POGEQA

POGEQA

Plateforme d’Observation GEostationnaire pour la mesure de la Qualité de l’Air

POGEQA vise à franchir une étape décisive dans la conception d’une future mission géostationnaire dédiée à la surveillance de la qualité de l’air (ozone et monoxyde de carbone) sur l’Europe.

Trois volants d’activités complémentaires sont destinés à montrer qu’il est possible d’assimiler en synergie observations satellitaires et de surface afin d’améliorer les moyens de surveillance de la qualité de l’air et de définir des paramètres de mission optimaux pour un futur instrument en géostationnaire, complémentaire aux systèmes d’observation aujourd’hui disponibles. Tout d’abord, des mesures d’instruments existants (orbite polaire) sont prises en compte et assimilées dans le système d’assimilation chimique d’état de l’art international MOCAGE-PALM. Par ailleurs un simulateur d’observations « géostationnaires » a été mis au point et utilisé pour réaliser des expériences de système d’observation simulé (OSSEs) et optimiser les caractéristiques de l’instrument envisagé. Ces expériences numériques, actuellement utilisées en météorologie et en océanographie, représentent un coût marginal par rapport au déploiement réel d’un instrument-test. Elles permettent cependant de justifier quantitativement les spécifications (géométrie, sensibilité, erreurs,..).

Coordinateur Jean-Luc Attié (Université de Toulouse III) & Vincent-Henri Peuch (jusqu’en 2011)
Correspondant CNRM-GAME Jean-Luc Attié
Équipes CNRM-GAME GMGEC/CAIAC & CARMA
Site Internet du projet
Type RTRA/STAE
Début 2010
Durée 2014

 BILAN SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE

1-Composition chimique de la troposphère mesurée par satellite :

Nous avons donc conçu et évalué un nouveau schéma linéaire pour le monoxyde de carbone (CO) qui concerne la troposphère et la stratosphère (Claeyman et al., 2010). Ce schéma est basé sur une approximation du premier ordre de l’équation de continuité du CO, similaire à l’approche employée par Cariolle et Deque [1986] pour l’O3 stratosphérique. A la différence du schéma pour l’ozone stratosphérique, les émissions et dépôts sont pris en compte de la même façon que pour un schéma détaillé (émission, dépôt sec et humide...) : les émissions sont en effet un terme majeur de l’évolution temporelle pour le CO. Ce schéma a été intégré dans le modèle de chimie-transport de Météo-France (MOCAGE). Une simulation utilisant ce schéma linéaire d’un an et demi a été comparée à une simulation avec un schéma complet (RACMOBUS), à des observations satellites troposphériques (Measurements Of Pollution In The Troposphere : MOPITT) et stratosphériques (Microwave Limb Sounder : MLS), et à des observations in situ aéroportées (Measurements of ozone and water vapour by Airbus in-service aircraft : MOZAIC).

Cette étude a montré que le schéma linéaire pour le CO est capable de bien représenter les distributions dans la troposphère et dans la stratosphère. Même si un biais négatif est observé dans la troposphère, l’assimilation de données MOPITT montre que le système est capable rapidement de corriger ce biais. L’avantage principal de ce schéma est son faible coût en temps de calcul, équivalent à celui d’un traceur. Ceci permet d’envisager des simulations et des assimilations sur de longues périodes de plusieurs années (études climatiques), et à des résolutions horizontales élevées pour profiter au mieux de la haute résolution horizontale des satellites au nadir tels que MOPITT ou IASI (Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge).

