Journée scientifique: 3 Juin 2009 Atmosphère-Biosphère-Climat (télédétection) présenté par Claudia Stubenrauch Raymond Armante, Alain Chédin, Cyril Crevoisier, Dimitri Edouart*, Pierre Flamant, Fabien Gibert, Yves Goulas*, Nicole Jacquinet, Ismaël Moya, Abderrahmane Ounis*, Noëlle Scott + Virginie Capelle, Sébastien Champagne, Laurent Crépeau, Sylvain Cros, Juan Cuesta, Fabrice Daumard+, Laetitia Estevan*, Antoine Fournier+, Anthony Guignard+, Florian Le Mounier*, Delphine Nobileau, Jêrome Pernin, Sophie Peyridieu+, Jihane Sayadi*, Thibaud Thonat+ CLA Tropo Strato surf. Observations Inversion Spectroscopie Transfert radiatif variables physiques interprétation scientifique (sondeurs IR, lidars, radiomètres fluo) Conception instrumentale: -instruments innovants -missions spatiales Je vous présente les activités de l’équipe ABC(t) – Etude de l’Atmosphère Biosphère Climat par télédétection – , qui regoupe les 3 équipes ARA (Analyse du Rayonnement Atmosphérique), LimaG (Lidar Météorologique et Géophysique) et Fluo (étude de la fluorescence de la végétation) et qui consiste de 11 chercheurs et ingénieurs permanents, de 7 doctorants et de 9 postdocs et CDDs. Nos recherches se regroupent autour des thèmes scientifiques: des gaz à effet de serre, des nuages et vapeur d’eau, aérosols et couche limite en lien avec les feux de biomasse et la végétation. Ces travaux s’appuient sur différents outils que nous développons (instrumentation innovante, modèle de TR, bases de données spectroscopique et climatologique) et sur trois types d’observations… Journée scientifique: 3 Juin 2009 Salle Becquerel, Ecole Polytechnique

Thèses Thèmes scientifiques Evolution du climat cirrus / contrails (A-Train) Nuages et transport dans l’atmosphère libre Nuages, convection et vapeur d’eau Echanges tropo/strato et cirrus Gaz à effet de serre et feux de biomasse Aérosols : soulèvement, transport struct. nuage 3D (A-Train) CO2 tropo/strato (ACE-FTS) gaz effet de serre (IASI) CO2 (A-SCOPE) CLA Tropo Strato Surf. aérosols (IASI) Couche limite et surfaces continentales Structure CL et Flux (énergie, CO2, H2O) Suivi du couvert végétal (par fluorescence) Propriétés radiatives (émissivité, température) Les thèmes scientifiques de l’équipe s’intègrent dans les grands axes de recherche du LMD détaillés sur cette diapositive. Le couplage des observations réalisées par les différents instruments couvre différentes parties de l’atmosphère et permet d’étudier les nuages et le transport dans l’atmosphère libre. Et voici les coopérations avec les autres équipes du laboratoire sur les différents sous-thèmes. Nous contribuons également à l’étude de la couche limite et des surfaces continentales; et aux études du changement climatique à l’aide des climatologies globales que nous sommes en train d ’établir. Je vous indique ici nos 9 thèses en cours ou débutant en automne et qui nous font avancer dans ces différents domaines. Je vous illustre maintenant à travers de 2 exemples pourquoi un regroupement de nos 3 équipes est bien justifié. absorption 02 (FLEX) capteur fluo

profils verticaux de concentration de CO2 par observation spatiale en occultation solaire (ACE-FTS/SCISAT) Pierre-Yves Foucher, thèse Déc 2009 ACP 2009, et 1 article en préparation 20 8 50°N améliorer connaissance du transport atmosphérique à grande échelle déterminer hauteur d’injection de CO2 par les feux Comparaison avec modèle de transport FLEXPART modélisation 4A/OP limbe moyennes mensuelles 10°x10°, 5-25 km d’altitude, 2004-2009 (erreur a priori < 0.5 %, écart type ~ 1 %) Comparaison avec campagne avion CARIBIC (altitude 9km) CARIBIC ACE-FTS 2ppm 2 mois 09/05 01/06 05/06 09/06 01/07 05/07 09/07 01/08 05/08 09/08 30°N-60°N thèse de M. Diallo démarrera en automne (B. Legras/A. Chédin)

