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Station Géophysique


La reconnaissance au niveau international de la qualité des mesures pour l'étude de l'atmosphère conduites à l'Observatoire de Haute-Provence depuis les années 1970 a permis de jeter les bases d'un réseau international de surveillance des changements dans la stratosphère, le NDSC (Network for Detection of Stratospheric Change). L'OHP a été associé aux sites de la Jungfraujoch, du plateau de Bure et de l'Observatoire de Bordeaux pour constituer la station Alpine de ce réseau. Étant largement équipée en instruments spécifiques, cette station est devenue naturellement, en Janvier 1991, la première station opérationnelle du réseau NDSC. Elle est tout naturellement affiliée également aux réseaux ADN (Automated Dobson Network) et SAOZ.

Les opérations scientifiques poursuivies dans cette station ont les mêmes objectifs principaux que les autres stations du service d'observation NDSC de l'IPSL, soit :

  1. l'étude de la variabilité naturelle de la composition chimique et de la structure physique de l'atmosphère,
  2. la détection d'éventuelles modifications à long terme de l'atmosphère sous l'effet des activités humaines,
  3. la mise à disposition de la communauté internationale de mesures de qualité pouvant servir de référence, en particulièrement lors de validation satellitaire.

L'accueil d'étudiants de divers horizons (DEA, cours européens, …) met en évidence le rôle important de formation que la station géophysique peut être conduite à jouer.

Bilan par instrument

Comme habituellement, l'activité de la station est présentée sous la forme synthétique d'un nombre de nuits ou de jours suivant l'instrument d'observation pendant l'année. Les nombres donnés dans le tableau ci-dessous représentent des mesures brutes qui n'ont pas encore toutes fait l'objet d'une validation.

Nombre de journées d'observation en 2000
lidar Rayleigh (temp., aérosols, H2O )
184
    lidar ozone (stratosphère)
145
lidar vent
3
mesures sol O3
366
lidar ozone (troposphère)
30
spectromètre SAOZ
362
spectrophotomètre Dobson
199
sondages ballon
55

On remarque une légère diminution du nombre d'observations et ce, par rapport à une année 1999 qui se situait déjà au-dessous du rythme des années précédentes. Deux phénomènes différents sont intervenus pour entraîner cette baisse. Le premier, conjoncturel, est lié aux dégâts causés par le violent orage de fin 1999 : certains instruments n'étaient pas encore opérationnels au 1/1/2000 ; l'autre, plus insidieux, est lié à l'érosion des crédits, en particulier des crédits de logistique qui sont devenus très insuffisants à la suite de la mise en place du ticket modérateur qui s'est traduite par une diminution considérable du soutien de base de l'OHP. Nous avions déjà diminué la fréquence des mesures les plus coûteuses (lidars) tout en respectant le minimum adapté aux caractéristiques des phénomènes observés. C'est maintenant la maintenance qui a été allégée, conduisant par là même à un taux de pannes plus élevé.

L'activité de la station est présentée en termes de résultats scientifiques obtenus grâce aux observations systématiques entreprises à l'OHP. Cette présentation a l'avantage de donner une vue plus synthétique de l'activité conduite dans le cadre des réseaux que la présentation par instrument. Nous avons également pris le parti de ne présenter que des opérations nouvelles ou des expériences pour lesquelles un résultat significatif est intervenu dans l'année.

