Development of an algorithm for retrievals of atmospheric aerosol properties using synergy of solar and thermal IR spectrum

Développement d’un algorithme de restitution des propriétés des aérosols atmosphériques en utilisant la synergie du spectre solaire et infrarouge thermique La connaissance et le suivi de la composition chimique des aérosols atmosphériques sont très importants pour la compréhension et l'évaluation du climat, des processus environnementaux et de la qualité de l'air. La composition des aérosols détermine l'efficacité des interactions avec les nuages, l'interaction directe avec le rayonnement, l'évaluation de « Particulate Matter » (PM) et l'impact sur l'écosystème marin après le dépôt des aérosols. Les poussières minérales représentent la deuxième, après les aérosols marins, plus grande fraction des émissions des aérosols. L'effet radiatif net de la poussière atmosphérique dépend de sa composition minéralogique. La grande variété de la minéralogie du sol détermine la variabilité de la composition des poussières atmosphériques, mais un lien direct entre les deux n'est pas évident. L'objectif de cette thèse est d'établir un cadre pour la restitution cohérente des propriétés optiques des aérosols atmosphériques et des composants des aérosols en utilisant la synergie des mesures solaires et infrarouges thermiques (TIR). L'implémentation de ce développement est faite dans le cadre de l'algorithme GRASP (Dubovik et al., 2021). La synergie entre les deux parties des spectres vise à améliorer la sensibilité aux propriétés microphysiques des aérosols et de caractériser plus finement les composants minéralogiques de la poussière, par exemple en séparant les fractions de quartz et d'argile. Le développement présenté est une extension de l'approche GRASP/Component développée précédemment (Li et al., 2019). Une nouveauté importante est l'intégration de l'émission Planck dans le schéma de transfert radiatif de Ordres Successifs de Diffusion qui est employé par l'algorithme GRASP. En outre, des méthodologies line-by-line et K-Distribution pour intégrer les lignes d'absorption des gaz et une méthodologie pour traiter l'indice de réfraction très variable des aérosols minéraux dans le TIR ont été implémentées afin de remplir les objectifs. Des tests synthétiques ont été réalisés pour évaluer la précision i) de la méthodologie conçue pour les simulations de mesures d'un radiomètre infrarouge thermique et ii) de la paramétrisation réactualisée des composants de l'aérosol. En outre, une étude a été menée sur l'influence des informations supposées a priori. Une amélioration de la sensibilité aux grosses particules, une caractérisation plus fine des composants de la poussière, la restitution de la hauteur moyenne de couche des aérosols à partir de mesures passives et enfin la restitution de la concentration totale dans la colonne atmosphérique de vapeur d'eau ont été illustrées comme faisables en s'appuyant sur la synergie des mesures Solaire-TIR. Ainsi, le nouvel algorithme de restitution GRASP/Component combinant le spectre solaire-TIR a été appliqué aux mesures combinées du photomètre solaire AERONET (Holben et al., 1998) et du radiomètre infrarouge thermique CLIMAT (Legrand et al., 1999; Brogniez et al., 2003) au Sénégal. Les observations réelles, obtenues entre novembre 2020 et avril 2021 sur le site de Dakar Belair, ont été sélectionnées pour l'application de l’algorithme. Un accord important a été trouvé entre les valeurs restituées et les résultats correspondants du produit standard d'AERONET. Il a été constaté que la vapeur d'eau totale dans la colonne atmosphérique et la hauteur moyenne de couche des aérosols peuvent être restituées simultanément avec les caractéristiques des aérosols. Les restitutions ont montré une bonne corrélation avec la vapeur d'eau dérivée indépendamment par l’algorithme AERONET et un accord qualitatif a été observé avec les mesures de profils d'aérosols par un système lidar. Les étapes suivantes du travail incluent une validation plus poussée des composants d'aérosol restitués. La perspective réside dans l'application de l'algorithme à une combinaison des capteurs 3MI et IASI qui seront lancé à bord de la mission spatiale MetOp-SG A ou des missions similaires.