CARACTERISATION DES AEROSOLS URBAINS
2. E TUDE STATISTIQUE DES PROPRIETES OPTIQUES DES AEROSOLS URBAINSA PARTIR DE DONNEES AERONET
2.2 Les sites urbains sélectionnés
2.3.1.3 Statistiques globales
Les sites viennent d’être étudiés séparément. Cependant, afin de mettre en place une méthode de caractérisation des aérosols urbains par télédétection, il est intéressant de définir les plages de variations représentatives de leurs propriétés optiques. Les variations spatiales (d’un site à l’autre) observées étant très importantes pour chacun de ces paramètres, il est considéré ici que les plages de variations définies par les valeurs moyennes minimales et maximales obtenues pour ces sites sont représentatives. Bien entendu, ces domaines de variations ne représentent pas réellement toutes les valeurs possibles que peuvent prendre ces paramètres, mais contiennent tout de même l’essentiel de ces valeurs.
Ces domaines de variation sont récapitulés dans le Tableau 2. Ils serviront de base à l’étude
phénoménologique du signal en milieu urbain (cf. partie II.3), à la réalisation d’un jeu de modèles optiques d’aérosols urbains (cf. partie III.2.3) ainsi qu’à la validation de la procédure d’inversion développée (cf. partie IV.1).
DOMAINES DE VARIATION PROPOSES
PROPRIETES OPTIQUES
Valeur minimale Valeur moyenne Valeur maximale
440nm 0,06 0,28 0,83 670nm 0,04 0,17 0,54 870nm 0,03 0,12 0,43 Epaisseur optique 1020nm 0,03 0,10 0,41 Coefficient d’Angström 440/870nm 0,40 1,33 1,77 440nm 0,87 0,92 0,98 670nm 0,83 0,92 0,98 870nm 0,80 0,91 0,97 Albédo de simple diffusion 1020nm 0,78 0,90 0,97 440nm 0,66 0,70 0,76 670nm 0,56 0,64 0,73 870nm 0,52 0,62 0,73 Facteur d’asymétrie 1020nm 0,52 0,62 0,74
Tableau 2. Domaines de variation typiques des propriétés optiques des aérosols urbains définis à partir des données AERONET.
Encore une fois, il faut garder à l’esprit que ces données ne peuvent être considérées comme parfaitement caractéristiques des propriétés optiques des aérosols urbains car elles correspondent à des statistiques réalisées à partir d’un nombre restreint de sites et de séquences de mesure. Cependant, la quantité de données utilisées (en nombre de sites et en nombre de séquences) et les localisations variées des stations permettent de supposer ces résultats comme représentatifs des atmosphères urbaines.
2.3.2 Relations entre les propriétés optiques des aérosols
urbains
La télédétection des aérosols requiert généralement l’utilisation de modèles de particules qui sont utilisés comme données d’entrée. Dans le but de réaliser des modèles optiques d’aérosols adaptés à l’inversion en milieu urbain, il est intéressant de savoir si certains de leurs paramètres ne peuvent pas être liés par des relations empiriques, à savoir leurs coefficients d’Angström, leurs albédos de simple diffusion et leurs facteurs d’asymétrie. En effet, trouver de telles relations permet la modélisation de ces particules par un nombre plus restreint de variables.
Pour cette étude, les albédos de simple diffusion n’étant obtenus que pour la sélection de 28 stations, ce sont les données obtenues pour celles-ci qui sont utilisées. Cela représente 14393 inversions de chacun des paramètres optiques.
2.3.2.1 Dépendances spectrales
Il est tout d’abord intéressant de voir si les albédos de simple diffusion et les facteurs d’asymétrie ne possèdent pas des dépendances spectrales caractéristiques. Les nuages de points
représentant ces paramètres à 870nm en fonction de leurs valeurs à 440nm sont représentés enFigure 14. A partir de ces nuages de points, des régressions sont réalisées. Etant donné les formes grossières de
ces nuages de points, les régressions utilisées sont linéaires. Celles-ci permettent d’obtenir des coefficients de corrélation linéaire et les équations des droites de régression. Les résultats sont présentés dans leTableau 3.
Figure 14. A gauche, albédos de simple diffusion à 870nm représentés en fonction des albédos de simple diffusion à 440nm pour les 14393 séquences de mesure correspondant
aux 28 stations AERONET sélectionnées. A droite, facteurs d’asymétrie à 870nm représentés en fonction des facteurs d’asymétrie à 440nm pour les mêmes séquences.
PARAMETRES ETUDIES R² EQUATION
) 440 ( 0 ω ω0(870) 0,46 ω0(870)=0,90.ω0(440)+0,09 ) 440 ( g g(870) 0,59 g(870)=1,60.g(440)−0,52
Tableau 3. Coefficients de régression linéaire (R²) et équations des droites de régression obtenus à partir des nuages de points présentés enFigure 14.
