Laboratoire d'Optique Atmosphérique

Développement labo

Lidar LILAS

Lidar multi-longueur d’onde-Raman

Responsable scientifique: Philippe Goloub
Responsable technique : Thierry Podvin
Collaborateurs : Igor Veselovskii, Qiaoyun Hu, Christine Deroo, ...

Le Lidar multi-longueur d’onde-Raman LILAS est un équipement remarquable financé, en 2013, par la région Nord Pas de Calais et le Labex CaPPA. Sa conception et son évolution résultent de la coopération entre le LOA, l’industriel français CIMEL et le Physics Instrumentation Center en Russie et les soutiens du labex CaPPA et du CPER CLIMIBIO. Son exploitation scientifique a démarré fin 2013.

Figure 1 : vue de LILAS (télescope, laser, et baie d’acquisition) en visée verticale, trappe de toit ouverte et exemple de profile aérosols observés. LILAS est un LiDAR Elastic & Raman multi-longueur d’onde, transportable. Il dispose de 3 voies élastiques (355, 532 and 1064 nm), 3 voies Raman (387, 407 and 530 nm) et 3 voies dépolarisées (355, 532 and 1064 nm).

Sa localisation au Nord de la France est stratégique. La région, très urbanisée, est particulièrement affectée par les évènements de pollution particulaire locaux et issus du transport moyenne ou longue distance. Situé sur un territoire au relief peu prononcé, en permanence balayé par des masses d’air provenant des grandes zones sources de pollution qui la borde, avec des vents dominants de secteur sud-ouest, l’atmosphère Lilloise, révélée par LILAS, est sous de multiples influences (urbaine, industrielle, océanique, désertique, et même volcanique !).

Cet équipement a été intégré au réseau européen EARLINET/ACTRIS en 2015 et fournit un ensemble d’observables relativement unique qui, combiné aux mesures d’autres instruments régionaux (labex CaPPA), permet de détailler plus finement les propriétés des aérosols;

Le contrôle qualité de l’instrument est garanti par le suivi régulier des protocoles d’étalonnage recommandés par le centre de calibration ACTRIS-LICAL. LILAS est également le principal instrument utilisé, au niveau français, pour mettre au point les méthodologies d’inversion innovantes telles que GRASP/GARRLIC, donnant accès à des variables climatiques essentielles telles que le profil d’absorption des aérosols atmosphériques.

Ce système est déplaçable, utilisable pour des campagnes (ex SHADOW-2 au Sénégal en 2015 et 2016, sur un site unique en région intertropicale). LILAS est également, depuis 2018, complètement contrôlable à distance, ce qui facilité l’application des protocoles d’étalonnage et de caractérisation, en particulier la nuit. La DSAC Nord a délivré l’autorisation de tir.

Figure 2: Night time LILAS operation during SHADOW-2 campaign in Senegal (crédits photographiques et graphiques, Q. Hu, LOA)

En visée au zénith (à la verticale), sa portée maximale peut attendre 20 km, ce qui lui permet aussi d’étudier la basse stratosphère en cas d’éruption volcanique majeure ou d’injection de type pyro-convective, comme cela s’est produit au cours de l’été 2017 (Hu et al., ACP, 2018, Figure 3). Sa résolution lui permet de distinguer des couches séparées d’environ 7m !

Figure 3 : Détection de particules de fumée injectées jusqu’à 17 km dans la stratosphère par pyro-convection intense générée par les feux de forêt canadiens de l’été 2017 (Hu et al., 2018).

LILAS est couplé à un LiDAR mono-longueur d’onde fonctionnant en continu depuis 2006. Il est de plus co-localisé avec l’un des sites du réseau LiDAR de Météo France. Le site de Lille ou plateforme d’observation Lilloise constitue ainsi un point de référence pour l’observation des aérosols.
LILAS permet aussi l’observation des nuages (Veselovskii et al., 2017, professeur invité, Labex CaPPA) et l’obtention des profils de vapeur d’eau et de méthane (Veselovskii et al., 2018, AMTD) au cours d’expérimentation spécifique du labex CaPPA (figure 4).

