Visite du Comité d’experts Atmosphère-Biosphère-Climat (télédétection) Regroupement des équipes : ARA, LiMaG, FLUO présenté par C. Stubenrauch R. Armante, A. Chédin, O. Chomette*, C. Crevoisier, D. Edouart*, P. Flamant, F. Gibert, Y. Goulas*, N. Jacquinet, I. Moya, A. Ounis*, N. Scott , C. Stubenrauch + V. Capelle, S. Champagne, L. Crepeau, S. Cros, J. Cuesta, F. Daumard+, L. Estavan, P.-Y. Foucher+, A. Fournier+, A. Guignard+, N. Lamquin+, F. Marnas+, D. Nobileau, S. Peyridieu+, J. C. Raut, J. Sahadi gaz à effet de serre nuages et vapeur d’eau aérosols et dynamique CL feux de biomasse surfaces continentales Thèmes scientifiques instruments innovants spectroscopie modèles transfert radiatifs climatologies Outils développés Instrumentation spatiale aéroportée surface Je vous présente les activités de l’équipe ABC par télédetection, qui regoupe les 3 équipes ARA, LimaG et Fluo et qui consiste de 11 chercheurs et ingénieurs permanents et de 16 non-permanents. Nos recherches se regroupent autour des thèmes scientifiques: des gaz à effet de serre, des propriétés thermodynamiques de l’atmosphère, des nuages, des aérosols, de la dynamique de la couche limite, les feux de biomasse ainsi que des caractéristiques des surfaces continentales (comme des émissivités, la température et la masse de la végétation). Ces différentes propriétés sont mesurées par des instruments spatiaux, aéroportés et au sol. Notre démarche commence au développement des instruments innovants et se poursuit par la mise en oeuvre d’une banque de spectroscopie et des modèles de transfert radiatifs. Nous avons également établi plusieurs climatologies à l’échelle globale. 9 et 10 février Visite du Comité d’experts

Observations : Du niveau 0 au niveau 3 Conception instrumentale: -instruments innovants -missions spatiales Observations Inversion Spectroscopie Transfert radiatif variables physiques interprétation scientifique ARA FLUO LiMaG radiomètre bande O2 aéroporté (spatiale ?) Couche limite Troposphère Stratosphère Surface continentale Fluorescence vegetale AirFLEX, FLEX (?) Sondeurs IR nadir Température, composition, surface TOVS, AIRS, IASI ≥1984, ≥ 2002, ≥ 2006 NOAA, NASA, CNES instruments sol composition, surface, vent Lidar, G-FLEX Mesure active Lidar/Radar Altimétrie, composition, surface, vent CALIPSO,ADM-Aeolus, A-SCOPE (?) Les instruments au sol mesurent les phènomenes dans la couche limite et la végétation; les mesures de la fluorescence ont été éffectuées également par avion; les sondeurs IR à bord des satellitesdepuis les années 80 permettent de restituer les profils de température, de vapeur d’eau et la composition de l’atmosphère ainsi que les propriétés radiatives de la surface; les sondeurs au limbe étendent notre connaissance vers la stratosphère, et couplé avec des mesures actives nous obtenons une structure 3-dimensionelle de l’atmosphère et de ses composants. ACE-FTS Sondeurs au limbe Température, composition

Bilan ARA : variabilité climatique par obs. satellite CO2 2003 2005 2007 IASI AIRS Aqua/AIRS : 2003-2007 MetOp/IASI : 2007-… IASI-2 : 2013-… IASI-3 : 2016-… 2008 391 375 383 380 385 Gaz à effet de serre Nuages Aérosols Propriétés de surface contenu p, T, e, De, IWP AOD, taille, altitude Émissivité, température La compréhension des sources et des puits des différents gaz à effet de serre associés au cycle du carbone est essentielle pour prévoir l’évolution du climat. Notre équipe a réalisé les premières estimations du contenu en CO2 à partir d’obserevations spatiales. Vous voyez ici l’évolution du CO2 entre 2003 et 2008, d’abord à partir de l’instrument AIRS et ensuite par IASI. On remarque clairement une augmentation continue du CO2 d’environ 10 ppm. La très haute résolution spectrale de IASI permet également la détermination du Méthane. Le méthane avait beaucoup augmenté dans les années 80 et stagnait ensuite. D’après les dernières observations de IASI on pourrait se poser la question si il y a une reprise de cette augmentation; ceci sera verfifié par la continuité des instruments IASI qui est assurée jusqu’à 2020. ? CH4 Reprise de l’augmentation du méthane ? +10ppbv 2007 2008 1760 1860

