Validation coordonnée

Si la comparaison rigoureuse de la mesure spatiale et d’une mesure de référence est importante, une analyse coordonnée de l’ensemble des mesures de références disponibles permet d’estimer statistiquement avec plus de précision la qualité de la mesure spatiale à valider. Cette approche permet également de se libérer des biais possibles des instruments de références, biais qui peuvent trouver leur origine dans les différences intrinsèques des mesures correspondantes. Par exemple, on verra dans le chapitre 6 que des différences dans la connaissance des sections efficaces d’absorption dans l’UV et dans l’infrarouge peuvent conduire à des écarts significatifs entre deux mesures faites dans des domaines spectraux différents.

J’ai été chargé de coordonner la validation du méthane et du protoxyde d’azote mesuré par MIPAS sur Envisat [Payan et al., 2007; Payan et al., 2009]. Dans cette étude j’ai été amené à considérer des mesures corrélatives provenant de plateformes et d’instruments très différents : mesures in situ ou mesures à distance faites depuis le sol, un avion, un satellite ou un ballon. Le Tableau 2. Les différentes observations pour la validation des profils de CH4 et de N2O présente une synthèse des mesures utilisées dans cette étude (extrait de Payan et al. [2009]). La plupart des mesures corrélatives ont été obtenues dans le cadre de la campagne

ENVISAT Stratospheric Aircraft and Balloon Campaign (ESABC) coordonnée par l’ESA

[Wursteisen, 2003].

En concertation avec les scientifiques impliqués, des critères de coïncidences ont été définis et recommandés pour l’intercomparaison : moins de 300 km et moins de 3 heures. Il faut également définir une base commune de comparaison, ici le rapport de mélange (plutôt que la concentration) en fonction de la pression (plutôt que l’altitude). Un critère supplémentaire a été défini pour les intercomparasions de mesures réalisées durant l’hiver polaire. Nous avons recommandé de ne pas considérer les mesures ayant une différence de vorticité potentielle (PV) plus grande que 15% (ΔPV/PV < 15%).

Enfin, une réduction du lissage vertical en utilisant les noyaux moyens a été appliquée lorsque c’était nécessaire (i.e. lorsque les résolutions verticales de MIPAS et celle de la mesure corrélative sont significativement différentes). La méthode de Rodgers et Connor [2003] a été utilisée pour transposer les mesures ayant la résolution verticale la plus faible pour les comparer à celles ayant la résolution verticale la plus grande, et ce sur une grille commune de pression.

De plus, l’utilisation de calculs de trajectoires inverses pour augmenter le nombre de coïncidences a permis d’améliorer dans certain cas la statistique.

Ce type d’étude coordonnée donne également un aperçu (non exhaustif) des instruments de recherche embarqués qui permettent la mesure de la composition de l’atmosphère (ici de CH4 et N2O dans la stratosphère). Les expériences ballon impliquées font intervenir des sondeurs à distance de type FTIR opérant en émission thermique au limbe comme IBEX [Bianchini et al., 2003] dans le proche infrarouge et MIPAS-B [Friedl-Vallon et al., 2004] dans l’infrarouge thermique, ou en occultation solaire comme LPMA [Camy-Peyret et al., 1995] aussi bien que des instruments opérants des prélèvements cryogéniques in situ comme

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Bonbon [Engel et al., 1998] et des spectromètres diode laser in situ comme SPIRALE [Moreau et al., 2005].

Instrument ^{Flight date/campaign} _period CH4 N2O Latitude coverage

B

al

loon

IBEX 28-29 July 2002 X Mid-latitude TRIPLE 24 Sept. 2002 X X Mid-latitude

MIPAS-B

24 Sept. 2002 X X Mid-latitude 20/21 March 2003 X X High latitude 3 July 2003 X X High latitude SPIRALE ^{2 Oct. 2002 X X Mid-latitude} 21 Jan. 2003 X X High latitude

LPMA

4 March 2003 X X High latitude 23 March 2003 X X High latitude 9 Oct. 2003 X X Mid-latitude 24 March 2004 X X High latitude