Concernant l’ozone, nous avons démontré que l’assimilation simultanée des données satellite IASI et MLS, à savoir des données mesurées au nadir et au limbe, peut être efficacement effectuée et apporter une valeur ajoutée au champ d’ozone troposphérique (Barré et al., 2013). Dans ce cadre, nous avons assimilé les profils d’ozone stratosphérique de MLS (Microwave Limb Sounder) et les colonnes troposphériques d’ozone provenant du capteur infrarouge IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) dans le modèle MOCAGE pour la période du mois de Juillet 2009. Les résultats ont été comparés aux données indépendantes MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) pour la stratosphère et aux données IAGOS pour la troposphère et l’UTLS (Upper Troposphere Lower Stratosphere pour Haute Troposhère Basse Stratosphère). Les analyses combinées de MLS et IASI montrent le meilleur accord et présentent des champs d’ozone extrêmement réalistes tant dans la troposphère que dans la stratosphère.

Par ailleurs nous avons pu effectuer d’autres travaux similaires qui confirment ces résultats et qui ont fait l’objet de publications (El Amraoui et al., 2013, 2010, Warner et al., 2013a, 2013b, Barré et al., 2012a, 2012b)

2-Caractérisation d’une mission géostationnaire de la qualité de l’air :

Nous avons créé un simulateur d’observation de données satellitaire GEO pour le monoxyde de carbone et l’ozone. Ce simulateur a été conçu spécialement pour un instrument infrarouge pour la mesure du monoxyde de carbone et de l’ozone. Celui-ci a permis de définir un capteur optimal pour la mesure dédiée à la qualité de l’air (ozone et CO) dans l’infrarouge thermique. Ce capteur appelé MAGEAQ (Lahoz et al., 2012) a fait l’objet d’une proposition à l’ESA dans le cadre d’Earth Explorer 8 (Peuch et al., 2010).

Afin d’évaluer les capacités de ce capteur, des études d’inversion de spectres atmosphériques ont été effectuées sur des profils atmosphériques typiques répartis en Europe en utilisant différentes configurations d’instruments (échantillonnage spectral et rapport signal à bruit). Ces inversions ont été effectuées en utilisant le modèle de transfert radiatif KOPRA [Stiller et al., 2002] et le modèle d’inversion KOPRA-fit utilisant la régularisation de Tikhonov-Phillips [Tikhonov, 1963 ; Phillips, 1962]. Nous avons calculé les degrés de liberté (DOF ou Degree Of Freedom)) pour un contraste thermique positif (+2 K) et négatif (-2 K) pour différentes configurations d’instruments. Le DOF caractérise le nombre de points indépendants à l’intérieur d’une couche atmosphérique. A partir de ces DOFs, nous avons sélectionné une configuration techniquement et économiquement faisable en collaboration avec Airbus Defence and Space, avec un échantillonnage spectral de 0.05 cm-1 et un rapport signal à bruit de 750 pour l’O3 et de 190 pour le CO pour obtenir un DOF de 1.5 pour l’O3 et de 2 pour le CO entre 0 et 15 km d’altitude.

Nous avons également simulé une autre plateforme géostationnaire ayant des caractéristiques instrumentales similaires à celles de Meteosat Third Generation/Infrared Sounder MTG/IRS, dont le lancement est prévu en 2017-2018 et qui mesurera des luminances dans la bande infrarouge du CO et de l’O3 (même si la mesure de la composition chimique n’est qu’un objectif secondaire). Les comparaisons entre les 2 instruments permettent ainsi de quantifier l’apport d’un instrument satellite dédié quant à lui à la QA par rapport à un autre mais dédié aux prévisions numériques météorologiques (MTG/IRS). Nous avons inversé la colonne de CO et d’O3 comprise entre 0 à 3 km d’altitude sur 6 villes européennes sur une période de 15 jours (début juillet 2009) pour évaluer la capacité des 2 satellites à représenter la variabilité de CO et d’O3. Nous avons montré que MAGEAQ était capable de bien représenter la variabilité des concentrations de CO et d’O3 et le cycle diurne lors de forts contrastes thermiques et fortes températures de surface, induisant une couche limite haute et une activité photochimique importante et donc de fortes concentrations. La corrélation entre les observations de MAGEAQ et MOCAGE varie entre 0.79 et 0.81 pour la colonne d’O3 et entre 0.79 et 0.90 pour la colonne de CO.
Ces résultats ont montré la bonne capacité du capteur que nous avons défini (MAGEAQ) à mesurer le CO et l’O3 dans la basse troposphère, et sa valeur ajoutée indiscutable par rapport à un instrument "non dédié" comme MTG/IRS. La figure 1 montre les résultats obtenus par les différents capteurs simulés sur plusieurs grandes villes Européennes.

