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Utilisation de l'ozone mesuré en IR par satellite pour valider les modèles de climat
Par:
Christophe BELLISARIOResponsable de stage:
Thierry PHULPINTuteur universitaire:
Jérôme MORVILLE
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Utilisation de l’ozone mesuré en IR par satellite pour valider les modèles de climat
Plan de la présentation• Contexte
– Projet CCI de l’ESA, instrument IASI.
• Répartition des données sur grille et échantillonnage
• Comparaison des produits ozone IASI d’EUMETSAT aux données IASI LATMOS-ULB
– But, problème de pression, comparaison globale, estimation de l’erreur, …
• Comparaison aux données MIPAS– Problème des colonnes partielles manquantes
• Comparaison à la sortie du modèle CNRM-CCM– Globale, hautes latitudes, représentation du trou, …
• Constat sur les valeurs IASI L2 d’EUMETSAT
• Conclusion
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Cadre du travail: projet CCI de l’ESA
• Cadre de mon travail : projet CCI (Climate Change Initiative) de l’ESA.2 des 5 principaux points du projet CCI:
– Produire et valider, dans un contexte R&D, des données globales satellitaires les plus complètes pour la recherche et la modélisation climatique.
– Générer une documentation fournie sur un système de production opérationnel.→ fiche Ozone (une par ECVs)
• CMUG: Climate Modeling User Group– Créer le lien entre observateurs et modélisateurs. – Interpréter les observations → expliquer les changements observés.– Développer, contraindre et valider les modèles climatiques
→ gagner de l’assurance sur les projections futures. – Initialiser les modèles sur des échelles saisonnières, prévision des changements
de l’ordre de décades.
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IASI, Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge.
• A bord du satellite MetOp A:– 1er sur 3 MetOp (prochain: 2012)– ~15 orbites par jour– Orbite Héliosynchrone– Mesure du spectre infrarouge
émis par la Terre– Largeur d’observation ~2200 km– Tous les 50 km au nadir– 30 sondages * 4 empreintes de 12
km de diamètre (au nadir)– Couverture globale: ~99% de la
surface
• Données fournies par EUMETSAT1 mois ~ 26Go
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De l’observation au produit
Inversion
Réseau de neurones / Estimation optimale / …
EUMETSAT L2
…
LATMOS-ULB L2
Agrégation de données
→ L3
Comparaison DU (~kg/m²) vs [ppm] → Conversion ( f(P(z)) )
NN
OE
M
Température de brillance
Dépend de TS, T(z), [O3], …
Pro
duit
offic
iel
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Répartition sur grille → Produit L3
• Pas d’1.4° ou 2.8125°:→ Sélection lat-pas/2 < latitude < lat+pas/2 lon-pas/2 < longitude < lon+pas/2→ Moyenne
• Test au 1er septembre 2008.Moyennes (1.4°/2.8125°):
– Col [0-6] km: -2.75%/-3.88%– Col [0-12] km: -0.85%/-1.28%– Col [0-18] km: +2.66%/+3.70%– Col totale: +0.51%/+0.78%
• < 5% en général.
Pas de la grille → perte de contraste, finesse.
→ Grille validée.
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Répartition sur grille → Produit L3
• Pas d’1.4° ou 2.8125°:→ Sélection lat-pas/2 < latitude < lat+pas/2 lon-pas/2 < longitude < lon+pas/2→ Moyenne
• Test au 1er septembre 2008.Moyennes (1.4°/2.8125°):
– Col [0-6] km: -2.75%/-3.88%– Col [0-12] km: -0.85%/-1.28%– Col [0-18] km: +2.66%/+3.70%– Col totale: +0.51%/+0.78%
• < 5% en général.
Pas de la grille → perte de contraste, finesse.
→ Grille validée.
1.4°
2.8125°
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Echantillonnage
• But: réduire les données et leur traitement avant la mise en grille
• Deux méthodes:– Spatial: sélection d’un point sur x (sur produit L2).– Temporel: sélection d’un jour sur x (directement sur la grille).
• Différentes valeurs de x (1.25, 1.5, 1.75, 2, 3, 4, …)
• Validation statistique à partir de la grille: Test de Student.
T, quantile, n, nombre de points, σ, écart-type et x, y, moyennes.
• Critère: T<1.96 → différence seulement due au hasard (à un risque de 5%).
2
)1()1( avec
21
2221
21
21
21
nn
nn
nn
nnyxT
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Echantillonnage
• Echantillonnage spatial:Différent selon la grille.Une valeur sur 2 : OK.(50% de données en moins)
• Echantillonnage temporel:Dépend fortement des journées sélectionnées.2 jours sur 5 satisfaisant.→ étendre l’étude sur toute l’année/combiner avec le spatial.
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Echantillonnage:Couverture nuageuse
Couverture nuageuse (flag nébulosité pour l’ozone EUMETSAT selon le maillage) réduite en moyennant sur plusieurs jours (<5% pour 6 jours, <1% pour 15 jours).
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Comparaison aux données LATMOS-ULB
• Permet d’évaluer les méthodes d’extraction et les résultats(réseau de neurones / optimisation numérique).