Aircra

ft ^MIPAS-STR

22 July 2002 X X Mid-latitude 28 Feb. to 16 Mach 2003 X X High latitude ASUR ^{14 flights from Oct. 2002} _{to March 2003} X ^{Low, mid and high} _latitudes SAFIRE-A 24 Oct. 2002 X Mid-latitudes

G

ro

und

NDSC –FTIR ^{From 2002-07-06 to 2004-}_03-26. X X High latitudes

NDSC –FTIR ^{From 2002-07-06 to 2004-}_03-26. X X Mid and high latitudes

Satellite HALOE ^{From 22 July to 24 March} ₂₀₀₄ X Mid and high latitudes

Tableau 2. Les différentes observations pour la validation des profils de CH4 et de N2O de MIPAS. Alors que les mesures ballon fournissent des profiles de gaz trace avec une grande résolution verticale dans presque toute la stratosphère, leurs contraintes de lancement spécifiques et leur couverture géographique limitée montrent la complémentarité des mesures avion qui permettent en particulier d’optimiser les coïncidences avec les mesures spatiales, mais avec une résolution verticale limitée. Les réseaux sol comme le NDACC (Network for

the Detection of Atmospheric Composition Change, précédemment NDSC pour Network for the Detection of Stratospheric Change) permettent quand à eux des mesures sur de grandes

périodes de temps, compensant ainsi leur résolution verticale limitée par une statistique importante. Enfin, l’intercomparaison des mesures satellitaires est une technique supplémentaire pour la validation. Evidemment, cela implique que l’instrument spatial de référence ait été lui-même validé par des mesures indépendantes. Plusieurs articles ont été consacrés à la validation de N2O et CH4 de MIPAS par comparaison avec les mesures des

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profils verticaux de CH4 de ACE [De Mazière et al., 2007], des mesures N2O de ACE [Strong

et al., 2007], et des mesures de N2O de MLS [Lambert et al., 2007]. Nous avons utilisé dans notre étude les mesures de HALOE (Halogen occultation Experiment, à bord d’UARS) qui produit des profils verticaux de CH4 depuis 1991 [Park et al., 1996] de la basse stratosphère jusqu’à la mésosphère en utilisant l’absorption solaire et la radiométrie par corrélation.

700 720 740 760 780 800 820 840 -2.0 -1.0^0.0 1.0 2.0 wavenumber (cm-1) 700 720 740 760 780 800 820 840 30.0 60.0 ra dia nce ( 10 -7 W/ cm 2.s^r.c m -1) IASI LARA 980 1000 1020 1040 1060 -2.0 0.0 2.0 wavenumber (cm-1 ) 980 1000 1020 1040 1060 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 ra dia nce (10 -7 W/ cm 2.s^r.c m -1) IASI-balloon LARA 1140 1150 1160 1170 1180 1190 1200 -0.6 -0.3^0.0 0.3 0.6 wavenumber (cm-1) 1140 1150 1160 1170 1180 1190 1200 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 ra dian ce ( 10 -7 W/ cm 2.s^r.cm -1) IASI LARA 1240 1250 1260 1270 1280 1290 1300 1310 1320 -1.0 -0.5^0.0 0.5 1.0 wavenumber (cm-1 ) 1240 1250 1260 1270 1280 1290 1300 1310 1320 0.0 5.0 10.0 15.0 ra di an ce ( 10 -7 W/ cm 2.sr.cm -1) IASI LARA 2150 2155 2160 2165 2170 -0.02^0.00 0.02 0.04 wavenumber (cm-1 ) 2150 2155 2160 2165 2170 0.20 0.30 0.40 0.50 rad ian ce (10 -7 W/ cm 2.s^r.cm -1) IASI LARA

Rapport de mélange à la surface à la surface : CO2 : 392 ± 5 ppmv

CH4 : 2.20 ± 0.28 ppmv N2O : 374 ± 50 ppbv CO : 134 ± 70 ppbv

Figure 24. Exemple d’ajustement multi-fit de 5 fenêtres spectrales de IASI en coïncidence avec les mesures IASI-ballon du 22/02/2007. Le rapport de mélange au sol obtenu par inversion pour 4 espèces est donné à titre

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