grandes incertitudes pour l'étude des aérosols. La technique à Haute Résolution Spectrale s'émancipe de cette contrainte en exploitant le phénomène de décalage Doppler induit par l'agitation thermique des particules et molécules dans l'atmosphère. Dans ce contexte, une expérience dite d'Observing Simulation System Experiment est réalisée à partir d'un Nature Run et d'un Control Run simulés via le modèle de Météo-France MOCAGE (Modèle de Chimie Atmosphérique à Grande Échelle) forcé par différents champs météorologique. Les Observations Synthétiques sont simulées à partir du logiciel de simulation de signal lidar BLISS (Backscatter LIdar Signal Simulator), développé par le CNES en considérant les paramètres instrumentaux du lidar AOS. Une première étude illustre l'apport des observations satellitaires à Haute Résolution Spectrale pour la mesure des aérosols par rapport à une configuration lidar classique. Cette étude est menée sur trois cas d'études caractéristiques d'un évènement de poussières désertiques, de fumées issue de feux de biomasse, ou de pollution anthropique. Dans les trois cas, les observations synthétiques à Haute Résolution Spectrale sont plus précises et robustes face à des variations importantes de propriétés optiques des aérosols au sein d'une même colonne, des distributions verticales complexes et multi-couches, ou des concentrations importantes. Le réalisme des observations Synthétiques est abordé, notamment en terme de simulation du bruit instrumental du au rayonnement de fond solaire. Des jeux d'Observations Synthétiques sont ensuite simulés dans le cadre de l'expérience d'assimilation afin de répondre aux problématiques scientifiques de l'apport de la voie 532 nm à Haute résolution spectrale pour la modélisation des aérosols. Le Nature Run est simulé sur une période de 5 mois, centré sur un épisode de poussières désertiques important détecté en Europe du sud autour du 25 mars 2018. Les mesures lidar depuis l'espace sont caractérisées par des bonnes résolutions verticales, mais des largeurs de fauchées étroites, pouvant complexifier l'étude des panaches s'ils ne sont pas traversés précisément par les orbites. Sur la période d'étude, l'intense évènement de poussières désertiques est rencontré plusieurs fois par le satellite, dont deux fois dans la même journée le 25 mars. Sur cette journée, une étude comparative de l'impact de l'assimilation d'observations lidar avec et sans Haute Résolution Spectrale a montré le bénéfice significatif de cette technologie, notamment lors de couches d'aérosols denses, qui peuvent conduire à des phénomènes de saturation des observations de type Backscatter classiques. Une étude statistique plus large en terme d'épaisseur optique sur 5 mois et sur l'ensemble du bassin méditerranéen a également montré un impact positif et significatif des observations lidar pour l'amélioration de la distribution des aérosols dans l'espace, en terme d'abondance et de variabilité. </p>
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