• Permet d’évaluer l’erreur des données EUMETSAT.
EUMETSAT LATMOS-ULB
Réseau de neurones
Optimisation numérique
Erreur Erreur
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Comparaison LATMOS-ULB:Problème de pression.
• Problème: valeur du LATMOS trop importante → données fausses.
• Nouvelles données LATMOS, mais valeurs toujours trop importantes. Nouveau problème.
• → Pression en deux parties:
pour 0-tropopause km et
à partir de la tropopause.
• Choix important: altitude de la tropopause = 19 km.
Pah
hp225.53
15.288
100065.01101325)(
4.8exp)()( t
t
hhhphp
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Comparaison LATMOS-ULB:Globalement…
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Comparaison LATMOS-ULB:Globalement…
• Globalement, colonnes totales EUMETSAT > LATMOS.
• Biais important au niveau de l’Antarctique où EUMETSAT < LATMOS.
• Choix ht → valeurs moyennes favorisées.
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Comparaison avec LATMOS-ULBUtilisation des profils de pression EUMETSAT
• Profils de pression indirectement disponibles:– Profils de températures sur des niveaux de pression– Calcul des altitudes correspondantes– Interpolation de la température sur des niveaux d’altitude (0, 1, 2, 3, … km)– Calcul des profils de pression et température sur des niveaux d’altitude
• Calcul de la colonne d’ozone avec les profils de pression ET température:
zzTR
gMPP air
)(exp0
dzfzTR
MPOdU O
)(10][ 39
3
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Comparaison avec LATMOS-ULBUtilisation des profils de pression EUMETSAT
• Comparaison LATMOS/LATMOSJournée 01/09/2008:
– Ecart relatif moyen +8.53%– Ecart relatif moyen < 60°S
(rouge) → -34.39%
• Globalement légèrement supérieur (+5%), mais hautes latitudes très inférieures!!→ on retrouve le trou dans la couche d’ozone.
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Comparaison avec LATMOS-ULBUtilisation des profils de pression EUMETSAT
• Comparaison sur les 10 premiers jours de septembre 2008.→ Ecart relatif seulement de 4%.→ Net rapprochement des valeurs du LATMOS.→ Ecart type supérieur pour les données LATMOS (+ étalées).
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Comparaison avec LATMOS-ULBUtilisation des profils de pression EUMETSAT
31/08 01/09
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Comparaison avec LATMOS-ULBUtilisation des profils de pression EUMETSAT
31/08 01/09
Réduction importante des points (~1%)
Rapprochement d’EUMETSAT
Possibilité d’évaluer l’erreur EUMETSAT
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Comparaison avec LATMOS-ULBUtilisation des profils de pression EUMETSAT
• Utilisation de la totalité des données LATMOS:→ Coefficient directeur: 1.12→ Ordonnée à l’origine: -46.58→ Coefficient de corrélation: 0.78→ Sur 22385 points (15 août → 30 septembre)
(1/10 d’une journée EUMETSAT)
• Evaluation en pourcentage de l’erreur d’EUMETSAT→ Profil d’erreur en fonction de la quantité d’ozone.
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Comparaison avec LATMOS-ULBUtilisation des profils de pression EUMETSAT
• Estimation de l’erreur EUMETSAT:
Evaluation de l’erreur sur profil d’ozone:Colonne totale.
– LATMOS: ~11%, 21 DU(de 5 à 15%, 15 à 30 DU)
– LATMOS & EUMETSAT: ~8% , 14 DU(de 0 à 20%, 0 à 30 DU)
– EUMETSAT: ~14%, soit 27 DU(de 6 à 40%, de 20 à 40 DU)
22LATMOSdifftot
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Comparaison MIPAS
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Comparaison MIPAS
• Entre 1000 et 2500 points disponibles par jour
• Flag de visibilité.→ colonnes 0-6, 0-12 voire 0-18 rarement disponibles.
• → comparaison avec les colonnes totales d’EUMETSAT et MIPAS + les colonnes 0-12 d’EUMETSAT.
• On constate des écarts importants aux hautes latitudes.Valeurs de MIPAS très faibles au pôle sud et un peu moins autour du pôle nord.
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Comparaison MIPAS
• Entre 1000 et 2500 points disponibles par jour
• Flag de visibilité.→ colonnes 0-6, 0-12 voire 0-18 rarement disponibles.
• → comparaison avec les colonnes totales d’EUMETSAT et MIPAS + les colonnes 0-12 d’EUMETSAT.
• On constate des écarts importants aux hautes latitudes.Valeurs de MIPAS très faibles au pôle sud et un peu moins autour du pôle nord.
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Confrontation CNRM-CCM
• Lecture des données:Format NetCDFGrille 2.8125°x2.8125°Profil quotidien [ppm]
• Non ancrées dans une année précise.
• Confrontation globale avec EUMETSAT sur grille de 1.4°x1.4°
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Confrontation CNRM-CCM
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Confrontation CNRM-CCM
Hautes latitudes (pôle Sud) très souvent inférieures à la limite 220 Dobsons.