Séries temporelles concernant l’ozone (à gauche) et le monoxyde de carbone (à droite) pour les colonnes partielles (molécules/cm2) comprises entre 0 et 3 km avec une résolution temporelle d’1 heure du 1er Juillet 2009 au 15 Juillet 2009. La ligne noire représente le modèle MOCAGE, la rouge MAGEAQ et la verte MTG/IRS. Six grandes villes Européennes ont été choisies : Amsterdam, Berlin, Londres, Madrid, Paris et Rome.

3-Vers les conditions réelles

Nous avons montré l’intérêt des mesures d’ozone et monoxyde de carbone provenant de satellites géostationnaires en évaluant l’impact de ces données pour la prévision de QA dans des conditions réalistes prescrites par des modèles (Claeyman et al., 2011a, 2011b).
Les deux futurs instruments présentés dans le paragraphe précédent (MTG/IRS et MAGEAQ) mesurent dans la même région spectrale : l’infrarouge thermique. Nous avons donc utilisé ces jeux d’observations pour évaluer la valeur ajoutée dans des conditions les plus réalistes possibles, des deux satellites dans le modèle de QA MOCAGE en utilisant une expérience de simulation de système d’observations (OSSE : observing system simulation experiment en anglais, Atlas [1997]). Les OSSEs sont largement utilisés en météorologie pour déterminer l’utilité de futurs instruments pour améliorer les prévisions et les analyses météorologiques. La figure 2 présente les différentes étapes nécessaires à la construction de l’OSSE utilisée dans cette étude : La simulation de l’atmosphère vraie (ou NR pour nature run) : Le NR vise à représenter le plus fidèlement possible "l’atmosphère vraie". Il est produit en utilisant le modèle MOCAGE dans la configuration jugée la plus réaliste. Les observations synthétiques : Afin de simuler le futur système d’observations, les observations synthétiques de MAGEAQ et MTG/IRS sont générées en échantillonnant le NR en tenant compte notamment de la géométrie d’observation, des caractéristiques de l’instrument, de l’erreur sur la mesure, de la résolution spatiale et temporelle. Le control run ou modèle de contrôle est aussi MOCAGE mais dans une version perturbée pour être suffisamment différente des NR. Ce dernier assimile les observations synthétiques.

Schéma explicatif d’une expérience de simulation de système d’observation. GEO-TIR peut être remplacé par MAGEAQ et GEO-TIR2 par MTG/IRS.

 Collaborations

USA : K. Chance, X. Liu (Harvard Smithsonian), D. Edwards (NCAR), A. Eldering (JPL), J. Warner (Univ. Maryland), J. Al Saadi (NASA)
ALLEMAGNE : J. Orphal, T. von Clarmann, M. Hopfner (KIT), H. Elbern (university of Koln)
NORVEGE : A. W. Lahoz (NILU)
HOLLANDE : H. Eskes (KNMI) dans le cadre d’un projet ESA -ISOTROP
FINLANDE : J. Tamimen (FMI) dans le cadre d’un projet ESA-ISOTROP
GRANDE BRETAGNE : ECMWF

Publications issues de ce projet

Hache E., J-L. Attié, C. Tourneur, P. Ricaud, L. Coret, W.A. Lahoz, L. El Amraoui, B. Josse, P. Hamer, J. Warner, X. Liu, K. Chance, M. Hopfner, R. Spurr, V. Natraj, S. Kulawik, A. Eldering, and J. Orphal : 2014, The added value of a visible channel to a geostationary thermal infrared instrument to monitor ozone for air quality, Atmos. Meas. Tech. (accepted), 7, 1645-1689, 2014 doi:10.5194/amtd-7-1645-2014