Climatologie des traînées d’avion potentielles Nicolas Lamquin, thèse Déc 2009

AERO2k: fréquence d’altitude d’avion Climatologie des traînées d’avion potentielles région sursaturée RHi (%), radiosondages Nicolas Lamquin, thèse Déc 2009 2 articles ACP en prép. AIRS calibrer par MOZAIC (avions de lignes) : présence de sursaturation -> probabilité de sursaturation AIRS AERO2k: fréquence d’altitude d’avion 400-500 300-400 250-300 200-250 150-200 hPa Fréquence de sursaturation de glace Fréquence des traînées potentielles poursuite par IASI: proposition postdoc CNES

Etude des surfaces continentales Végétation & Surfaces continentales Etude des liens entre photosynthèse, cycle du carbone et bilan radiatif Structure 3D Canopée Flux verticaux de CO2 Suivi du couvert végétal (fluorescence) Capteur aéroporté Lidar Emissivité de surface Sondeurs IR flux de CO2 assimilé: 120 Gt C/an IASI Capelle et al. in prep. Seasonal variations negligible in most regions except Savannas Une 2. interaction forte concerne l’étude de la végétation et des surfaces continentales. L’approche multi-instruments développée dans l’équipe nous permettra d’étudier les liens entre photosynthèse, cycle du carbone et bilan radiatif. En effet, le suivi du couvert végétal par les radiomètres aéroportés développés dans l’équipe sera couplé aux obs. de la structure 3D de la végétation pour caractériser les échanges de CO2 entre surface, végétation et troposphère, qui pourront ensuite être couplés aux mesures de CO2 données par les sondeurs IR. Par ailleurs, l’évolution saisonnière du couvert végétal sera associée à l’évolution saisonnière de l’émissivité spectrale de la surface afin d’étudier le bilan radiatif énergétique des surfaces continentales. Nous prévoyons de réaliser des campagnes aéroportées dont les mesures seront couplées aux observations spatiales.

suivi de la croissance par fluorescence Plateforme avec une grue mobile et capteur fluorescence : Campagnes 2008/2009 INRA Avignon G-FLEX structure de la canopée par lidar UV Cuesta et al., 2010 Stockage de carbone dans la canopée forestière Mesure conjointe de l'activité photosynthétique par fluorescence induite par laser (avec I. Moya, Y. Goulas et A. Ounis) Collaborations: CEMAGREF, IPSL et INRA Landes 2008

Missions Spatiales En cours d’analyse : AIRS, Synergie A-Train (AIRS-CALIPSO-CloudSat), ACE-FTS, IASI, GOSAT (JAXA) Contribution à la préparation ADM-Aeolus (ESA) lancement en 2012: Vent, nuages, aérosols EarthCARE (ESA/JAXA): nuages, aérosols Initiée en phase 0/A CHARME pour la mesure CH4 et de la canopée coopération CNES – DLR IASI-NG climat-chimie-météo (IASI avec bruit/2 et res. spectr. x 2) CNES Minicarb CNES Proposée ACE-2 (Atmospheric Chemistry Exp.) : Appel à Idées EE-8 de l’ESA EXCALIBUR (CO2 et canopée) : Appel à Idées EE-8 de l’ESA FLEX (allégé) : Appel à Idées EE-8 de l’ESA VITAL-ISE (canopée et eaux côtières et intérieures): Appel à Idées de l’ESA pour la Station Spatiale Internationale cycle diurne CO2

Projets internationaux Contribution à la recherche nationale/internationale Projets nationaux Projets internationaux Instrumentation fluorescence CNES/TOSCA INSU/PNTS (proposal) ESA AirFLEX ESA-FLEX (proposal) Instrumentation lidar ANR CNES ESA Spectroscopie / transfert radiatif CNES/Noveltis Gaz effet de serre CE-MACC ESA-CCI (proposal) Nuages / vapeur d’eau LEFE-CloudClim NASA CMSAF FA GEWEX Aérosols ONERA ANR (proposal) 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.