Lidar vapeur à l’OHP

La vapeur d'eau joue un rôle clef dans le système climatique. Elle intervient principalement dans le bilan énergétique atmosphérique par le transport de chaleur latente et par ses contributions au bilan radiatif aux courtes et grandes longueurs d'onde, mais elle est également impliquée dans les processus de chimie atmosphérique. Récemment Clough et collègues ont établi que malgré de très faibles teneurs, la vapeur d'eau dans la haute troposphère contribue de manière très importante au bilan radiatif aux grandes longueurs d'onde. Une bonne précision et une haute résolution verticale sont nécessaires pour les calculs de transfert de rayonnement et la validation de mesures satellitaires. Jusqu'à présent, parmi les observations opérationnelles, seules les mesures par radiosondage fournissent une résolution adéquate. Cependant, les biais systématiques entre différents capteurs d'humidité et les incertitudes concernant leur fonctionnement dans les conditions froides et sèches caractérisant la moyenne et haute troposphère limitent l'utilisation des mesures par radiosondage. Dans ce contexte, les mesures de la vapeur d'eau par lidar Raman présentent un intérêt particulier car cette méthode permet des mesures jusqu'à la tropopause avec une grande résolution verticale, et une calibration indépendante est en principe possible.

La mise en oeuvre et la validation approfondie d'une mesure de la vapeur d'eau dans la moyenne et haute troposphère ont été entreprises par lidar Raman. Cette mesure est une extension à l'optique de réception de la mesure NDSC de température par lidar Rayleigh à l'Observatoire de Haute Provence.

Le lidar fournit ainsi des informations très importantes concernant les teneurs en vapeur d'eau dans la haute troposphère. Le travail entrepris concerne également le développement d'une méthode de calibration indépendante en vue de la surveillance à long terme. Une attention particulière a été ainsi portée à la résolution des effets des variations instrumentales à court et long terme.

Les résultats des études de modélisation et d'intercomparaison ont été étendus afin d'estimer la précision de la calibration avec l'observation de la lumière diffuse du jour quand les propriétés radiatives des aérosols modélisées peuvent être contraintes par des mesures photométriques simultanées. Les variations du coefficient de calibration à court et long terme devraient être reproductibles à 4 et 6% respectivement, comparable ou meilleure que la précision obtenue avec des méthodes de calibration basées sur l'utilisation des mesures de radiosondage.

Spectromètre BrO à l'OHP

En Juillet 1998 dans le cadre de la campagne THESEO, le spectromètre BrO a été installé à la station géophysique de l'OHP, sous la responsabilité de Michel Van Roozendael (IASB-BIRA). Cet instrument a accumulé environ 620 jours d'observations au total. Les problèmes de fiabilité rencontrés au cours des deux premières années, notamment en raison de la foudre, sont à présent maîtrisés. L'instrument a été pleinement opérationnel pendant la période d'avril à septembre 2000. Une modification de la configuration expérimentale est prévue pour la fin de l'année 2000, en vue de compléter les observations zénithales par des mesures de type "off-axis" plus sensibles à la troposphère. Ces nouveaux développements instrumentaux sont prévus dans le cadre du projet QUILT (coordinateur D.W. Arlander) actuellement en cours de négociation à la Commission Européenne. Cet instrument est mis en oeuvre sous la responsabilité et avec le soutien financier des équipes belges de l'IASB.

Intercomparaison des algorithmes lidar DIAL de restitution du profil d'ozone

La mesure de la distribution verticale d'ozone par lidar à partir de la méthode d'absorption différentielle (DIAL), s'est considérablement développée depuis le début des années 90. Cet instrument a en effet l'avantage de fournir une mesure d'ozone autocalibrée sans l'introduction de constante d'appareil. À l'heure actuelle, une dizaine de lidars DIAL sont utilisés à travers le monde pour la mesure à long terme de l'ozone stratosphérique dans le cadre du NDSC. L'utilisation de lidars ozone au sein de ce réseau nécessite une attention accrue quant à la fiabilité à long terme des instruments. Elle requiert de plus l'évaluation de leurs performances en termes de précision et de résolution verticale et temporelle. C'est dans ce cadre qu'un exercice de comparaison d'algorithmes a été entrepris. Les dix algorithmes participant à cette intercomparaison étaient les suivants : celui du Goddard Space Flight Center, celui du National Institute For Environmental Studies, celui du National Institute of Public Health and Environmental Protection, le nouvel et l'ancien algorithme du Deutsche Wetterdienst, celui du Service d'Aéronomie du CNRS, celui du Meteorological Research Institute, celui du York University, celui du Alfred Wegener Institute, et celui du Jet Propulsion Laboratory.