El Amraoui L, J.-L. Attié, P. Ricaud, W. A. Lahoz, A. Piacentini, V.-H. Peuch, J. X. Warner, R. Abida, and J. Barré : 2013 Tropospheric CO vertical profiles deduced from total columns using data assimilation : methodology and validation, Atmos. Meas. Tech. Discuss., 6, 6517-6566, 2013

Warner, J.X., F. Carminati, Z. Wei, W.A. Lahoz, and J.-L. Attié, 2013 : Tropospheric Carbon Monoxide Variability from AIRS and IASI Under Clear and Cloudy Conditions. Atmos. Chem. Phys. Discuss., 13, 16337–16366.

Warner, J.X., R. Yang, Z. Wei, F. Carminati, A. Tangborn, Z. Sun, W. Lahoz, J.-L. Attié, L. El Amraoui, and B. Duncan, 2013 : Global carbon monoxide products from combined AIRS TES and MLS measurements on A-train satellites. Atmos. Chem. Phys. Discuss., 13, 15409–15441. (accepted to AMT) 2013

Barré, J., V.-H. Peuch, W.A. Lahoz, J.-L. Attié, B. Josse, A. Piacentini, M. Emerenko, G. Dufour, P. Nédélec, T. Von Clarmann, and L. El Amraoui 2013 : Combined data assimilation of ozone tropospheric columns and stratospheric profiles in a regional CTM. Quart. J. Royal. Met. Soc., accepted.

Barré, J., L. El Amraoui, P. Ricaud, J.-L. Attié, W.A. Lahoz, V.-H. Peuch, B. Josse, and V. Marécal, 2012 : Diagnosing the mixing layer in the extra-tropical lowermost stratosphere using MLS O3 and MOPITT CO analyses. Atmos. Chem. Phys. Discuss., 12, 22023-22057.

Barré, J., V.-H. Peuch, J.-L. Attié, L. El Amraoui, W.A. Lahoz, B. Josse, M. Claeyman, and P. Nédélec, 2012 : Stratosphere-troposphere ozone exchange from high resolution MLS ozone analyses. Atmos. Chem. Phys., 12, 6129-6144.

Lahoz, W.A., V.-H. Peuch, J. Orphal, J.-L. Attié, K. Chance, X. Liu, D. Edwards, H. Elbern, J.-M. Flaud, M. Claeyman, and L. El Amraoui, 2012 : Monitoring air quality from space : The case for the geostationary platform. Bull. Amer. Meteorol. Soc., doi : 10.1175/BAMS-D-11-00045.1, 221-233.

Claeyman, M., J.-L. Attié, V.-H. Peuch, L. El Amraoui, W.A. Lahoz, B. Josse, M. Joly, J. Barré, P. Ricaud, S. Massart, A. Piacentini, T. Von Clarmann, M. Höpfner, J. Orphal, J.-M. Flaud and D.P. Edwards, 2011 : A thermal infrared instrument onboard a geostationary platform for O3 and CO measurements in the lowermost troposphere : Observing System Simulation Experiments. Atmos. Meas. Tech., 4, 1637-1661.

Claeyman, M., J.-L. Attié, V.-H. Peuch, L. El Amraoui, W.A. Lahoz, B. Josse, P. Ricaud, T. Von Clarmann, M. Höpfner, J. Orphal, J.-M. Flaud, D.P. Edwards, K. Chance, X. Liu, F. Pasternak and R. Cantié, 2011 : A geostationary thermal infrared sensor to monitor the lowermost troposphere : O3 and CO retrieval studies. Atmos. Meas. Tech, 4, 297-317.

