Traitement opérationnel des mesures IASI – Restitution de colonnes totales de

Restitution de colonnes totales de HNO

L’étude de sensibilité des spectres IASI à la mesure de HNO₃ a été réalisée dans la section 5.2 afin de caractériser les quantités inversées et ainsi d’évaluer la capacité du système d’observation (instrument et algorithme d’inversion). Cette étude a permis de déterminer la sensibilité des spectres mesurés à la concentration d’acide nitrique dans la troposphère et la stratosphère. L’analyse des fonctions de lissage a en particulier mis en évidence l’absence d’information verticale pour HNO3 dans les mesures IASI. L’inversion d’une colonne intégrée semble donc appropriée. Dans un souci d’optimisation du temps de calcul, cette option a été retenue pour le traitement opérationnel FORLI-HNO₃. La colonne totale est restituée par ajustement d’un facteur multiplicatif appliqué au profil fixé global a priori. Les tables d’intensité pré-calculées de HNO3 et de vapeur d’eau sont considérées. Elles s’étalent de 810 à 960 cm^-1 et sont établies sur une grille logarithmique pour la pression et linéaire pour la température (et l’humidité pour la table de section efficace de vapeur d’eau). Dans le but de représenter l’état atmosphérique caractéristique de chaque observation, les températures sont considérées entre 162.8 K à 322.64 K avec un pas de 5K et les logarithmes de la pression s’étalent de -10 à 0 (soit de 4.5_×10^-5 à 1 atm) avec un pas de 0.2. Pour la table de sections efficaces de vapeur d’eau, une troisième variable est considérée : l’humidité relative entre 0 et 100% avec un pas de 10%.

Paramètres d’inversion

Le profil a priori est identique à celui qui a été généré pour l’étude de la caractérisation des spectres IASI avec Atmosphit (cf figure 5.4). Etant donné la restitution d’une colonne plutôt que d’un profil, l’inversion de la colonne ne prend pas en compte la matrice de covariance S mais une variabilité a priori de 100%. Le profil de vapeur d’eau ainsi que de la température de surface et le profil de température sont ceux des données de niveau 2 fournies par Eumetsat, co-localisés avec les observations IASI (Schlüssel et al., 2005). L’inversion de ces paramètres, hormis le profil de température, est également effectuée. L’émissivité de surface moyenne utilisée jusqu’alors est remplacée par une climatologie d’émissivité de surface qui provient des observations satellites de l’imageur MODIS/Terra (Wan, 2008). Les mesures d’émissivité à 908 cm^-1, qui constituent les mesures disponibles dans le canal spectral le plus proche de la région pour l’inversion de HNO₃, sont utilisées.

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Qualité de l’ajustement spectral

A l’échelle globale, un bon ajustement spectral est obtenu en utilisant cette méthode d’inversion. Les valeurs de RMS des spectres résiduels varient entre 1.5 10^-6 W/m².sr.m^-1 et 3 10^-6 W/m².sr.m^-1 (au-delà de ce maximum, les mesures sont rejetées (section précédente)) avec en moyenne une valeur de 2.3 10^-6 W/m².sr.m^-1, proche du bruit radiométrique effectif fixé à 2 10^-6 W/m².sr.m^-1. Les valeurs les plus élevées du RMS sont observées dans les régions équatoriales dues aux concentrations élevées de vapeur d’eau ainsi qu’au-dessus des régions désertiques en raison de la présence de fortes structures d’émissivité.

Evaluation de l’erreur d’inversion

Les erreurs statistiques totales associées à l’inversion des colonnes totales d’HNO₃ sont calculées selon l’équation 3.48 à la dernière itération. Les erreurs sont fortement variables sur le globe (Fig. 5.20). Elles varient entre quelques pourcents jusqu’à la valeur maximum de 32% (cf section 5.3.3) avec en moyenne des valeurs d’environ 12%. Les erreurs les plus importantes sont observées dans la ceinture équatoriale, en accord avec la qualité inférieure de l’ajustement spectral dans cette partie du globe. De fortes erreurs sont également observées dans les régions polaires principalement au-dessus de la glace ou de surfaces particulièrement froides. Ceci s’explique par une diminution de la radiance et donc du rapport signal sur bruit, limitant l’information disponible. Une autre raison est l’émissivité spécifique de la glace dans la région spectrale considérée.

