2 Connaissance de l’épaisseur optique

V-2-1 Les sources des données : généralités

Yu et al. (2006) ont réalisé un travail de fond pour recenser et expliquer les méthodes de mesure et de caractérisation des aérosols et les incertitudes liées à ces méthodes. Les auteurs citent trois approches : (1) Les campagnes intensives de mesures in situ (2) les réseaux terrestres (ex. AERONET) et (3) les estimations indirectes par des données de télédétection. Une autre source de données dont ces auteurs ne font pas mention est la visibilité mesurée par les stations météorologiques sur une base routinière.

a- Les campagnes de mesure

Ces campagnes permettent de caractériser de la manière la plus complète possible les propriétés physiques, chimiques et optiques ainsi que les effets radiatifs des aérosols. Les mesures se font à l’aide de photoradiomètres solaires par la mesure de l’irradiation spectrale directe (Vermeulen et al. 2000; Dubovik et King, 2000; ‘Microtops User Guide’). Ces radiomètres étant très coûteux, les mesures régulières de l’AOD sont limitées à un certain nombre de stations à travers le monde.

b- Les réseaux terrestres

Parmi ces réseaux, le plus important est le réseau AERONET initié par la NASA. Il inclut plus de 200 stations terrestres qui effectuent des mesures radiométriques spectrales permettant de retrouver les propriétés les plus importantes des aérosols (albédo de simple diffusion, distribution selon la taille, fonction de phase, facteur d’asymétrie, AOD). Ces mesures sont effectuées sur une base routinière et depuis plus de dix ans pour certaines stations. L’AOD est estimée à différentes longueurs d’onde (440, 670, 870 et 1020 nm) à l’aide de photomètres ou de radiomètres bien calibrés (Holben et al. 1998). L’AOD issu de AREONET a fait l’objet de plusieurs travaux pour analyser la distribution des aérosols sur des échelles spatiales et/ou temporelles (Dubovik et al. 2000; Bokoye et al. 2001; Dubovik et al. 2002; O’Neill et al. 2002). Le réseau canadien AEROCAN (AEROsol CANada) compte huit stations de mesure

(http://www.pages.usherbrooke.ca/aerocan). Un autre réseau, plus local, du nom de IMPROVE (Interagency Monitoring of Protected Visual Environments) sert à l’estimation de l’AOD aux États Unis à partir de mesures de visibilité. En Europe, le réseau EARLINET (The European Aerosol Research Lidar Network) a été établi en 2000 afin de caractériser les distributions horizontale, verticale et temporelle des aérosols à une échelle continentale. Un réseau similaire (The Asian Dust Network ou AD-Net) existe également pour l’Asie.

Le problème qui se pose avec ces réseaux de mesure est la résolution spatiale insuffisante pour les applications que nous visons, c’est à dire une résolution de 5 à 30 mètres correspondant aux images satellitales de haute et très haute résolution.