Claeyman M., J.-L. Attié, L. El Amraoui, D. Cariolle, V.-H. Peuch, H. Teyssedre, B. Josse, P. Ricaud, S. Massart, A. Piacentini, J.-P. Cammas, N. J. Livesey, H. C. Pumphrey, D. P. Edwards : A linear CO chemistry parameterization in a chemistry-transport model : evaluation and application to data assimilation, Atmos. Chem. Phys., 10, 6097-6115, 2010.

El Amraoui L., J.-L. Attié, N. Semane, M. Claeyman et al : Midlatitude stratosphere – troposphere exchange as diagnosed by MLS O3 and MOPITT CO assimilated fields. Atmos. Chem. Phys., 10, 2175-2194, 2010

Peuch V.-H, J. Orphal, J.-L. Attié, K. Chance, D.P Edwards, H. Elbern, J.-M. Flaud, W. Lahoz et al : MAGEAQ : Monitoring the Atmosphere from Geostationary orbit for Air Quality : ESA proposal for the Earth Observation Enveloppe programme, candidacy for Earth Explorer Opportunity Mission – EE8, 110 pp, 2010

Conférences internationales réalisées au cours du projet

Claeyman M., J.L. Attié, V.-H. Peuch, L. El Amraoui, N. Semane, F. Pasternak, L. Lehors, J. Orphal, J.-M. Flaud, R. Cantié and T. Von Clarmann : Impact of simulated satellite chemistry data in a CTM : air quality application. European Geosciences Union General Assembly, Vienna, Austria 2008.

Claeyman M., J.L. Attié, V.-H. Peuch, L. El Amraoui, N. Semane, F. Pasternak, R. Cantié, L. Lehors , T. Von Clarmann, M. Hopfner, L. Menut, S. Massart, J. Orphal and J.- M. Flaud : Observing System Simulation Experiment for an Air Quality geostationary mission. International Global Atmospheric Chemistry, Annecy, France 2008.

Warner J., Z. Wei, J.-L. Attié, L. Sparling, G. W. Sachse, G. Diskin, L. El Amraoui and M. Claeyman : Updates on Global & Multi-year AIRS TES CO Comparisons. TES Science Team Meeting Boulder, 2009.

Peuch, V.-H., J-L. Attié, M Claeyman, L El Amraoui, P Ricaud, N Semane, S Massart, A Piacentini, D Cariolle, J Flaud, G Bergametti, R Cantie, F Pasternak, L Lehors, T von Clarmann, M Hoepfner, J Orphal : Data assimilation experiments within the POGEQA project, AGU Fall meeting, San Francisco, USA, 2009 (invited presentation)

Orphal, J., J Flaud, G Dufour, M Eremenko, C Keim, G Bergametti, G Foret, M Beekmann, M Höpfner, T von Clarmann, F Friedl-Vallon, A Kleinert, J-L. Attié, M Claeyman, V.-H. Peuch, L El Amraoui, S Massart, A Piacentini, R Cantie, F Pasternak : Tropospheric ozone measured in the thermal infrared : from polar orbiting satellites towards geostationary platforms, AGU Fall meeting, San Francisco, USA, 2009, (Invited presentation)

Claeyman M., V.-H. Peuch, J.-L. Attié, L. El Amraoui, P. Moinat, J. Barré, P. Ricaud, S. Massart, A. Piacentini, D. Cariolle, J.-M. Flaud, G. Dufour, M. Eremenko, M.Beekmann, G. Forêt, G. Bergametti, J. Orphal, T. Von Clarmann, M. Hoepfner, R. Cantié and F. Pasternak : Optimizing characteristics for a future GEO instrument dedicated at monitoring air quality. EUMETSAT Meteorological Satellite Conference Cordoba Spain 2010.