Bilan LiMaG: Concentration / flux CO2 par Lidar Réalisation d’un Lidar DIAL (CO2) et Doppler (vitesse) (Il n’en existe que peu au monde) Premières mesures de CO2 simultanées dans CLA et troposphère libre Mesures spectroscopiques de haute précision Campagne CIEL (2006) Gradient CO2 anthropique Agglomération parisienne LMD ONERA LSCE 3 sites de mesure sur le plateau de Saclay : Jour (CLA mélangée) Nuit (CLA stratifiée) LSCE : Gas Chromater LMD : Lidar DIAL ONERA : LDS, Licor, flask Suivi du CO2 avec une tolérance de 1% confirmée

Bilan FLUO: fluorescence AirFLEX Mise en place d’une plate-forme sol calibration des capteurs fluorescence avion G-FLEX Réalisation d’un capteur aéroporté de mesure de la fluorescence de la végétation Objectif : quantifier la photosynthèse (flux de CO2 assimilé: 120 Gt C/an) 10/8 20/8 30/8 10/9 nm suivi de croissance du sorgho Indice de végétation Sen2FLEX (2005) CEFLES2 (2007) Grue mobile h : 20 m bras : 22 m Avignon - France L’équipe a réalisé un radiomètre à 2 bandes d’oxygène pour la mesure de la fluorescence. Les premières mesures de ce type ont été effectuées en 2005, et un autre instrument est intégré dans une plate-forme sol à Avignon en coopération avec l’INRA. L’objectif est de quantifier la photosynthèse. Et voici les résultats le suivi de croissance du sorgho. L’indice de végétation déterminé à partir du visible arrive à saturation bien avant les 2 signaux de fluorescence. La reflectance 760 nm donne la masse de la végétation, le rapport entre les 2 bandes apporte en plus une information sur la structure de la végétation. 5 5 5

Contribution à la prospective du LMD (1/4) Thèmes scientifiques Thèses struct. nuage 3D (A-Train) gaz effet de serre (IASI) aérosols (IASI) CO2 tropo/strato (ACE-FTS) cirrus / contrails absorption 02 (FLEX) capteur fluo CO2 (A-SCOPE) Nuages et transport dans l’atmosphère libre Nuages, convection et vapeur d’eau CET, INTRO, MGCC, SIRTA Echanges tropo/strato et cirrus FST, INTRO, MGCC CLA Tropo Strato Surf. Gaz à effet de serre et feux de biomasse INTRO, MGCC Aérosols : soulèvement, transport MGCC Couche limite et surfaces continentales Je vous montre ici les différents thèmes scientifiques de la prospective du LMD dans lesquelles notre équipe est impliquée. Et voici les coopérations avec les autres équipes du labo. Comme illustration je vous indique nos thèses en cours qui nous feront avancer dans ces différents domaines. Propriétés radiatives (émissivité, température) Suivi du couvert végétal Structure CL et Flux (énergie, CO2, H2O) Evolution du climat

Contribution à la prospective du LMD (2/4) Observation des aérosols : vers une synergie IR/lidar Sondeurs IR AOD et altitude, jour/nuit, mer/terre Lidars profil et couche limite Altitude AIRS MOBILIS – Tamanrasset 1 km/h Couche Résiduelle Couche de Mélange Cu virga 2004 2003 2005 2006 2007 2008 Altitude (km) AIRS CALIPSO Objectif : Caractérisation de la thermodynamique et de la composition particulaire dans la CL pour l’étude des interactions dynamique/aérosols (ex : Sahara). Données : Exploitation des obs. IASI et CALIPSO ; projet de campagnes de mesure (sol et aéroportées).

Contribution à la prospective du LMD (3/4) Etude des surfaces continentales : une approche multi-instruments Structure 3D Canopée Lidar LiMaG Végétation & Surfaces continentales Etude des liens entre photosynthèse, cycle du carbone et bilan radiatif Suivi du couvert végétal (fluorescence) Flux verticaux de CO2 Capteur aéroporté Emissivité de surface L’objectif des mesures de fluorescence de la végétation est la quantification de la photosynthèse. Celle ci est déterminée par 3 facteurs importants : La quantité de biomasse photosynthétiquement active L’interception du rayonnement, lié à la structure 3D du couvert végétal L’efficacité du rendement de conversion photosynthétique. La fluorescence intègre ces trois facteurs. Mais le troisième, le rendement de conversion, n’est accessible qu’à travers la fluorescence. Les deux autres peuvent faire l’objet de mesures couplées avec d’autres techniques. D’autre part la photosynthèse représente de manière évidente une composante majeure du cycle du carbone (120 GT C/an, pour 6 GT C/an pour les émissions fossiles). La concentration atmosphérique en CO2 est accessible soit par sondeurs IR (AIRS, IASI,..), soit par lidar (Dial, A-SCOPE,…). Les lidars permettent d’accéder à la structure de la végétation, facteur important de l’interception du rayonnement incident, et du bilan énergétique, qui est lié aussi à l’émissivité de surface. D’où l’intérêt de mesures multi-instruments pour une étude des liens entre photosynthèse, cycle du carbone et bilan énergétique. Sondeurs IR FLUO ARA Projet de campagnes aéroportées avec couplage in situ/sondeurs pour l’étude des variations saisonnières de la végétation et des caractéristiques de surface.

