Summaries
7.1
Summary
The natural nitrogen cycle has been and is significantly perturbed by anthropogenic emissions of reactive nitrogen (Nr) compounds into the atmosphere, resulting from our production of energy and food. In the last century global ammonia (NH3) emissions have doubled and represent nowadays more than half of total the Nr emissions. NH3
is also the principal atmospheric base in the atmosphere and rapidly forms aerosols by reaction with acids. It is therefore a species of high relevance for the Earth’s environment, climate and human health (Chapter 1). As a short-lived species, NH3is highly variable in time and space, and while ground based measurements are possible,
they are sparse and their spatial coverage is largely heterogeneous. Consequently, global spatial and temporal patterns of NH3emissions are poorly understood and account for the largest uncertainties in the nitrogen cycle.
The aim of this work is to assess distributions and saptiotemporal variability of NH3using satellite measurements
to improve our understanding of its contribution to the global nitrogen cycle and its related effects.
Recently, satellite instruments have demonstrated their abilities to measure NH3and to supplement the sparse
surface measuring network by providing global total columns daily. The Infrared Atmospheric Sounding Inter-ferometer (IASI), on board MetOp platforms, is measuring NH3at a high spatiotemporal resolution. IASI circles
the Earth in a polar Sun-synchronous orbit, covering the globe twice a day with a circular pixel size of 12km diameter at nadir and with overpass times at 9:30 and 21:30 (local solar time when crossing the equator). An improved retrieval scheme based on the calculation of Hyperspectral Range Index (HRI) is detailed in Chapter 2 and compared with previous retrieval methods. This approach fully exploits the hyperspectral nature of IASI by using a broader spectral range (800-1200 cm−1) where NH3 is optically active. It allows retrieving total
columns from IASI spectra globally and twice a day without large computational resources and with an improved detection limit. More specifically the retrieval procedure involves two steps: the calculation of a dimensionless spectral index (HRI) and the conversion of this index into NH3total columns using look-up tables (LUTs) built
Northwestern Europe, and the Ebro Valley. A general good agreement between IASI and LOTOS-EUROS is shown, not only over source regions but also over remote areas and over seas when transport is observed. The yearly analyses reveal that, on average, the measured NH3 columns are higher than the modeled ones. Large
discrepancies are observed over industrial areas in Eastern Europe and Russia pointing to underestimated if not missing emissions in the underlying inventories. For the three hotspots areas, we show that the seasonality be-tween IASI and LOTOS-EUROS matches when the sensitivity of the satellite measurements is taken into account. The best agreement is found in the Netherlands, both in magnitude and timing, most likely as the fixed emission timing pattern was determined from experimental data sets from this country. Moreover, comparisons of the daily time series indicate that although the dynamic of the model is in reasonable agreement with the measurements, the model may suffer from a possible misrepresentation of emission timing and magnitude. Overall, the distinct temporal patterns observed for the three sites underline the need for improved timing of emissions. Finally, the study of the Russian fires event of 2010 shows that NH3modeled plumes are not enough dispersed, which is
confirmed with a comparison using in situ measurements.
Chapter 4 describes the comparisons of IASI-NH3measurements with several independent ground-based and
airborne data sets. Even though the in situ data are sparse, we show that the yearly distributions are broadly consistent. For the monthly analyzes we use ground-based measurements in Europe, China and Africa. Overall, IASI-derived concentrations are in fair agreement but are also characterized by less variability. Statistically significant correlations are found for several sites, but low slopes and high intercepts are calculated in all cases. At least three reasons can explain this: (1) the lack of representativity of the point surface measurement for the large IASI pixel, (2) the use of a single profile shape in the retrieval scheme over land, which does therefore not account for a varying boundary layer height, (3) the impact of the averaging procedure applied to satellite measurements to obtain a consistent quantity to compare with the in situ monthly data. The use of hourly surface measurements and of airborne data sets allows assessing IASI individual observations. Much higher correlation coefficients are found in particular when comparing IASI-derived volume mixing ratio with vertically resolved measurements performed from the NOAA WP-3D airplane during CalNex campaign in 2010. The results demonstrate the need, for validation of the satellite columns, of measurements performed at various altitudes and covering a large part of the satellite footprint.