Les résultats montrent une meilleure réponse des analyses aux perturbations situées dans la basse stratosphère. Les perturbations introduites dans la haute stratosphère ne sont pas détectées par certains algorithmes.

Il est également apparu une certaine incohérence dans la définition de la résolution verticale, dans la mesure où les réponses aux perturbations ne correspondaient pas systématiquement aux résolutions verticales. Un test basé sur l'utilisation d'un filtre dérivateur simple a été proposé afin d'évaluer les performances des différents algorithmes quant à la résolution verticale. Enfin, l'exercice a montré une estimation correcte par la plupart des équipes, de la précision de la mesure relative au bruit aléatoire des signaux lidar.

Analyse des séries de mesures d'ozone stratosphérique faites à l'OHP, tendances

Des mesures satellitaires et par instruments-sol ont mis en évidence une diminution de l'ozone à l'échelle globale se produisant depuis au moins 2 décennies. En terme de profil vertical d'ozone, la diminution la plus importante se trouve dans la basse stratosphère. Bien que la compréhension du rôle des différents processus chimiques, dynamiques et radiatifs ait récemment beaucoup progressé, il reste difficile de quantifier précisément, en fonction de l'altitude, l'influence relative de la variabilité naturelle et des tendances de l'ozone sur cette évolution, ceci du fait des spécificités de chaque instrument mesurant l'ozone. De plus, la comparaison des différents instruments est rendue plus difficile par le fait que plusieurs expériences fonctionnent rarement ensemble sur le même site pendant plusieurs années. Depuis plus de dix ans à l'Observatoire de Haute-Provence l'ozone est mesuré par plusieurs méthodes. L'analyse comparée de ces séries et le calcul des tendances de l'ozone ont fait l'objet d'un article (M. Guirlet, P. Keckhut, S. Godin, et G. Mégie) accepté pour parution dans Annales Geophysicae.

Un spectrophotomètre Dobson, un instrument lidar DIAL et des ozonosondages y mesurent depuis plus de 10 ans la colonne totale ou le profil vertical d'ozone. Pendant la même période, l'ozone a été mesuré depuis l'espace par l'expérience SAGE II. La combinaison de ces jeux de données obtenus par différents instruments permet de comparer les techniques et de valider pour la première fois le concept de station "multi-instrumentale" proposé par le NDSC. Elle permet également d'établir les premières estimations des tendances de l'ozone à l'OHP.

Dans les domaines d'altitude communs, un bon accord est observé entre les instruments, que ce soit en termes d'amplitude de la variation saisonnière ou de phase (date du maximum d'amplitude). À 25 km, le changement en amplitude et phase signale un changement de régime, qu'on peut expliquer par le passage d'un contrôle dynamique sous le maximum d'ozone à un contrôle chimique aux altitudes supérieures. Cette cohérence entre les différents types de mesures et leur capacité à restituer les variations saisonnières nous permet d'aller plus loin dans l'analyse en calculant l'effet des autres processus sur évolution de l'ozone à long terme à partir des différentes mesures.

Dans cet objectif, un modèle de tendances a été développé et adapté aux mesures de l'ozone de l'OHP. Outre l'effet des variations saisonnières, ceux de la QBO, du cycle solaire de 11 ans et des aérosols ont été aussi paramétrés. La variation lente de l'ozone résultante après soustraction de ces différents termes peut être attribuée à une possible influence de la tendance anthropique. La tendance calculée à partir des mesures Dobson montre une diminution de l'ozone total de 5.4 1.7% par décennie. Elle est plus marquée en hiver (-10.6 3.8% par décennie) et au printemps (-15.3 3.8% par décennie), comme dans d'autres stations européennes proches (Hohenpeissenberg; Vigna di Valle). Cette diminution de la colonne est associée à une diminution dans le profil vertical d'ozone.