Contribution à la prospective du LMD (4/4) Instrumentation innovante Lidars (sol, aéroporté) Lidar Fluorescence émettant à 355 nm & 532 nm (demande 2008, INSU) Mesure efficience photosynthèse, calibration mesures FLEX Architecture 3D du couvert et contenu pigmentaire Atmosphère Lidars 2 µm: DIAL (CO2) + Doppler + aérosols/structure au sol, visée zénith : champs 3D aéroporté, visée nadir : colonne et profils CO2, w, CLA, canopée MOBILIS: Plateforme mobile de télédétection de l’IPSL (coll. P. Chazette/CEA) Lidar Canopée et Lidar Raman aéroporté (coll. P. Chazette/CEA) Missions spatiales 2 propositions Earth-Explorer ESA : initiateur A-SCOPE, FLEX 2 propositions Prospective CNES : IASI-NG, OMELIE + participation aux propositions CNES : REFLEX, nuages de glace, Minicarb 9 9 9

Développement d’outils pour la communauté Contribution à la recherche nationale/internationale (1/3) Développement d’outils pour la communauté Modèles Transfert radiatif 4A-OP (http://www.noveltis.fr/4AOP) sélectionné comme modèle de référence pour IASI par le CNES Bases de données Banque de données spectroscopiques GEISA (http://ether.ipsl.jussieu.fr/) Contrôle et suivi des données satellitaires ARSA : Archive de données de RadioSondages Analysés (≥ 1979) Climatologies à partir des observations spatiales (propriétés nuageuses, aérosols, CO2, CH4, émissivité et température de surface) sélectionné comme base de référence pour IASI par le CNES 350 utilisateurs réguliers dans le monde. participation CNES-LMD au GSICS Le modèle de transfert radiatif dans l’IR 4A a été sélectionné par le CNES comme référence pour IASI, ainsi que la banque spectroscopique GEISA, crée en 1975 et depuis continuellement élargie. C’est la plus grande banque de ce genre, elle contient environ 2 million de raies d’absorption. Notre équipe a mis en place des procédures pour le contrôle et suivi des données satellitaires, dans le cadre international du GSICS. Nous avons également établi différentes climatologies à l’échelle globale et à long terme. Plusieurs paramètres physiques sont des premières, comme les propriétés micophysiques des cirrus, l’altitude des aérosols, contenu en CO2 et CH4 et les émissivités de surface. Toutes ces bases de données sont et seront diffusées par les centres ETHER, ClimServ et ICARE. Distribution des données par les centres ETHER, ICARE et ClimServ.

Projets internationaux Contribution à la recherche nationale/internationale (2/3) Projets nationaux Projets internationaux Instrumentation fluorescence CNES/TOSCA INSU/PNTS 2 projets ESA AirFLEX 2 projets ESA-FLEX Instrumentation lidar ANR CNES ESA Spectroscopie / transfert radiatif CNES/Noveltis Gaz effet de serre CE-COCO CE-GEMS CE-MACC Nuages ONERA API-AMMA LEFE-Tropo NASA Aérosols CE-MEGAPOLI Feux de biomasse Microsoft Research Surface continentale PNTS CEMAGREF Notre contribution à la recherche nationale et internationale est illustrée d’une part par ce tableau qui montre les différents projets par lesquels nos thèmes de recherche sont financés.

Contribution à la recherche nationale/internationale (3/3) Groupes de travail Atmospheric Spectroscopic Application WG CNES/EUMETSAT IASI Sounding Science Working Group CNES Mission Advisory Group «Post-IASI» ESA Mission Advisory Group «ADM-Aeolus» ESA Mission Assessment Group «A-SCOPE» (chair P. Flamant) ESA Mission Assessment Group «FLEX» CALIPSO Science Team IPSL PIIS/POLIMI International TOVS Study Working Groups (Climate, radiative transfer) International Radiation Commission Integrated Global Carbon Observation GEWEX Radiation Panel GEWEX cloud assessment (chair C. Stubenrauch) : http://climserv.ipsl.fr/gewexca Et d’autre part notre équipe est impliquée dans une dixaine de groupes de travail nationaux et internationaux, et est également engagé dans la valorisation et transfert industriels ainsi que dans l’enseignement du master 2. Valorisation et transfert industriels soutien à la création d’entreprises (Léosphère, Force-A) coopérations SNCF, Mairie de Paris Enseignement Cours Master 2 OACT (UPMC), ICE et QUALUB (UVSQ). Travaux expérimentaux TREX (EP).