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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

9

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 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 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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31/08 01/09

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31/08 01/09

Réduction importante des points (~1%)

Rapprochement d’EUMETSAT

Possibilité d’évaluer l’erreur EUMETSAT

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• 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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• 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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27


Hautes latitudes (pôle Sud) très souvent inférieures à la limite 220 Dobsons.

~ trou important.

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• 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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• 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


• 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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• 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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• 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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• 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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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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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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slides de la soutenance

Education

perte de contraste

rpartition sur grille

comparaison avec latmos

latitude deumetsat

comparaison latmos

latitude

5 en gnral

grille valide