Ces résultats montrent qu’il n’y a pas de dépendance spectrale très marquée pour ces paramètres. En effet, les coefficients de corrélation obtenus sont relativement faibles dans les deux cas, avec 0,46 pour les albédos de simple diffusion et 0,59 pour les facteurs d’asymétrie. Ceci se constate d’ailleurs sur laFigure 14, où les nuages de points sont légèrement allongés, mais restent très larges.
2.3.2.2 Corrélations entre propriétés optiques
Il est également intéressant de voir s’il n’existe pas de relations empiriques entre les différentes grandeurs qui caractérisent ces propriétés radiatives : les albédos de simple diffusion, les facteurs d’asymétrie et les coefficients d’Angström. Comme précédemment, les albédos de simple diffusion et les facteurs d’asymétrie sont pris à 440 et 870nm, et les 14393 séquences AERONET correspondant aux 28 sites sélectionnés sont utilisées. Ces paramètres sont étudiés comme précédemment et les nuages de points les représentant les uns en fonction des autres sont représentés en annexe 3. Les résultats des régressions linéaires effectuées sont présentés dans le Tableau 4.
PARAMETRES ETUDIES R² EQUATION ) 440 ( 0 ω α 0,04 ω0(440)=0,02.α+0,88 ) 870 ( 0 ω α 0,21 ω0(870)=−0,05.α+0,97 ) 440 ( g α 0,30 g(440)=−0,03.α+0,76 ) 870 ( g α 0,79 ω0(870)=−0,12.α+0,77 ) 440 ( 0 ω g(440) 0,14 ω0(440)=0,49.g(440)+0,55 ) 870 ( 0 ω g(870) 0,37 ω0(870)=0,50.g(870)+0,59
Tableau 4. Coefficients de régression linéaire (R²) et équations des droites de régression obtenus à partir des nuages de points présentés en annexe 3.
Les paramètres étudiés ici ne présentent pas non plus de relations simples entre eux. En effet, les coefficients de corrélation sont relativement faibles, inférieurs pour la plupart à 0,4, voire très faibles avec un coefficient de corrélation de 0,04 liant le coefficient d’Angström et l’albédo de simple diffusion à 440nm.
Ces résultats montrent tout de même que le coefficient d’Angström est plus corrélé avec les facteurs d’asymétrie qu’avec les albédos de simple diffusion. Ceci s’explique par le fait que le coefficient d’Angström et la fonction de phase, donc le facteur d’asymétrie, sont (de manière empirique pour le coefficient d’Angström) liés à la taille des particules. Ainsi, en moyenne, plus le coefficient d’Angström augmente, donc plus la taille des particules diminue, et plus le facteur d’asymétrie diminue. En revanche, il n’y a pas a priori de relation directe entre le coefficient d’Angström et l’albédo de simple diffusion.
CONCLUSION
Ce chapitre avait pour but de présenter de manière générale les aérosols atmosphériques et d’étudier plus spécifiquement les aérosols au travers de leurs propriétés optiques.
La présentation générale des aérosols atmosphérique a tout d’abord permis de décrire leurs principales caractéristiques telles que leur mode de formation, leur granulométrie ou encore leur répartition spatiale. Ensuite, les paramètres permettant de décrire leurs propriétés radiatives ont été introduites et les modélisations classiques de ces particules ont été présentées : modèles de particules microphysiques et optiques, modélisation verticale et climatologie.
Ces informations générales présentées, une étude originale des propriétés optiques de ces particules a été décrite. Cette étude statistique réalisée à partir de données AERONET pour 68 sites urbains a montré une très grande variabilité spatiale et temporelle de ces propriétés radiatives. En effet, cette étude a montré des variations typiques des albédos de simple diffusion de l’ordre de 0,8 et 1,0, et des variations des facteurs d’asymétrie de l’ordre de 0,5 à 0,8. Les épaisseurs optiques observées peuvent, elles, atteindre en moyenne jusqu’à 0,8 à 440nm et les coefficients d’Angström ont, eux, des valeurs typiques comprises entre 0,4 et 1,8. Les domaines de variations représentatifs de ces paramètres ont ainsi été évalués. Cette étude a également permis de mettre en évidence les faibles corrélations observées entre ces différentes grandeurs (coefficients de corrélations généralement inférieurs à 0,4), montrant la difficulté de définir simplement des modèles optiques d’aérosols représentatifs.
Les aérosols urbains étant caractérisés, il est maintenant nécessaire d’étudier leur impact radiatif afin de préparer la mise en œuvre d’une méthode de télédétection. C’est le but du chapitre suivant.