c- Les estimations indirectes

Des mesures globales de l’AOD sont réalisées à partir d’observations satellitaires au dessus de cibles obscures de réflectances faibles et invariantes (Yu et al. 2006). L’approche satellitaire est très appréciée car elle permet de suivre la grande variabilité spatiale et temporelle de ce paramètre. Ainsi, le capteur AVHRR (Advance Very High Resolution Radiometer) fournit, sur les océans, des estimations d’AOD dans les bandes visibles et proche infrarouge avec une résolution proche du km (Soufflet et al. 1997; Ignatov et Stowe, 2002-a et b ; Holben et al. 1992; Schmechtig et al. 2003). Le capteur français POLDER (Polarisation and Directionality of the Earth Reflectance) monté sur le satellite japonais ADEOS (ADvanced Earth Observing Satellite) est également utilisé pour mesurer des données sur les aérosols au dessus des océans et des continents également avec une résolution d’environ 6 km. Toutefois, POLDER est incapable de réaliser des mesures précises pour les aérosols qui ne polarisent pas la lumière tels que les particules de type poussières (Kaufman et al. 1997 et 2005). Depuis 2000, le capteur MODIS (Moderate resolution Imaging Spectroradiometer) monté sur les deux satellites Terra et Aqua de la NASA sert à la déduction de l’AOD sur les océans et sur « des portions du sol » à une échelle globale et avec une répétitivité quotidienne et pour sept bandes multispectrales entre 0.47 et 2.13 μm. Une des forces de MODIS est qu’il offre une bande bleue pour laquelle les réflectances au sol sont faibles et la diffusion par les aérosols est élevée (Chu et al. 2002 ; Kaufman et al. 2002 ; Hsu et al. 2004; Costa et al. 2004; Kaufman et Tanré, 1998; Vermote et al. 2002). La précision est de l’ordre de ±0.05±0.2τ et les écarts par rapport à AERONET sont d’environ 20% sur des moyennes mensuelles (Remer et al. 2005; Tripathi et al. 2005). L’accès au site se fait à travers http://modis.gsfc.nasa.gov. Finalement,

des données provenant du capteur MISR (Multi-angle Imaging Spectroradiometer) permettant également d’atteindre une précision de 20% pour les estimations de l’AOD. L’approche des estimations satellitaires offre une meilleure couverture spatiale par rapport à la densité des réseaux terrestres, mais reste limitée précision et en fréquence temporelle.

d- Les mesures de visibilité

L’estimation de l’AOD à 550 nm à partir de la visibilité est très approximative. Généralement, des modèles simples sont proposés dans la littérature (So et al. 2005; Qiu, 2003). Les données de visibilité ne sont pas des mesures précises, ce sont plutôt des ordres de grandeurs (du type 5 km, 15 km, 23 km,…) acquises au niveau des aéroports pour l’aviation. Pour ces raisons, cette voie d’estimation de l’AOD n’est pas très recommandée.

V-2-2 Les implications pour notre recherche

Nous avons procédé à une série de mesures in situ pour examiner la possibilité d’utiliser les données provenant des stations du réseau AERONET (AEROCAN puisque les sites d’intérêt sont situés au Canada) ou des données sur la visibilité dans les zones à l’étude qui se situent dans la majorité des cas dans la grande région Métropolitaine de Montréal (chapitre II).

L’appareil utilisé pour les mesures in situ était le Microtops II sunphotometer (SOLAR Light co.). La mesure nécessite des intrants qui permettent de calculer l’irradiation solaire hors atmosphère (latitude, longitude, date, heure en temps solaire vrai ou TSV) ainsi que des données permettant d’estimer l’atténuation due aux gaz (altitude, température ambiante, pression atmosphérique). Les mesures Microtops d’AOD sont décrites dans le chapitre II (section II-3). Les données du réseau AERONET ont été récupérées pour la station la plus proche, c'est-à-dire celle du CARTEL située à l’Université de Sherbrooke, Québec (45.38° N, 71.93° O), située à plus de 100 km de la région principale des mesure par Microtops (St-Jean- sur-Richelieu). Lorsque les données ne sont pas disponibles pour le CARTEL, nous recherchons la station la plus proche (souvent à plusieurs centaines de km du lieu de mesure par Microtops), les stations considérées sont Halifax (44.63° N, 63.59° O) ou Egbert (44.22° N, 79.75° O). Les données de visibilité ont été récupérées sur le site Internet d’Environnement

L’estimation de l’AOD à partir de la visibilité à été réalisée au moyen d’une formule empirique simple (équation 16, figure V-8) donnant des valeurs intermédiaires entre le modèle de So et al. (2005) et celui de Qiu (2003).

AOD550,VIS = 3 / (VIS - 3) (16)

Figure V-8. Modèles de prédiction de l’AOD en fonction de la visibilité.