Figure 4: Profil de la vapeur d’eau (à gauche, janvier 2016, Sénégal) et premier profils de méthane à Lille (à droite), 13-14 June 2018, révélant la présence de CH4 transporté, en altitude, entre 3000 et 5000m.

Ses données, transmises en temps réel dans les bases de données du laboratoire et nationale AERIS/ICARE peuvent donc être utilisées pour la validation/calibration des missions spatiales existantes ou à venir, et bien sûr contribuer à la caractérisation des aérosols en région, en particulier dans le cas d’événement aérosols extrêmes, comme il s’en produit tous les ans (http://www.insu.cnrs.fr/images/15400).

Figure 5: Illustration de l’événement extrême d’octobre 2017. Série temporelle du LiDAR LILAS du 16/10/17-16:00 au 17/10/17-06:00 UTC sur le site de Lille (LOA). (a) Les régions les plus rouges indiquent une forte concentration en particules tandis que les régions en bleue rendent comptent d’une très faible concentration en particules. (b) Dépolarisation aérosols qui nous informe sur la forme des particules et donc leur nature, particules désertique ou de feux (http://www.insu.cnrs.fr/images/15400). Crédits graphiques Q. Hu, LOA

LILAS est intégré au parc LiDAR du LOA utilisé pour l’enseignement au sein des master Atmospheric Environnement et Lumière Matière de l’université de Lille.

Publications

Bovchaliuk, V., P. Goloub, T. Podvin, I. Veselovskii, D. Tanre, A. Chaikovsky, O. Dubovik, A. Mortier, A. Lopatin, M. Korenskiy, et al. (2016), Comparison of aerosol properties retrieved using garrlic, liric, and raman algorithms applied to multi-wavelength lidar and sun/sky-photometer data, Atmospheric Measurement Techniques, 9(7), 3391–3405
Veselovskii, I., P. Goloub, T. Podvin, V. Bovchaliuk, Y. Derimian, P. Augustin, M. Fourmentin, D. Tanre, M. Korenskiy, D. Whiteman, et al. (2016), Retrieval of optical and physical properties of african dust from multiwavelength raman lidar measurements dur ing the shadow campaign in senegal, Atmos. Chem. Phys, 16, 7013–7028.
Veselovskii, I., P. Goloub, T. Podvin, D. Tanre, A. Ansmann, M. Korenskiy, A. Borovoi, Q. Hu, and D. Whiteman (2017), Spectral dependence of backscattering coefficient of mixed phase clouds over west africa measured with two-wavelength raman polarization lidar: Features attributed to ice-crystals corner reflection, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 202, 74-80.
Veselovskii, I., P. Goloub, T. Podvin, D. Tanre, A. da Silva, P. Colarco, P. Castellanos, M. Korenskiy, Q. Hu, D.N. Whiteman, D. Pérez-Ramírez, P. Augustin, M. Fourmentin, A. Kolgotin: Characterization of smoke/dust episode over West Africa: comparison of MERRA-2 modeling with multiwavelength Mie-Raman lidar observations, Atmos. Meas. Tech. Disc., https://doi.org/10.5194/amt-2017-342, 2017.
I. Veselovskii, P. Goloub, Q. Hu, T. Podvin, D.N. Whiteman, M. Korenskiy, E. Landulfo, Profiling CH4 background mixing ratio with Raman lidar technique in the lower troposphere: a feasibility experiment (submitted to Atmos. Meas. Tech, 2018, https://doi.org/10.5194/amt-2018-298).
Hu Q., P. Goloub, I. Veselovskii, J-A Bravo-Aranda, I. Popovici, T. Podvin, M. Haeffelin, A. Lopatin, C. Pietras, X. Huang, B. Torres, and C. Chen, A study of long-range transported smoke aerosols in the Upper Troposphere/Lower Stratosphere, submitted to ACP, https://doi.org/10.5194/acp-2018-655
Goloub P., Un évènement atmosphérique d’ampleur inédite observé en région Hauts-de-France, Communiqué de presse régional, 27 octobre 2017, http://www.insu.cnrs.fr/node/7714.
Goloub P., De la poussière à tous les étages!, http://www-loa.univ-lille1.fr/documents/LOA/communication/communiques/observations-atmospheriques-aout-2017.pdf.
Chaikovsky, A., Dubovik, O., Holben, B., Bril, A., Goloub, P., Tanré, D., Pappalardo, G., Wandinger, U., Chaikovskaya, L., Denisov, S., Grudo, J., Lopatin, A., Karol, Y., Lapyonok, T., Amiridis, V., Ansmann, A., Apituley, A., Allados-Arboledas, L., Binietoglou, I., Boselli, A., D'Amico, G., Freudenthaler, V., Giles, D., Granados-Muñoz, M. J., Kokkalis, P., Nicolae, D., Oshchepkov, S., Papayannis, A., Perrone, M. R., Pietruczuk, A., Rocadenbosch, F., Sicard, M., Slutsker, I., Talianu, C., De Tomasi, F., Tsekeri, A., Wagner, J. & Wang, X. (2016). Lidar-Radiometer Inversion Code (LIRIC) for the retrieval of vertical aerosol properties from combined lidar/radiometer data: development and distribution in EARLINET. Atmos. Meas. Tech., 9, 1181-1205. http://dx.doi.org/10.5194/amt-9-1181-2016
Lopatin A., O. Dubovik, A. Chaikovsky, P. Goloub, T. Lapyonok, D. Tanré, and P. Litvinov, Enhancement of aerosol characterization using synergy of lidar and sun – photometer coincident observations: the GARRLiC algorithm, Atmos. Meas. Tech., 6,:2253-2325, 2013

