Réseau LIDAR

Nous savons tous que les aérosols atmosphériques affectent la qualité de l'air que nous respirons. Nous savons peut-être moins que ces microparticules influencent également le climat de notre planète. La diversité et la variabilité de leurs caractéristiques (propriétés 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, entre autres, sur leur observation dans leur environnement naturel. Les mesures de télédétection passives réalisées par les photomètres solaires automatiques du réseau AERONET nous informent sur leurs propriétés moyennes (intégration sur la colonne atmosphérique) mais ne donnent pas accès à l’altitude de ces couches de particules. Les systèmes de télédétection actifs comme les LIDAR nous informent en premier lieu sur l’altitude des couches particulaires. De plus, en fonction du nombre de longueurs d’onde, de la possibilité de mesurer la diffusion Raman et/ou la dépolarisation, le LIDAR donne accès à davantage de paramètres aérosols (extinction, distribution en taille, concentration modale, indices de réfraction, absorption, forme des particules).

L’éruption du volcan Islandais Eyjafjallajökull au printemps 2010 et ses impacts socio-économiques ont souligné le besoin de renforcer le dispositif de surveillance depuis le sol actuellement constitué par des instruments de recherche (EARLINET, GALION, CIS-LINET, AD-NET,…), fonctionnant rarement en continu. Aujourd’hui, les micro-LIDAR commerciaux, compacts, robustes et automatiques sont de plus en plus exploités par la communauté atmosphère (validation de modèles transport, validation des satellites, assimilation dans les modèles) et s’organisent en réseau (ex MPLNET aux USA). Sur le territoire national, ORAURE, un système d’observation et de recherche en environnement, labellisé en 2011, intègre plusieurs Services d’Observation (INSU/CNRS) mettant en œuvre différents types d’instrumentations et vise à les harmoniser. Il en est de même au niveau Européen avec le projet d’infrastructures ACTRIS. Enfin, Météo France a programmé la mise en place d’un réseau opérationnel de micro-LIDAR pour 2014-2015 dont les données alimenteront aussi la communauté recherche.

Depuis 2007, le LOA a développé une base de données et un système de traitement automatisé, en temps quasi-réel, des données issues de micro-LIDAR et d’AERONET. Intégrant à l’origine deux micro-LIDAR CIMEL, en fonctionnement continu (24/24, 7/7), et situés à Lille et M’Bour (Sénégal), la base de données s’enrichit via des coopérations internationales et nationales. Elle compte aujourd’hui les sites de la Guadeloupe (Université Antilles-Guyane, LPAT), de Tizi Ouzou (Université M. Mammeri, LAMPA, Algérie), de Bure (ANDRA, Meuse) ainsi que des sites temporaires liés à des campagnes ponctuelles à Aspect en 2010, Toulouse (Météo France, 2012) et Dunkerque (Université du Littoral, LPCA, 2007/2008). Le LOA a également mis au point un système léger mobile (acquisition pendant le déplacement) comprenant un micro-LIDAR 532 nm et le photomètre PLASMA. Ce dispositif est utilisé dans le cadre d’expériences régionales (CaPPA), internationales (DRAGON, Washington, USA, été 2011), en Italie, dans la vallée du Pô, en juin 2012 (LAAC).

Toutes les données acquises sont envoyées par internet sur le serveur informatique du LOA. Elles y subissent un prétraitement (Level 1, « PR2 »), avant archivage et visualisation sous la forme de séries temporelles (images « Quick-Look »).

Les propriétés des aérosols résultant de l’inversion des données photométriques (AERONET), co-localisées avec le LIDAR, sont insérées dans la base de données. En premier lieu, les variations temporelles de l’épaisseur optique aérosol (AOD) et le coefficient d’Angström lié à la dimension moyenne des aérosols sont présentés sous forme graphique. Des paramètres plus élaborés, tels que la distribution en taille aérosol (granulométrie), l’indice de réfraction et l’albédo de diffusion simple (SSA) sont disponibles sous forme graphique. Ils constituent une aide précieuse pour l’analyse des situations aérosols rencontrées.

Les paramètres techniques propres à chaque système LIDAR (métadonnées) sont également enregistrés et des messages d'alerte envoyés automatiquement par email au PI/site manager de l’instrument lorsque des défaillances instrumentales ou des problèmes dans le transfert de données sont détectés.

De jour, les données LIDAR normalisées (Level 1) sont inversées, après filtrage des nuages, en utilisant une variante de la méthode de Klett contrainte avec l’AOD mesurée (précision +/-0.01) par le photomètre solaire. Cette procédure, automatiquement appliquée dés la réception des données du LIDAR et du photomètre, fournit le profil vertical du coefficient d’extinction aérosol, σa,ext, (résolution verticale de 15 m), ainsi que la valeur effective du rapport lidar (extinction/rétrodiffusion), Sa. De nuit, en l’absence de mesure d’AOD photométrique, le profil d’extinction peut-être alors être estimé en imposant le rapport lidar obtenu au cours de la journée précédente, faute de mieux.

Les profils d’extinctions sont accessibles sous forme graphique en cliquant sur les boutons «Inversion (V1/V2)». La version 2 intègre plusieurs améliorations méthodologiques et instrumentales (mise à jour de corrections instrumentales, filtrage du bruit, etc), l’estimation de l’erreur associée au profil et de la hauteur de la couche limite. La version 2 intégrera aussi l’estimation de la concentration massique en aérosols en s’appuyant sur la combinaison plus élaborée des données photomètres et LIDAR (thèse A. Mortier et A. Lopatsin, LOA).

Les données de niveau 1 sont téléchargeables librement sur le site, sous réserve d’acceptation de la charte utilisateur. Pour le moment, seules les sorties graphiques des profils d’extinction sont accessibles au public.

Tous les traitements sont effectués en routine. Dans certaines situations aérosols complexes (plusieurs couches par exemple), l’inversion appliquée en routine peut s’avérer imprécise. Un module d’inversion « on-line » sera introduit pour que l’utilisateur puisse affiner l’inversion, en l’adaptant à la situation. La version 3 des traitements, inversion simultanée des mesures radiométriques du photomètre et du LIDAR est en cours d’évaluation.

Version Juin 2012

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WiKi LIDAR (accès réservé)

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