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THÈSE THÈSE En vue de l’obtention du DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Déliv

THÈSE THÈSE En vue de l’obtention du DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par : l’Université Toulouse 3 Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier) Présentée et soutenue le 19/09/2014 par : Emeric Hache Apport de la bande de Chappuis pour la mesure de l’ozone depuis un satellite géostationnaire pour la surveillance de la qualité de l’air JURY Jean-Marie FLAUD Président du Jury Sébastien PAYAN Rapporteur Vincent-Henri PEUCH Examinateur William LAHOZ Examinateur Philippe RICAUD Examinateur Laaziz EL AMRAOUI Examinateur Jean-Luc ATTIÉ Directeur de thèse Cyrille TOURNEUR Co-Directeur de thèse École doctorale et spécialité : SDU2E : Océan, Atmosphère et Surfaces Continentales Unité de Recherche : Laboratoire d’Aérologie (UMR 5560) et CNRM-GAME Météo-France (UMR 3589) Directeur(s) de Thèse : Jean-Luc ATTIÉ et Cyrille TOURNEUR Rapporteurs : Jean-Marie FLAUD et Sébastien PAYAN 2 3 Résumé La qualité de l’air (QA) concerne la composition atmosphérique de la basse troposphère (et plus particulièrement dans la Couche Limite Atmosphérique -CLA-, entre la surface et 1 km d’altitude) qui a un impact direct sur les activités et la santé humaines. Elle dépend en particulier des processus d’émissions, de chimie, de transport atmosphérique ou encore de turbulence dans la CLA. La variabilité temporelle et spatiale de la QA sont respectivement de l’ordre de l’heure et de la dizaine de kilomètres. La QA est à ce titre diﬃcile à modéliser et surtout à prévoir. Il est donc nécessaire de surveiller les espèces clés de la QA que sont par exemple l’ozone, les oxydes d’azote, les particules ﬁnes ou le monoxyde de carbone. Dans cette thèse, nous nous intéressons en particulier aux mesures d’ozone depuis un satellite géostationnaire à partir d’un instrument simulé qui vise dans l’infrarouge thermique (TIR) et le visible (VIS). L’instrument simulé s’appuie sur le concept MAGEAQ (Monitoring the Atmosphere from Geostationary orbit for European Air Quality) présenté lors de l’appel d’oﬀre Earth Explorer-8 de l’ESA en 2010. Une première étude dans cette thèse porte sur la valeur ajoutée de la composante VIS de l’instrument par rapport à sa composante TIR seule. La CLA est particulièrement étudiée pendant la journée pour comprendre l’apport du VIS dans la mesure de l’ozone, pour la QA, par l’instrument simulé. Une deuxième étude présente une expérience de simulation de système d’observation, dans laquelle les observa- tions simulées de l’instrument sont assimilées dans le modèle de chimie transport MOCAGE pour y quantiﬁer la valeur ajoutée par rapport aux observations existantes (essentiellement des mesures de stations sol) dans la détermination de l’ozone dans la CLA. Mots-clés : Qualité de l’air, Géostationnaire, Modélisation, Bande de Chappuis, Ozone. Summary Air quality (AQ) concerns the atmospheric composition of the lowermost troposphere between the ground and 1 km heights. Air quality has a strong impact on human health and human activities ; it depends on chemical and transport processes and emissions. The temporal and spatial variability of AQ is ∼1 hour and ∼10 km. It is thus diﬃcult to model and forecast AQ. It is therefore necessary to monitor key species for AQ, these include ozone, carbon monoxide, nitrogen oxides and particulate matter. This thesis focus on ozone measurement from a geostationary satellite with a simulated instrument that couples a thermal infrared band (TIR) with a visible band (VIS). The simulated instrument comes from the MAGEAQ (Monitoring the Atmosphere from Geostationary orbit for European Air Quality) concept proposed during the ESA EE-8 call in 2010. This thesis study the added value of the visible band of the instrument compared to the thermal infrared band on its own. We focus on the lowermost troposphere (between the ground and 1 km heights) during daytime to understand the visible contribution of the simulated instrument in the ozone measurement for AQ purpose. Also, we study the results of an Observing System Simulation Experiments (OSSEs), which use the assimilation of the simulated observations into the chemistry transport model MOCAGE to quantify their impact on the Global Observing System (GOS), for ozone determination for air quality purpose. Keywords : Air quality, Geostationary, Modelisation, Chappuis band, Ozone. 4 5 Remerciements Je tiens, à travers ces quelques lignes, à remercier toutes les personnes qui durant mes 3 années de thèse auront su m’apporter leur soutien, leur aide et leur amitiè. Ces personnes qui ont énormément compté dans mon travail et qui ont permis de faire de ma thèse une expérience enrichissante et agréable. Ainsi, je tiens tout d’abord à remercier les membres de mon jury, pour leurs investis- sements autour de mes travaux de thèse : merci à Sébastien Payan et à Jean-Marie Flaud pour avoir accepté d’être les rapporteurs de mon travail de thèse, pour avoir accepté de relire et corriger mon manuscrit en plein mois d’Août, et pour avoir aﬀronté une grève d’Air France pour venir à ma soutenance. Merci à William Lahoz, Vincent-Henri Peuch, Philippe Ricaud et Laaziz El Amraoui pour m’avoir donné beaucoup de votre temps pour étudier/corriger/améliorer mes travaux, votre aide m’aura été précieuse. Je tiens à remer- cier spécialement William pour avoir toujours su apporter de la bonne humeur lors de ses séjours en France ! Enﬁn, un grand Merci à Cyrille Tourneur mon co-directeur de thèse et Jean-Luc Attié mon directeur de thèse, pour m’avoir permis de réaliser cette thèse, pour m’avoir encadré durant ces 3 années, et m’avoir toujours soutenu. Je remercie tout spé- cialement Jean-Luc pour avoir su être toujours agréable et pour m’avoir prêté une oreille attentive lorsque cela était nécessaire, durant ma thèse j’ai énormément progressé que ce soit sur le plan professionnel ou personnel et c’est grâce à toi ! Je tiens également à remercier toutes les personnes qui m’ont été proches à Météo-France durant ces 3 années, à savoir l’équipe CARMA et CAIAC entre 2011 et 2014 ! Merci à la ﬁne équipe de thésard/post-doctrorants, et bien entendu merci au bureau 147 pour avoir réussi à me supporter tout ce temps dans la bonne humeur ! :-D Sans oublier, merci à MLM qui a su gérer d’une main de maître toute la partie admi- nistrative de ma thèse ! Enﬁn, mes derniers remerciements iront tout simplement à mes amis et à ma famille, qui même si c’est parfois de loin, m’ont toujours soutenu et m’ont permis d’arriver là où j’en suis aujourd’hui ! En particulier, merci à Aude... 6 Table des matières Table des ﬁgures 11 Liste des tableaux 19 Introduction Générale 21 1 La qualité de l’air et sa mesure 27 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.2 L’atmosphère terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.2.1 Structure verticale de l’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.2.1.1 L’exosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.2.1.2 La thermosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.2.1.3 La mésosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.2.1.4 La stratosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.2.1.5 La troposphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.2.1.6 La couche limite atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.2.2 Les processus inﬂuençant la qualité de l’air . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.2.2.1 Émissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.2.2.2 Réactions chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.2.2.3 Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.2.2.4 Dépôt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.2.3 Le lien entre la qualité de l’air et les conditions climatiques . . . . . . 37 1.3 Les polluants atmosphériques . . . . . . . . uploads/Geographie/ apport-de-la-bande-de-chappuis-pour-la-mesure-de-l-ozone-pdf.pdf