3.3 Analyse des observations du lidar LNG
3.3.1 Méthodologie pour caractériser les couches d’aérosol à partir du
par-tir du lidar LNG
Les analyses des profils LGN, ont d’abord consisté à faire une sélection des zones enri-chies en aérosols, en effectuant pour chaque vol, des coupes verticales LNG, du coefficient de rétrodiffusion total atténué, issu des canaux Infra Rouge (1064 nm) et vert (532 nm). Par exemple, la figure 3.2 représente une coupe verticale dans l’Infra Rouge (1064nm) le 9 avril 2008, entre 9h10 (68.5˚N) et 9h44 (70˚N), du coefficient de rétrodiffusion total atténué. Les zones à partir de 9h10 jusqu’à 9h27 aux altitudes 2-2.5 km possédant locale-ment une forte signature de rétrodiffusion avec des valeurs supérieures à 10−2 km−1.sr−1, correspondent à des nuages se développant au dessus de la couche limite.
Figure 3.2 – Coupe verticale de rétrodiffusion atténuée à 1064 nm en km−1.sr−1 à visée zénith du lidar LNG le 09/04/2008 entre 9h10 (68.5N) et 9h44 (70N).
Sur l’ensemble de la trace, on observe en altitude des zones ayant des signaux moins intenses localement, avec des signatures de l’ordre de 10−3sr−1. km−1et correspondant aux couches d’aérosol. Les zones propres, dans lesquelles on calcule un coefficient d’étalonnage, pour l’analyse des profils LNG, sont représentées ici en bleu foncé, correspondant à un signal de l’ordre à 10−4 sr−1. km−1. En effet, on supposera le coéfficient de rétrodiffusion dominé par la diffusion moléculaire dans cette zone. Dans le cas du 9 avril présenté sur la figure 3.2, la zone propre choisie pour l’étalonnage, est située à 9h37 (69.7 ˚N) entre 4.2 et 4.7 km. Afin de minimiser les erreurs, on moyenne 20 fichiers correspondant à 20 secondes soit environ à 3 km de vol. On récupère ainsi, les valeurs moyennes de rétrodiffusion total atténuée pour chaque longueur d’onde entre 4.2 et 4.7 km que l’on
3.3. Analyse des observations du lidar LNG standard atmosphérique, US76. Cette étape nous donne un coefficient d’étalonnage, K, différent pour chaque longueur d’onde et tel que, en divisant par K les signaux lidar, nous obtenons dans la zone propre une valeur de rapport de diffusion R , égal à 1.
Méthode pour sélectionner les zones propres.
Dans une zone propre, on impose le rapport de diffusion à 355nm et 532 nm égal à 1 car l’étalonnage est moins critique et la contribution de la diffusion Rayleigh très forte. Par ailleurs, à 355 nm on étudiera uniquement le rapport des deux rapports de diffusions (perpendiculaire et parallèle), ce qui permet de réduire l’impact des erreurs systématiques sur les signaux lidar à cette longueur d’onde.
Pour déterminer la valeur maximale du rapport de diffusion possible à 1064 nm dans une zone propre nous avons analysé les vols 24, 25, 27, 31, 34 et 35, où les concentrations des particules sont mesurées dans différentes zones propres par le PCASP, intégré sur toutes les classes de taille, et le CPC3010. Ces zones sont montrées sur les figures 3.3 et 3.4, par les rectangles violets et listé dans le tableau 3.2. Ces zones propres correspondent à des zones où a été effectué l’étalonnage du lidar. Les concentrations mesurées par le PCASP varient entre 10 particules par cm−3 (valeur minimum dans une zone propore) et 500 particules par cm−3 pour une couche d’aérosols (exemple : vol 35 du 11 avril, Fig.3.4(c)).
Nous avons tracé sur la figure 3.5 les concentrations de particules mesurées par le PCASP intégré (points bleus), en fonction du (R-1) à 1064 nm pour les zones propres précédemment décrites, ainsi que pour des zones riches en aérosols (points rouges), où nous avons des mesures in situ combinées à des mesures lidar (cf. Chapitre 4). On re-marque la bonne linéarité des mesures infrarouge du lidar LNG qui confirme la validité de l’étalonnage. Il est aussi tracé les valeurs de 16*(R-1) à 532 nm pour ces couches (poin-tillés verts), ce qui correspond aux valeurs maximales limites possible de (R-1) à 1064 nm, correspondant à un CR de 1, lorsque nous avons à faire à des aérosols de grosses tailles, et 8*(R-1) à 532 nm (points verts) suppose des aérosols avec des coéfficients d’Angströem de 2, ce qui est plus réaliste dans notre cas et la nouvelle droite d’étalonnage correspond à ce qui serait possible pour le canal IR compte tenu des observations à 532 nm. Ceci permet de fixer la valeur maximal de R-1 dans les zones propres où le PCASP varie entre 10 et 40 particules par cm−3. On obtient ainsi une valeur possible de 1.3 pour le rapport de diffusion à 1064 nm dans les zones propres.
jour vol latitude (˚N) PCASP int (part.cm−3) CPC3010 (part.cm−3)
30/03 24 72.5 16 80 31/03 25 71.4 16 153 03/04 27 69.6 31 190 08/04 31 71.1 5 75 10/04 34 68 43 180 11/04 35 68.3 10 170
Table 3.2 – Concentrations de particules mesurées par le PCASP intégré et le CPC dans des zones propres, pour des vols entre le 30/03/08 et le 11/04/08, où sont effectuées l’étalonnage du lidar LNG.