Les mesures de quantités intégrées d'ozone sont validées à Reims au G.S.M.A. par M-R De Backer-Barilly sous la responsabilité de A. Barbe (P.I.). Elles sont régulièrement comparées avec les valeurs données par TOMS et régulièrement utilisées dans le cadre du programme européen ESMOS pour une étude comparative des concentrations d'ozone mesurées dans les sites alpins et dans les campagnes de validation de mesures satellitaires (Base de données NILU pour GOME). Elles sont demandées durant les mois d'été par le laboratoire de Chimie de l'Environnement de Marseille pour la mise en évidence d'une corrélation entre les quantités d'ozone et les incendies de forêts.

Cette variété d'utilisations montre l'importance du maintien de mesures de qualité à partir du sol, indispensables pour établir une base de données fiables et indépendantes des mesures satellitaires.

Cette étude démontre la qualité des mesures ozone faites en routine à l'OHP, leur cohérence et leur complémentarité, caractéristiques indispensables pour une détermination précise des tendances. Elle montre aussi la nécessité de poursuivre ce type de mesures à long terme pour améliorer encore la précision des tendances aux moyennes latitudes.

Publications

Match observations in the arctic winter 1996/97: high stratospheric ozone loss rates correlate with low temperatures deep inside the polar vortex.
      Schulz A., Rex M., Steger J., Harris N.R.P., Braathen G.O., Reimer E., Alfier R., Beck A., Alpers M., Cisneros J., Claude H.,
      De Backer H., Dier H., Dorokhov V., Fast H., Godin S., Hansen G., Kanzawa H., Kois B., Kondo Y., Kosmidis E., Kyro E.,
      Litynska Z., Molyneux M.J., Murphy G., Nakane H., Parrondo C., Ravegnani F., Varotsos C., Vialle C., Viatte P., Yushkov V.,
      Zerefos C. and Von der Gathen P.
          Geophys. Res. Lett., 27, 205-208, 2000.

Description of the long-term ozone data series obtained from different instrumental techniques at a single location: the observatoire de Haute-Provence (43.9 °n, 5.7°e).
      Guirlet M., Keckhut P., Godin S. and Mégie G.
          Ann. Geophys., 18, 1325- 1339, 2000.

Reconstruction of vertical ozone distribution from umkehr estimates (revue).
      Godin S., Zerefos C., Kosmidis E., Tourpali K., Cuevas E., Guzzi D., Stefanutti L., Bojkov R.D., De Luisi J., Petropavlovskikh I.
      and Thuissen D.
          Atmospheric Ozone. Proceedings of the Quadrennial Ozone Symposium, Sapporo, Japan, 3-8 July 2000, 69-70, 2000.

Monitoring stratospheric constituents by ground-based uv-visible Dobson and SAOZ spectrometers
      Sarkissian A.
          European Research Course on Atmospheres, vol 4, Boutron C.F.(ed.), Les Editions de Physique, 2000.

Interannual changes of temperature and ozone.
      Salby M., Callaghan P., Keckhut P., Godin S. and Guirlet M.
          SPARC Newsletter, n°15, 6-11, 2000.

Stratospheric changes observed with lidar
      Keckhut P., Mégie G., Hauchecorne A., Godin S. and David C.
          Proceedings of the 80th Annual Meeting of the American Meteorological Society, Long-Beach, Californie, 9-14 January 2000.

Global behaviour of atmospheric NO2 as derived from the integrated use of satellite, ground-based network and balloon observations.
      Lambert J.C., Granville J., Van Roozendael M., Goutail F., Johnston P.V., Muller J.F., Pommereau J.P., Russell III J.M.
      and Sarkissian A.
          in: Atmospheric Ozone. Proceedings of the Quadrennial Ozone Symposium, Sapporo, Japan, 3-8 July 2000, 201-202, 2000.


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