Cloud Assessment 0°-30°S LCA/CA HCA/CA co-chairs: C. Stubenrauch, S. Kinne Cloud Assessment http://climserv.ipsl.polytechnique.fr/gewexca Stubenrauch et al. 2009, GEWEX news 0°-30°S HCA/CA LCA/CA CALIPSO: highest cloud layer CALIPSO SAGE AIRS HIRS-NOAA TOVS-B ISCCP PATMOS-x MODIS-ST MODIS-CE Winker Wang Wylie Rossow Heidinger Ackerman Minnis participation of 10 global cloud climatologies preparation of common data base with monthly statistics HCA/CA depends on instrument sensitivity seasonal cycles agree quite well

GEISA-09 line transition parameters sub-database evolution 4,000,000 111 3,807,997 GEISA-09 3,000,000 + 2,139,626 entries 2,000,000 50 1,668,371 GEISA-03 1,000,000 , 750,000 500,000 250,000 , , Jacquinet et al. (2009)

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 Le bilan de l’équipe ARA concerne l’étude de la variabilité climatique à l’aide d’observations spatiales, notamment les sondeurs IR et MO. Leur exploitation nous a permis de réaliser différentes climatologies globales sur les propriétés de surface, comme émissivité et température, des aérosols comme épaisseur optique et altitude et des nuages,  pour lesquels nous coordonnons notamment le GEWEX cloud assessment qui sera décrit dans les GEWEX news de ce mois-ci. Je vous présente ici un résultat marquant des gaz à effet de serre: Nous avons réalisé les 1eres estimations d’un contenu intégré de CO2 à partir d’observations 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 coninue du CO2 d’environ 10 ppm. La très haute résolution spectrale de IASI a également permis d’estimer un contenu intégré de méthane, avec un premier résultat très intéressant : depuis le début de l’ère industriel, le méthane n’a cessé de croître dans l’atmosphère, puis est resté constant dans les années 90. Des observations à la surface ont montré une reprise de la croissance du méthane depuis 2007, qui semble être confirmée par IASI. Le lancement de deux autres IASI permettra de suivre cette évolution sur le long terme. ? CH4 Reprise de l’augmentation du méthane ? +10ppbv 2007 2008 1760 1860

VIS IR VIS propriétés des aérosols désertiques Epaisseur optique Peyridieu et al., ACPD 2009 Epaisseur optique Climatologie 7 ans : AIRS vs. MODIS MODIS : poussières (modes fin et grossier) et aérosols de feux VIS @NASA Série temporelle 2003-2010 AIRS/IASI : mode grossier des poussières IR @LMD PARASOL : mode grossier (non sphérique) des poussières VIS @LOA Altitude moyenne Comparaison avec CALIOP/CALIPSO 3km 1km Altitude moyenne AIRS vs. CALIOP (niveau 2) <AIRS-CALIOP>  -300 m ± 360 m près des sources de dust

A-Train: synergy of passive & active instruments lidar radar MODIS, AIRS OCO Aura Parasol Cloud height relative to tropopause as function of cloud thickness AIRS: cloud type CALIPSO: ‘apparent’ geometrical cloud thickness CloudSat: real geometrical cloud thickness GEOPROF data cloudsat.cira.colostate.edu Winker / Mace et al.2009 } : real Dz from GEOPROF from CALIPSO from AIRS-LMD Stubenrauch et al., ACP 2010 only the very thickest opaque clouds (& surrounding anvils) penetrate stratosphere Correspond to large, organized, convective systems (as in Rossow & Pearl 2007)

A-Train: synergy of passive & active instruments lidar radar MODIS, AIRS OCO Aura Parasol Evaluation of AIRS cloud height with CALIPSO (highest cloud, detected at 5km) ___ LMD --- NASA all clouds, global good agreement with CALIPSO cld midlevel (or pos. of max. backscatter) properties also depend on retrieval method ___ LMD --- NASA CALIPSO low clouds Stubenrauch et al. JGR 2008 in agreement with Kahn et al. 2008

A-Train: synergy of passive & active instruments lidar radar MODIS, AIRS OCO Aura Parasol Vertical extent (Dz) of high opaque clouds / Ci / thin Ci AIRS: cloud type CALIPSO: ‘apparent’ geometrical cloud thickness CloudSat: real geometrical cloud thickness } Winker / Mace et al.2009 GEOPROF data Cloudsat.cira.colostate.edu Stubenrauch et al., ACP 2010 Dz(thin Ci) < Dz(Ci) < Dz(hgh op) real Dz much larger than apparent Dz for high opaque cloud good quality of AIRS cloud type identification