Peuch, V-H and the POGEQA team : MAGEAQ : Monitoring of the Atmosphere from Geostationnary orbit for European Air Quality, EUMETSAT Meteorological Satellite Conference , Cordoba, Spain, 2010

Orphal, J., V.-H Peuch, J L Attié, M Claeyman, L El Amraoui, W Lahoz, P Ricaud, N Semane, S Massart, A Piacentini, D Cariolle, J Flaud, G Bergametti, R Cantie, F Pasternak, L Lehors, E Maliet, T Clarmann von, M Hoepfner : Data assimilation experiments within the POGEQA project, AGU of the Americas, Foz do Iguaçu, Brazil (August 2010). (invited presentation)

Lahoz W.A and Scientific Team of MAGEAQ Geostationary mission : Assessing additions to the future observing system : the role of OSSEs. AGU of the Americas, Foz do Iguaçu, Brazil. Oral presentations in session “Data Assimilation Techniques”, August 2010

Orphal J. and Scientific Team of MAGEAQ : MAGEAQ : a Thermal Infrared Spectrometer onboard a Geostationary Platform for CO and O3 Measurements in the Lowermost Troposphere : IUGG 2011, Melbourne, Australia (June-July 2011) (invited presentation)

Lahoz W.A . : Monitoring air quality : the role of OSSEs in determining the future observing system : Oral presentations in session “Data Assimilation and Ensemble Forecasting for weather and climate”. IUGG 2011, Melbourne, Australia (June-July 2011)

Lahoz W.A. and the MAGEAQ Team : Monitoring air quality : the role of OSSEs in determining the future observing system. Keynote presentation in session “Current and future satellites, instruments and their Applications”. EUMETSAT Meteorological Satellite Conference 2011, Oslo, Norway (September 2011) (invited presentation)

Pommrich R., J.-L Attié, B. Josse, L. El Amraoui, M. Claeyman, P. Ricaud, and V-H Peuch : To what extent does the choice of an emissions inventory matter when doing chemical data assimilation in a global CTM ?, EGU 2011, Vienne, Austria, 2011

Hache E., J-L Attié, W A. Lahoz, L El Amraoui, C Tourneur, L Coret, M Höpfner, X Liu, V Natraj, S S. Kulawik, A Eldering. Evaluation of the added value provided by ozone measurements from an instrument onboard a Geostationary satellite : The thermal infrared and visible contribution. AGU Conference, 2012, Fall meeting, San Fransisco, USA

Attié J.-L et al.. The POGEQA and MAGEAQ. Programme Atmospheric Composition Observation System Simulation Experiments (OSSE) Workshop ECMWF, Reading, United-Kingdom, 22-24 October 2012
(invited presentation)

Attié J.-L., L. El Amraoui, P. Ricaud, E. Hache, R. Dupont, E. Jaumouillé, V. Marecal, W. Lahoz, V-H Peuch, T. Von Clarmann, J. Orphal, Observing simulated system experiments to qualify an Air Quality satellite mission, 39th COSPAR Scientific Assembly ; Mysore, India. 14 - 22 July 2012. (invited presentation)

Lahoz W. et al. What makes a good OSSE ? Programme Atmospheric Composition Observation System Simulation Experiments (OSSE) Workshop ECMWF, Reading, United-Kingdom, 22-24 October 2012 (invited presentation)

Lahoz W and The POGEQA team : Monitoring air quality : the role of OSSEs in determining the future global observing system : Davos Atmosphere and Cryosphere Assembly DACA-13, 8 - 12 July 2013, Davos, Switzerland (invited presentation)

Attié J.-L , Rachid Abida , Laaziz El Amraoui, Emeric Hache , Philippe Ricaud , Vincent-Henri Peuch , William Lahoz , Johannes Orphal : Evidence of added values to the modeling system from specific Air Quality satellite missions : Davos Atmosphere and Cryosphere Assembly DACA-13, 8 - 12 July 2013, Davos, Switzerland (invited presentation)

W. Lahoz, J.L Attié, R. Abida, L. El Amraoui, E. Hache, P. Ricaud, V. Peuch, J. Orphal : Monitoring Air Quality : the Role of OSSEs in Determining the Future Global Observing System. Living Planet Symposium, ESA 2013, Edinburgh, 9-13 September 2013