The six-year of IASI observations available at the end of this thesis are used to analyze regional time series for the first time (Chapter 5). More precisely, we use the IASI measurements over that period (1 January 2008 to 31 December 2013) to identify seasonal patterns and inter-annual variability at subcontinental scale. This is achieved by looking at global composite seasonal means and monthly time series over 12 regions around the world (Europe, Eastern Russia and Northern Asia, Australia, Mexico, South America, 2 sub-regions for Northern America and South Asia, 3 sub-regions for Africa), considering separately but simultaneously measurements from IASI morning and evening overpasses. The seasonal cycle is inferred for the majority of these regions. The relations between the NH3atmospheric abundance and emission processes is emphasized at smaller regional
scale by extracting at high spatial resolution the global climatology of the month of maxima columns. In some region, the predominance of a single source appears clearly (e.g. agriculture in Europe and North America, fires in central South Africa and South America), while in others a composite of source processes on small scale is demonstrated (e.g. Northern Central Africa and Southwestern Asia).
7.2
Samenvatting
De natuurlijke stikstofcyclus op aarde is be¨ınvloed door antropogene emissies van reactief stikstof (Nr) compo-nenten naar de atmosfeer als gevolg van de productie van energie en voedsel. De ammoniak (NH3) emissies
zijn in de afgelopen eeuw op wereldschaal verdubbeld en zijn nu ongeveer de helft van de totale Nr emissies. NH3is de belangrijkste basische component in de atmosfeer en reageert snel met de daarin aanwezige zuren tot
aerosolen. Het is daarom een belangrijke component in het milieu, klimaat en menselijke gezondheid (Hoofdstuk 1).
NH3 is vanwege de korte levensduur zeer variabel in tijd en ruimte, en terwijl er metingen op leefniveau
goed mogelijk zijn, zijn ze schaars en hun ruimtelijke dekking is zeer heterogeen. Als gevolg hiervan worden globale ruimtelijke en temporele patronen van NH3-emissies slecht beschreven en vertegenwoordigen daarmee
de grootste onzekerheid in de stikstofcyclus. Het doel van deze thesis is het onderzoeken en vaststellen van de ruimtelijke en temporele variabiliteit van NH3door gebruik van satellietgegevens om de bijdrage ervan aan de
wereldwijde stikstofcyclus en de bijbehorende effecten te kwantificeren.
Recentelijk is het mogelijk geworden om met satelliet instrumenten de concentratie van NH3 in de kolom
tussen satelliet en aarde te meten en daarmee de schaarse grondmetingen aan te vullen. Vooral de Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI), aan boord van de MetOp platforms meet met hoge resolutie de ruimtelijke en temporele variatie van de NH3concentratie.
IASI circuleert boven de aarde in een zon-synchrone baan over de polen die tweemaal per dag met een cirkelvormige (12 km diameter) pixelgrootte de gehele aarde bestrijkt om 9:30 en 21:30 (lokale zonnetijd bij overschrijding van de evenaar). Een verbeterde retrieval methode gebaseerd op de berekening van de Hyper-spectrale Range Index (HRI) wordt gedetailleerd beschreven in Hoofdstuk 2 en vergeleken met eerdere retrieval methoden. Deze aanpak benut volledig de hyper-spectrale karakteristieken van IASI op een breder spectrum (800-1200 cm−1) waar NH3 optisch actief is. Het maakt de bepaling van totale kolommen van IASI spectra
wereldwijd twee keer per dag mogelijk zonder uitgebreide berekeningen en met een verbeterde detectiegrens. De retrieval procedure omvat twee stappen: het berekenen van een dimensieloze spectrale index (HRI) en de omzetting van deze index in NH3 totale kolommen met behulp van opzoektabellen (LUT) welke afgeleid zijn
van spectrale simulaties uitgevoerd onder verschillende atmosferische omstandigheden. Bij de retrieval wordt ook een schatting gemaakt van de onzekerheid in de totale kolom, die van groot belang is voor verdere analyse en bij vergelijkingen met modellen en metingen.