Les données n’étaient pas disponibles pour toutes les dates d’intérêt dans le site Internet du réseau AERONET. Même pour les dates où des données sont disponibles, les stations de mesures sont très éloignées des lieux où nous avions réalisé les mesures. Les données d’AOD issues du capteur MODIS sont fournies à une échelle quotidienne pour une grille latitude/longitude de 1° (Remer et al. 2005), ce qui correspond à une résolution spatiale d’environ 111 km. Cette dernière ne convient pas à la correction de la variabilité spatiale de l’AOD dans une image HR ou VHR (pixels de 30 m ou moins). Le problème se pose également pour la visibilité qui n’est pas mesurée par toutes les stations du réseau météorologique (notamment celui d’Environnement Canada). De plus, là où elles sont disponibles, les données sont trop approximatives. À titre d’exemple, la station St-Hubert donne la valeur 15 km pour toutes les dates que nous avons cherchées.

Le tableau V-3 montre que les données issues du réseau AERONET (quand elles sont disponibles) sont assez proches des mesures Microtops lorsque la station de AERONET utilisée (CARTEL) est proche des sites de mesure. L’AOD estimé à partir de la visibilité (AOD550,VIS) donne juste un ordre de grandeur qui est souvent loin des valeurs mesurées.

Compte tenu de l’état des choses sur les sources de données de l’AOD, la méthode d’estimation que nous avons privilégiée est celle des cibles obscures appliquées aux images analysées. La façon de faire est expliquée en détail dans le chapitre VI.

Tableau V-3. Comparaison des valeurs d’AOD mesuré (par Microtops) avec celles estimées à partir de la visibilité (AOD550,VIS) et celles données par le réseau AERONET.

Visibilité et AOD550 estimé

Lieu, date et heure locale AOD550 mesuré

(Microtops)

VIS (km) et site AOD550,VIS

AOD550

AERONET

CRDH, 22-06-2005 14h30 0.074 15 (St-Hubert) 0.25 0.05 (CARTEL) CRDH, 27-06-2005 14h00 0.11 15 (St-Hubert) 0.25 Aucune mesure CRDH, 11-07-2005 8h30 0.36 15 (St-Hubert) 0.25 0.3 (CARTEL) St Valentin, 11-07-2005 10h30 0.38 14.5 (St-Hubert) 0.26 0.3 (CARTEL) St Valentin, 11-07-2005 11h30 0.35 15 (St-Hubert) 0.25 0.3 (CARTEL) St Valentin, 20-07-2006 11h 0.28 15 (St-Hubert) 0.25 0.13 (Halifax) CRDH, 15-06-2007 12h 0.15 15 (St-Hubert) 0.25 0.1 (CARTEL) CRDH, 18-06-2007 14h30 1.11 (nuages) 12 (St-Hubert) 0.33 Aucune mesure St Valentin, 29-06-2007 9h45 0.1 15 (St-Hubert) 0.25 0.09 (Halifax) St Valentin, 10-07-2007 10h 0.55 15 (St-Hubert) 0.25 0.5 (CARTEL) Montréal, 01-08-2007 15h 0.48 24.1 (P.E. Trud.) 0.14 Aucune mesure Tremblant 05-08-2007 16h40 0.07 - 0.25 Aucune mesure Tremblant 05-08-2007 17h45 0.08 - 0.25 Aucune mesure CRDH, 28-08-2007 13h 0.08 15 (St-Hubert) 0.25 0.16 (Egbert) Montréal, 02-09-2007 14h 0.1 48.3 (P.E. Trud.) 0.066 0.18 (CARTEL) CRDH, 04-09-2007 15h 0.066 15 (St-Hubert) 0.25 Aucune mesure CRDH 25-09-2007 13h30 0.43 15 (St-Hubert) 0.25 Aucune mesure CRDH, 22-10-2007 13h30 0.063 15 (St-Hubert) 0.25 Aucune mesure