~ trou important.
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Confrontation CNRM-CCM
• Profil des valeurs:– Valeurs entre 150 et 200 Dobsons
surtout concentrées en dessous de -60° de latitude.
– Bonne correspondance pour- la colonne [0-12] km- la colonne totaleEcart relatif < 6%
– Côté [0-6] et [0-18] kmEcarts relatifs respectifs:
18% et 49%sur tout le mois d’août
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Confrontation CNRM-CCM
• Moyenne temporelle:10 et 31 jours (août 2008)
Ecart relatif entre les moyennes qui passe de:-3.28% à -2.81%
• Côté écart-type, oscille toujours autour de 25%.(profil non Gaussien…)
10
31
30
Confrontation CNRM-CCM
• Selon les latitudes:– Ecart important < -60° de latitude
entre 10 et 30% inférieur– Moyenne globale de 7% d’écart
relatif– Tombe à 5% en ôtant < -60°
• Puis en moyennant sur plusieurs jours → 30:
– Diminution faible de l’écart relatif
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Confrontation CNRM-CCM
• Zone ~ trou de la couche d’ozone:Perte relative d’EUMETSAT:
-14.05%Perte relative du CNRM:
-45.61%
• EUMETSAT en surestimation au niveau du pôle Sud?
• Autres paramètres à comparer?(surface, profondeur, vortex, …)
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Confrontation CNRM-CCM
• Sur toute l’année, globalité
Minima bons sur 01,02,03/08.mauvais sur 08,09,10/08.
Maxima très mauvais sur 01,02,03/08, et très bons sur 08,09,10/08.
Moyennes cohérentes.
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Confrontation CNRM-CCM
• Sur toute l’année, au niveau Antarctique (lat<40°S)
Minima bons sur 01,02,03/08.mauvais sur 08,09,10/08.
Maxima très mauvais sur 01,02,03/08, et très bons sur 08,09,10/08.
Hausse des maxima du CNRM <40°S durant l’apparition du trou?
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Confrontation CNRM-CCMJanvier/Février/Mars
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Constat:
• Données IASI L2 souvent supérieures aux autres données/modèle→ IASI L2 en surestimation?
• Besoin d’une comparaison plus grande→ OMI (dans l’UV), GOME-2?
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Surestimation issue d’IASI L2?
Latitude d’EUMETSAT < 60°S
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Surestimation issue d’IASI L2?
Latitude d’EUMETSAT < 40°S
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Surestimation issue d’IASI L2?Comparaison rapide avec OMI
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Surestimation issue d’IASI L2?Comparaison rapide avec OMI
Température de surface très faible sur terre
Ozone >250 DU sur terre
Ozone faible sur les côtes après correction
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Surestimation issue d’IASI L2?
Spectres en radiance:
Au-dessus de l’océan
Au-dessus du continent
Faible écart entre T et TS.
→ faible signal
→ erreur importante?
Scannell et al, AMTD, 2011
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Surestimation issue d’IASI L2?Profil d’ozone MIPAS et température
• 02/09/2008: mer 280 DU, terre 190 DU → inverse de l’observation IASI L2.
• Complémentarité avec les mesures troposphériques IASI→ Nouveau MIPAS PREMIER
(PRocess Exploration through Measurements of Infrared and millimetre-wave Emitted Radiation)
Portugal (272 DU) Antarctique (mer) Antarctique (terre)
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D’autres paramètres pour estimer le trou dans la couche d’ozone?
• SuperficieEn moyenne 13.7 millions de km².
• Déficit en masseJusqu’à -29 millions de tonnes.
• MinimumEn moyenne 110 DU, jusqu’à 70 DU.
• VorticitéColonne d’air froid, vent fort.
• Début et fin (étalement temporel)Jusqu’à 6 mois de l’année.
• Couche UTLSTransfert O3 strato → O3 tropo
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Conclusion
• Echantillonnage possible des données EUMETSAT.Spatial (1/2) et temporel (2/5).
• Répartition sur grille (→ niveau 3) validée.
• Confrontation des données EUMETSAT aux données LATMOS-ULB– Problème de pression corrigé.– Similitudes aux latitudes basses.– Evaluation de l’erreur.
• Confrontation aux données MIPAS– OK dans le cas de l’ajout des premières colonnes partielles.
• Confrontation à la sortie du modèle CNRM-CCM– OK pour la colonne [0-12] km et totale (écart relatif < 10%).– Mauvaise sur les hautes latitudes (sud).
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Conclusion
• EUMETSAT présente une surestimation systématique des colonnes totales au niveau des hautes latitudes sud.
– A été vérifié avec OMI (suite avec GOME-2).– Provient de l’extraction via les réseaux de neurones?– Température de surface sur les zones froides en cause?– A compléter avec des mesures UV aux hautes latitudes?– Autres raisons? Validité d’EUMETSAT?
→ Informer EUMETSAT.
• Besoin d’une meilleure cohérence entre UV/IR, limbe/nadir,→ complémentarité entre les observations satellites.
• Important pour lier observations & modélisations…
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Merci pour votre attention.
?
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