De wereldwijde verdeling van de NH3 concentraties over vijf jaar (1 november 2007 tot 31 oktober 2012)
gemeten met IASI/MetOp-A zijn afzonderlijk voor de ochtend en avond meettijden geanalyseerd. Het voordeel van de op de HRI gebaseerde retrieval methode ten opzichte van andere methoden is de identificatie van met name de kleinere emissiebronnen en het transport van NH3over de oceanen. Het voordeel van de hoge ruimtelijke
res-olutie van IASI is aangetoond met de vaststelling van de regionale verdeling van NH3 in China en de eerste
tijdreeksen van vier jaar worden kort besproken. Verder zijn vier jaar (1 januari 2008 tot 31 december 2011) IASI-NH3 kolommen van de ochtend waarnemingen gevalueerd met LOTOS-EUROS model simulaties over
die van de observaties representeert het model de emissie timing en omvang onvoldoende. De vergelijking van de drie hotspots geeft aan dat een verbetering van het emissieverloop in het model noodzakelijk is. Tot slot laat het onderzoek naar de grootschalige branden in Rusland zien dat de gemodelleerde NH3pluimen niet voldoende
verspreiding geven zoals blijkt uit de vergelijking met de metingen.
Hoofdstuk 4 beschrijft de vergelijking tussen NH3metingen van IASI met onafhankelijke grond- en
vliegtu-igmetingen. Voor de relatief weinig beschikbare grondmetingen geldt dat er een redelijke overeenkomst is tussen beide metingen. Maandgemiddelde IASI metingen komen redelijk overeen met grondmetingen die beschikbaar zijn voor Europa, China en Afrika, al is de variabiliteit van de grondmetingen hoger. De statistische analyse laat dan ook significante correlaties zien voor verschillende individuele meetpunten echter met lage hellingen en hoge as-afsnijding in de vergelijkingen. Hier zijn op zijn minst de volgende drie verklaringen voor: (1) beperkte representativiteit van de grond (punt) metingen ten opzichte van de IASI metingen die een groter gebied verte-genwoordigen; (2) het gebruik van een standaard verticaal concentratieprofiel van NH3 in de retrieval die geen
rekening houdt met de variatie in menglaaghoogte en andere processen van invloed op het profiel; en (3) het effect van de maandgemiddelde bepaling van de satelliet waarnemingen gezien de beperkte dekking in tijd.
De vliegtuigmetingen zijn zeer geschikt om te vergelijken met individuele IASI observaties. Veel hogere cor-relatie cofficinten werden gevonden dan in vergelijking met grondmetingen, bij het vergelijken van IASI-afgeleide volume mengverhoudingen met verticale concentratiemetingen uitgevoerd vanuit het NOAA WP-3D-vliegtuig ti-jdens de CalNex campagne in 2010. De resultaten tonen de waarde van validatie van de satelliet kolommen met metingen uitgevoerd op verschillende hoogten die een groot deel van de satelliet footprint representeren.
De zes jaar beschikbare IASI waarnemingen worden aan het einde van dit proefschrift voor het eerst gebruikt voor de analyse van regionale tijdreeksen (Hoofdstuk 5). We gebruiken de IASI metingen over de periode (1 januari 2008 tot 31 december 2013) om seizoensvariaties en inter-jaarlijkse variabiliteit te identificeren op sub-continentale schaal. Dit is gedaan door analyse van de wereldwijde samengestelde seizoensgemiddelden en maandelijkse tijdreeksen afzonderlijk voor de IASI ochtend en avond metingen voor 12 regio’s in de wereld (Europa, Oost-Rusland en Noord-Azi, Australi, Mexico, Zuid-Amerika, 2 sub-regio’s voor Noord-Amerika en Zuid-Azi, 3 subregio’s voor Afrika). Een karakteristieke seizoenscyclus is vastgesteld voor de meeste van deze gebieden. Op kleinere regionale schaal is de relatie tussen de NH3concentratie en emissieprocessen afgeleid door
bepaling van de maximale kolommen in de maand op hoge ruimtelijke resolutie. In sommige regios is een enkele bron van NH3dominant en eenduidig te duiden (bijvoorbeeld landbouw in Europa en Noord-Amerika, branden
in centraal Zuid Afrika en Zuid-Amerika), terwijl in andere regios de NH3bepaald wordt door een samenstelling
van lokale bronnen en processen (bv Noord-Centraal-Afrika en Zuidwest-Azi).
