Assimilation de données satellitaires et inversion de sources pour l’étude de la composition chimique atmosphérique

Human activities are at the origin of emissions of polluted gases that can perturb the chemical com- position of the atmosphere and the climate. The measurements of the concentration of atmospheric constituents at global scale is needed to forecast long term consequences of these emissions. Several space missions embarking instruments dedicated to the observation of minor atmospheric species have been launched recently or will be launched in the near future.The measurements of chemical species are obtained at the global scale with vertical, horizontal and time sampling depending upon the instrument. Data assimilation techniques allow to reconstruct in an optimal way 3D global field of atmospheric param- eters starting from a limited data set. They are wide- ly used in weather forecast models and starts to develop in the field of atmospheric chemistry. This paper presents the work made within the French scientific community to develop and implement data assimilation methods in chemistry, dynamics and transport models in order to improve our knowledge of the composition of the troposphere and the stratosphere, using available measurements of atmospheric species (from satellites, balloons and aircrafts). The work presented here has been done in the frame of French National Program of Atmospheric Chemistry (PNCA) in a coordinated project “Satellite data assimilation and sources inversion for the study of the atmospheric chemistry”. It is made in interaction with other PNCA projects, “Chemistry at large scale and chemistry-climate interaction” and “Emissions of chemical compounds and aerosols”.The first part describes studies on the chemical com- position of the troposphere. The major scientific issues concern the evolution of the oxydation poten-

Les activités humaines produisent des émissions de pol- luants qui sont susceptibles de perturber la composition chimique de l’atmosphère et le climat. La mesure de la concentration des constituants atmosphériques à l’échel- le globale est donc indispensable si l’on veut pouvoir pré- voir les conséquences à long terme de ces émissions. Le présent article présente les travaux effectués au sein de la communauté française sur l’utilisation des techniques d’assimilation de données et d’inversion de sources. Leur objectif est d’améliorer notre connaissance de l’at- mosphère terrestre en utilisant les mesures de concentra- tion des constituants atmosphériques (satellites, avions, ballons) afin de contraindre les modèles atmosphériques, tant pour l’étude de la composition de la troposphère que pour l’étude de la chimie stratosphérique. Les techniques d’assimilation de données permettent de reconstituer defaçon optimale des champs globaux 3D de paramètres atmosphériques à partir d’un jeu limité de données. Ces techniques, utilisées depuis longtemps en météorologie, se développent rapidement dans le domaine de la chimie atmosphérique. Ces travaux sont réalisés dans le cadre d’un projet soutenu par le Programme National de Chimie Atmosphérique (PNCA) coordonné par C. Clerbaux. D’autre part ils sont réalisés en interactions avec d’autres projets soutenus par le PNCA :■ Chimie à grande échelle et interactions chimie-climat

ETUDE DE LA COMPOSITION CHIMIQUE DE LA TROPOSPHERE

Sous l’influence des activités humaines, la composition chimique de la troposphère évolue et les concentrations de nombreuses espèces varient rapidement. La production d’énergie à partir des combustibles fossiles (charbon, pétrole), l’activité industrielle et agricole, le brûlage de la biomasse, conjugués à la croissance démographique continue, sont les principaux responsables de modifica- tion des émissions de constituants atmosphériques mino- ritaires qui régissent la composition chimique de la tro- posphère, comme le monoxyde de carbone (CO), le méthane (CH), les hydrocarbures et les composés soufrés. Les quantités sup- plémentaires de gaz en trace s’additionnent à celles géné- rées par les processus naturels liés aux échanges avec la biosphère (sols, végétation, océans) et aux volcans [WMO, 1999 ; IPCC, 2001].

Pour étudier la composition de l’atmosphère, de nom- breuses missions satellitaires comportant des instruments qui mesurent les concentrations en constituants atmosphériques ont été lancées ou sont proposées pour un lancement dans un futur proche. Les instruments spa- tiaux combinent sondages troposphériques, stratosphé- riques et haute-troposphère/basse-stratosphère, pour per-mettre l’étude des distributions spatio-temporelles des cons- tituants atmosphériques minoritaires à l’échelle globale. Dans la troposphère, les observations depuis l’espace par visée au nadir permettent de mesurer les concentrations des espèces troposphériques avec une bonne couverture géographique et temporelle, au détriment de la résolution horizontale/verticale et de la précision. De ce fait, certai- nes espèces à courte durée de vie, comme OH, ne sont pas mesurables depuis l’espace. Les campagnes de mesu- res locales (mesures sol et in-situ) et régionales (avion, bal- lon) sont en général plus précises, tant d’un point de vue de la résolution spatiale et temporelle que de l’incertitu- de liée à la mesure. Elles permettent d’une part de valider les mesures satellitaires, d’autre part d’accéder aux concentrations de constituants qui ne peuvent être détec- tés par un sondeur embarqué sur satellite. L’utilisation de modèles de chimie-transport atmosphérique (CTM on-line ou off-line, régionaux ou globaux) permet de combiner différents types de mesures pour étudier les processus phy- sico-chimiques qui régissent la composition atmosphé- rique, en utilisant des techniques d’assimilation de don- nées (pour contraindre le modèle par les mesures) ou de modélisation inverse (pour quantifier les sources d’émis- sion). Les instruments actuels fournissent des distributions d’ozone, de CO et de CH