Fig. 5.20 - Distribution globale de l’erreur statistique totale associée aux colonnes totales d’HNO3

inversées

Evaluation des performances de l’inversion d’une colonne totale

L’inversion d’une colonne totale par ajustement d’un seul facteur multiplicatif représente une contrainte supplémentaire pour le système d’inversion si l’information n’est pas distribuée de manière constante sur la verticale. Rappelons que l’information contenue dans les spectres IASI est maximale autour de 20 km d’altitude et qu’elle est négligeable dans les basses couches. L’ajustement de toute la colonne est donc principalement fonction de la concentration mesurée à cette altitude, quelles que soient les concentrations réelles dans les autres couches. Ceci pourrait induire des sur- ou sous-estimations considérables en raison d’une sensibilité verticale limitée de la mesure à certaines altitudes. Afin d’évaluer le possible biais imposé par cette méthodologie, nous avons effectué une comparaison sur deux jours à différentes latitudes entre les résultats de l’inversion FORLI (colonne totales) et Atmosphit (colonnes partielles). La figure 5.21 révèle un bon accord entre les deux procédures d’inversion. Des différences relatives atteignant environ 16% sont observées à Wollongong et NyAlesund et indiquent la tendance de FORLI-HNO3 à surestimer les colonnes totales lorsque les concentrations de HNO₃ sont élevées. On s’attend donc à une surestimation des colonnes totales dans les régions d’hiver polaire.

Fig. 5.21 - Comparaison entre les colonnes totales résultant de l’inversion d’une colonne totale par FORLI et d’un profil par Atmosphit pour deux jours de données à différentes latitudes.

5.5 Conclusions

Les résultats présentés dans ce chapitre ont montré la possibilité de mesurer l’acide nitrique à partir de spectres IR mesurés au nadir entre 860 et 900 cm^-1, en utilisant l’information spectrale des bandes d’absorption "₅ et 2"₉. Une étude détaillée de sensibilité a révélé que les spectres IMG (0.1 cm^-1 de résolution spectrale) contiennent entre 1.2 et 1.8 niveaux indépendants d’information (excepté dans les régions plus froides du globe) avec une sensibilité qui s’étend du sol à 40 km et un maximum de sensibilité dans la moyenne troposphère (autour de 7 km) et dans la moyenne stratosphère (autour de 17 km). L’analyse des fonctions de sensibilité montre qu’il est possible de séparer l’information en deux contributions relativement indépendantes : une s’étendant du sol à 10km et la seconde de 10 à 40 km. Le bilan des erreurs indique que l’erreur totale est dominée par l’erreur de lissage. Elle est d’environ 10% pour la colonne 10-40 km à 65% pour la colonne 0-10km. Elle indique un gain en précision sur toute l’altitude par rapport à l’incertitude a priori.

Une étude similaire des spectres IASI (0.5 cm^-1 de résolution spectrale) a montré l’absence d’information verticale dans la mesure, avec un maximum de sensibilité autour de 20km. L’erreur totale associée au profil est dominée par l’erreur de lissage et elle indique un gain en précision principalement entre 10 et 25 km. L’erreur sur la colonne est de 15%.

Le traitement opérationnel des spectres IASI s’appuie sur ces résultats. Il est réalisé par le logiciel FORLI-HNO₃ et consiste en la restitution d’une colonne totale. Appliquée à l’échelle du globe, cette procédure donne des résultats de qualité en termes d’ajustement (RMS moyen de 2.3 10^-6 W/m².sr.m^-1) et d’erreur d’inversion (12% en moyenne), hormis pour des cas particuliers (scènes nuageuses, émissivité des surfaces désertiques) qui sont pour la plupart éliminés avant l’analyse géophysique, via l’application de filtres développés à cet effet.