7.3
R´esum´e
Le cycle naturel de l’azote est fortement perturb´e suite aux ´emissions atmosph´eriques de compos´es azot´es r´eactifs (Nr) r´esultant de nos besoins accrus en ´energie et en nourriture. Les ´emissions d’ammoniac (NH3) ont doubl´e
au cours du si`ecle dernier, repr´esentant aujourd’hui plus de la moiti´e des ´emissions totales de Nr. De plus, le NH3 ´etant le principal compos´e basique de notre atmosph`ere, il r´eagit rapidement avec les compos´es acides
pour former des a´erosols. C’est d`es lors un constituant pr´epond´erant pour l’environnement, le climat et la sant´e publique. Les probl´ematiques environnementales y ´etant li´ees sont d´ecrites au Chapitre 1. En tant que gaz en trace le NH3 se caract´erise par une importante variabilit´e spatiale et temporelle. Bien que des mesures in situ
soient possibles, elles sont souvent rares et couvrent le globe de fac¸on h´et´erog`ene. Il en r´esulte un manque de connaissance sur l’´evolution temporelle et la variabilit´e spatiale des ´emissions, ainsi que de leurs amplitudes, qui repr´esentent les plus grandes incertitudes pour le cycle de l’azote (´egalement d´ecrites au Chapitre 1).
R´ecemment, les sondeurs spatiaux op´erant dans l’infrarouge ont d´emontr´e leurs capacit´es `a mesurer le NH3
et par l`a `a compl´eter le r´eseau d’observations de surface. Particuli`erement, l’Interf´erom`etre Atmosph´erique de Sondage Infrarouge (IASI), `a bord de la plateforme MetOp, mesure le NH3 `a une relativement haute r´esolution
spatiotemporelle. Il couvre le globe deux fois par jour, grˆace `a son orbite polaire et son balayage autour du nadir, avec un temps de passage `a 9h30 et `a 21h30 (temps solaire local quand il croise l’´equateur). Une nouvelle m´ethode de restitution des concentrations bas´ee sur le calcul d’un index hyperspectral sans dimension (HRI) est d´etaill´ee et compar´ee aux m´ethodes pr´ec´edentes au Chapitre 2. Cette m´ethode permet d’exploiter de mani`ere plus approfondie le caract`ere hyperspectral de IASI en se basant sur une bande spectrale plus ´etendue (800-1200 cm−1) au sein de laquelle le NH3est optiquement actif. Nous d´ecrivons comment restituer ces concentrations
deux fois par jour sans n´ecessiter de grandes ressources informatiques et avec un meilleur seuil de d´etection. Plus sp´ecifiquement, la proc´edure de restitution des concentrations consiste en deux ´etapes: le HRI est calcul´e dans un premier temps pour chaque spectre puis est ensuite converti en une colonne totale de NH3`a l’aide de tables de
conversions. Ces tables ont ´et´e construites sur base de simulations de transfert radiatif effectu´ees pour diff´erentes conditions atmosph´eriques. Le processus de restitution des concentrations comprend ´egalement le calcul d’une erreur sur la colonne mesur´ee. Des distributions globales moyenn´ees sur cinq ans (du 1 novembre 2007 au 31 Octobre 2012) sont pr´esent´ees et analys´ees s´eparement pour le passage diurne et nocturne de IASI. L’avantage de ce nouvel algorithme par rapport aux autres m´ethodes, permettant l’identification de sources plus faibles de NH3
ainsi que du transport depuis les sources terrestres au-dessus des oc´eans, est d´emontr´e. Le b´en´efice de la haute couverture spatiale et temporelle de IASI est mis en exergue par une description r´egionale au-dessus de la Chine ainsi que par l’analyse de premi`eres s´eries temporelles h´emisph´eriques sur quatre ans.