Communications et posters

Podvin T., P. Goloub, D. Tanré, I. Vesselovskii, V. Bovchaliuk, M. Korensky, A. Mortier, S. Victori, .LILAS, un LIDAR multispectral et Raman pour l'étude des aérosols, de la vapeur d'eau et des nuages, Atelier Experimentation et Instrumentation 2014 (présentation orale)
Podvin T, Q. Hu, P. Goloub, O. Dubovik, I. Veselovskii, V. Bovchaliuk, A. Lopatin, B. Torres, D. Tanré, C. Deroo, T. Lapyonok, F. Ducos, A. Diallo. , LILAS, le Lidar multi spectral Raman polarisé et quelques résultats d'inversions, Atelier Experimentation et Instrumentation 2017 (présentation poster).
Hu et al., Aerosol absorption measurements and retrievals in SHADOW2 campaign, ICAC 2017, International Conference on Aerosol Cycle, 21 – 23 Mar, Lille
Hu et al., A test of new approaches to retrieve aerosol properties from Photometer-LiDAR joint measurements, ESA/IDEAS Workshop 2017, Lille, 06-07 Apr 2017
Hu et al., Retrieval of aerosol properties with Sun/Sky-photometer and LiDAR measurements, ACTRIS-FR, Workshop, Autrans Méaudre en Vercors, 3-5 mai 2017
Hu et al., Retrieval of aerosol properties with Sun/Sky-photometer and LiDAR measurements, 28th ILRC, international LiDAR and Radar conference, Bucharest, 25 – 30 June
Hu et al., Lidar measurements with 3-depolarization in Lille, 3rd ACTRIS-2 WP2 Workshop, Delft, 13-17 Nov 2017.
Podvin. T, Q. Hu, P. Goloub, I. Veselovskii, C. Deroo, G. Dubois, T. Trivellato, I. Popovici, B. Torres. Aerosol Remote Sensing at Lille observation platform: upgrade of profiling capabilities. ACTRIS-2 / WP2 Aerosol Profiling - Hatfield - 19-23 November 2018, United Kingdom (présentation poster) http://www-loa.univ-lille1.fr/documents/LOA/posters/20181115_poster_LILAS_WP2_2018.pdf
Qiaoyun Hu, Juan-Antonio Bravo Aranda, Ioana Popovici, Philippe Goloub, Thierry Podvin, Igor Veselovskii, Martial Haeffelin, Christophe Pietras, Transported smoke layers detected over northern France, EGU, 2018 (présentation poster) http://www-loa.univ-lille1.fr/documents/LOA/posters/2018_EGU_Hu.pdf