(a) PCASP et CPC3010 v24, 30/03
(b) PCASP et CPC3010 v25, 31/03
(c) PCASP et CPC3010 v27, 03/04
3.3. Analyse des observations du lidar LNG
(a) PCASP et CPC3010 v31, 08/04
(b) PCASP et CPC3010 v34, 10/04
(c) PCASP et CPC3010 v35, 11/04
Figure 3.4 – Concentration en aérosol mesurée par le PCASP intégré (en bleu) et le CPC3010 (en noir), le long des trajectoires d’avion pour les vols 31, 34 et 35. L’altitude de l’avion divisée par un facteur 5 (en vert) est tracée en m en utilisant l’axe vertical de gauche. Les zones représentées par les rectangles violet représentent les zones propres où ont été faites les normalisations lidar.
Figure 3.5 – Concentrations de particules mesurées par le PCASP intégré en fonction de (R-1) à 1064 nm et des valeurs limites autorisées correspondant à 8*(R-1) et 16*(R-1) à 532 nm, pour les zones propres des vols entre le 30/03/08 et le 11/04/08 (en bleu), et
3.3. Analyse des observations du lidar LNG Exemple de restitution de propriétés optiques des aérosols à partir de l’analyse des données LNG.
Pour chaque profil lidar analysé, est appliqué un coefficient déterminé comme décrit plus haut. On obtient ainsi des profils verticaux de rapport de diffusion pour chaque longueur d’onde. Découle ensuite, les paramètres optiques tels que le pseudo color ratio, CR∗ et le pseudo rapport de dépolarisation, δ.
Un exemple montre les profils de rapport de diffusion aux 3 longueurs d’ondes, ainsi que le profil de pseudo color ratio et le profil de pseudo dépolarisation, toujours pour le 9 avril à 69.7˚N (Fig. 3.6(b), 3.6(c) et 3.6(d)).
On distingue 5 couches d’aérosols dont une dans la couche limite. L’altitude moyenne et les caractéristiques optiques de ces couches d’aérosols sont répertoriées dans le tableau 3.3 ainsi que les erreurs estimées sur le rapport de couleur et le rapport de dépolarisation.
(a) Rapport diffusion 532, 1064 nm. (b) Rapport diffusion 355, 355 dep, 532, 1064 nm.
(c) Pseudo color ratio CR∗. (d) Pseudo rapport dépolarisation, δ.
Figure 3.6 – Profil de Rapport de diffusion à 532 nm et 1064 nm (figure 3.6(a)), des 4 rapports de diffusion 355, 355 dépolarisé, 532 et 1064 nm (figure 3.6(b)), de pseudo color ratio CR∗ (figure 3.6(c)) et rapport de dépolarisation δ (figure 3.6(d)) le 20080409, vol 33. Normalisation effectuée entre 4.2 et 4.5 km. à partir de 20 fichiers, à 69.7˚ N, 9h37.
On peut résumer l’étude des couches d’aérosol étudiées par :
– Une analyse de l’ensemble des quicklook LNG de la campagne pour identifier les zones possédant une signature de l’ordre de 10−3 .sr−1 .km−1.
– Sélection d’une zone propre observée, si possible sur le même palier afin de minimiser l’erreur sur des variations du coefficient d’étalonnage.
– Le calcul des rapports de diffusion et des rapports de couleur, CR* et δ en utilisant un modèle de diffusion Rayleigh.
Alt (km) R355 R355dep R532 R1064 CR* en % ∆ CR* en % δen % ∆ δ en %
4 1.1 1.15 1.05 1.53 9.11 2.06 1.57 0.28
3.5 1.12 1.27 1.06 1.65 9.73 2.1 1.7 0.29
2.8 1.22 1.35 1.45 2.48 10.69 1.6 1.66 0.26
2 1.08 1.26 1.25 2.04 10.2 1.82 1.75 0.3
0.9 1.03 1.3 1.9 2.4 7.89 1.07 1.89 0.33
Table 3.3 – Rapports de diffusion à 355, 355dep, 532 et 1064 nm, pseudo color ratio, CR*, pseudo rapport de dépolarisation, δ, des couches d’aérosols répertoriées le 09042008, vol 33 à 9h37, 69.7 ˚ N.
Au final, 89 couches d’érosols ont été repertoriées dont 55 avec des données à 355 nm exploitables. Remarque : sur certains profils, les valeurs de dépolarisation n’ont pas pu être calculées en raison d’un problème lié à l’instrument concernant le canal à 355nm. Orgine des couches d’aérosols analysées.
Par ailleurs, lorsqu’une couche d’aérosol est sélectionnée, une simulation rétrotrajecto-graphique FLEXPART est effectuée afin de caractériser sa provenance et par quelle voie de transport elle a été acheminée. Pour reprendre l’exemple du profil de 9h37 à 69.7˚ N du 9 avril, nous avons vu que 5 couches d’aérosols on été référencées. La figure 3.7 montre les rétrotrajectoires à 4 jours initialisées le 9 avril à 11UT à 70˚ N et 18˚ E entre 1500 et 2000m (Fig.3.7(a)) ainsi qu’entre 3500m et 4000m (Fig.3.7(b)). On voit que ces couches proviennent de l’Europe entrainées par un flux de sud. Elles seront donc référencées comme étant européennes.
3.3. Analyse des observations du lidar LNG
(a)
(b)
Figure 3.7 – Rétrotrajectoires à partir des simulations FLEXPART initialisées le 9 avril 2008 à 11UT à 70˚N 18˚E entre 1500-2000m (Fig. 3.7(a)) et 3500-4000m (Fig.3.7(b)). Les clusters de particules sont représentés toutes les 24h à partir du début de la simulation. La colorbar représente l’altitude des cluster en mètre.