Au Chapitre 3, nous ´evaluons quatre ans (du 1 janvier 2008 au 31 d´ecembre 2011) de mesures matinales de IASI ainsi que de simulations du mod`ele LOTOS-EUROS, effectu´ees au-dessus de l’Europe et de l’ouest de la Russie. Nous d´ecrivons une m´ethodologie pour prendre en compte, dans la comparaison avec le mod`ele, la sensibilit´e variable de l’instrument IASI pour le NH3. Les comparaisons montrent alors une bonne
concor-dance g´en´erale entre les mesures et les simulations. Les distributions pointent trois r´egions sources: la vall´ee du Pˆo, le nord-ouest de l’Europe continentale et la vall´ee de l’Ebre. L’analyse des distributions annuelles montre qu’en moyenne, les colonnes de NH3mesur´ees sont plus ´elev´ees que celles simul´ees, `a part pour quelques cas
Le chapitre 4 est d´edi´e `a la confrontation des mesures IASI avec diff´erents jeux de donn´ees ind´ependants acquis depuis le sol et par avion. Les distributions globales annuelles sont concordantes, bien que la couverture spatiale des mesures sols soit limit´ee. Des mesures effectu´ees `a la surface en Europe, en Chine et en Afrique sont utilis´ees pour les comparaisons mensuelles. Ces derni`eres r´ev`elent une bonne concordance g´en´erale, bien que les mesures satellites montrent une plus faible amplitude de variations de concentrations. Des corr´elations statistiquement significatives ont ´et´e calcul´ees pour de nombreux sites, mais les r´egressions lin´eaires sont car-act´eris´ees par des pentes faibles et des ordonn´ees `a l’origine ´elev´ees dans tous les cas. Au minimum, trois raisons contribuent `a expliquer cela: (1) le manque de repr´esentativit´e des mesures ponctuelles pour l’´etendue des pixels IASI, (2) l’utilisation d’une seule forme de profil vertical pour la restitution des concentrations, qui ne prend d`es lors pas en compte la hauteur de la couche limite, (3) l’impact de la proc´edure utilis´ee pour moyenner les obser-vations satellites afin d’obtenir des quantit´es comparables aux mesures sols mensuelles. La prise en compte de mesures en surface effectu´ees `a plus haute r´esolution temporelle ainsi que de mesures faites depuis un avion per-met d’´evaluer les observations IASI individuelles. Les co´efficients de corr´elation calcul´es sont bien plus ´elev´es, en particulier pour la comparaison avec les mesures effectu´ees depuis l’avion NOAA WP-3D pendant la cam-pagne CalNex en 2010. Ces r´esultats d´emontrent la n´ec´essit´e de ce type d’observations, effectu´ees `a diff´erentes altitudes et couvrant une plus grande surface du pixel, pour valider les colonnes IASI-NH3.
Les six ans de donn´ees IASI disponibles `a la fin de cette th`ese sont utilis´ees pour tracer les premi`eres s´eries temporelles sub-continentales (Chapitre 5). Plus pr´ecifiquement, nous explorons les mesures IASI durant cette p´eriode (du 1 janvier 2008 jusqu’au 31 d´ecembre 2013) pour identifier des structures saisonni`eres ainsi que la variabilit´e inter-annuelle `a l’´echelle sous-continentale. Pour arriver `a cela, des moyennes saisonni`eres composites ont ´et´e produites ainsi que des s´eries temporelles mensuelles au-dessus de 12 r´egions du globe (Europe, est de la Russie et nord de l’Asie, Australie, Mexique, Am´erique du Sud, 2 sous-r´egions en Am´erique du nord et en Asie du sud et 3 sous-r´egions en Afrique), consid´erant s´epar´ement mais simultan´ement les mesures matinales et nocturnes de IASI. Le cycle saisonnier est raisonnablement bien d´ecrit pour la plupart des r´egions. La relation entre la quantit´e de NH3atmosph´erique et ses sources d’´emission est mise en exergue `a l’´echelle plus r´egionale
par l’extraction `a haute r´esolution spatiale d’une climatologie des mois de colonnes maximales. Dans certaines r´egions, la pr´edominance d’un processus source apparait clairement (par example l’agriculture en Europe et en Am´erique du nord, les feux en Afrique du Sud et en Am´erique du Sud), alors que, pour d’autres, la diversit´e des sources d’´emissions est d´emontr´ee (par exemple pour le nord de l’Afrique centrale et l’Asie du sud-ouest).
