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Station Géophysique


Les mesures systématiques effectuées pour l'étude de l'atmosphère à l'Observatoire de Haute-Provence depuis les années 1970 ont conduit à l’idée de mettre en place un réseau international de surveillance des changements dans la stratosphère. Ainsi, dès Janvier 1991, lors du début effectif de ce réseau NDSC (Network for Detection of Stratospheric Change), la station géophysique de l’OHP en est devenue naturellement la première station opérationnelle en association avec les instruments en service sur les sites de la Jungfraujoch, du plateau de Bure et de l'Observatoire de Bordeaux. Elle est tout naturellement affiliée également aux réseaux ADN (Automated Dobson Network) et SAOZ.

Les objectifs scientifiques poursuivis dans cette station sont ceux de toutes les stations du service d'observation NDSC de l'IPSL : on y mène l’étude de la variabilité naturelle de la composition chimique et de la structure physique de l'atmosphère pour détecter d'éventuelles modifications à long terme de l'atmosphère sous l'effet des activités humaines. L’autre activité scientifique importante réside dans la mise à disposition de la communauté internationale de mesures de qualité pouvant servir de référence, particulièrement lors de validation satellitaire.

La station géophysique assure d’autre part un rôle important d’enseignement et de formation en accueillant des étudiants de divers horizons :

Bilan des mesures

L'activité de la station est systématiquement 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 2002
lidar Rayleigh
141
lidar ozone (stratosphère)
132
lidar ozone (troposphère)
39
lidar vent
3
mesures sol O3
328
sondages ballon
45
spectromètre SAOZ
315
spectrophotomètre Dobson
180
spectromètre BrO
195

Ce tableau montre que l’année 2002 a été une année plutôt moyenne. En effet, le nombre de jours de mesures est en légère régression par rapport à l’année 2001 tout en restant à un niveau conforme aux objectifs de surveillance de la station. Ceci est dû à un certain nombre d’arrêts provoqués soit par des pannes soit par de la maintenance. Il devient impératif d’envisager la remise à niveau de certains sous-ensembles importants, en particulier sur les lidars. Le bilan instrument par instrument met en évidence cet état de fait.

Lidar Rayleigh

Cet instrument, jusqu’à présent particulièrement fiable, est l’exemple type de ce qui vient d’être dit. Une fissure à la tête du premier amplificateur a provoqué une interruption de plus de 2 mois pendant l’été. En outre, quelques modifications ont été entreprises sur la partie « vapeur d'eau par effet Raman » compte tenu de l’intérêt particulier de cette méthode.

Lidars DIAL de restitution du profil d'ozone

Ces deux instruments sont assez anciens et doivent faire l’objet d’une certaine jouvence. Dans un premier temps, on a transporté à l’OHP le laser utilisé par le lidar stratosphérique de la station Antarctique, ce dernier étant momentanément arrêté. Ceci permettra de faire face à certains incidents et de mieux assurer la continuité des mesures avec cet instrument. Le lidar troposphérique dont le fonctionnement devenait problématique depuis la fin 2001 a été complètement interrompu jusqu’en juillet 2002. Malgré tout la fin de l’année a vu un nombre de jours de mesures satisfaisant.

Spectromètres

Malgré un fonctionnement délicat et une panne due aux orages le Dobson fournit toujours une bonne série de mesures. Le SAOZ beaucoup plus fiable, donne toujours des séries complètes. Le spectromètre BrO géré par une équipe belge a fonctionné régulièrement malgré une interruption nécessitée par une mise à niveau accompagnée d’un déplacement.

Sondages ballon

Les sondages ballon sont toujours effectués régulièrement chaque mercredi, sauf impossibilité (en général pour des conditions météo contraires). Comme en 2001, il a pu manquer quelques mesures liées à des livraisons de matériel parfois hasardeuses.

Lidar Vent

Cet instrument n’étant pas encore intégré au réseau NDSC, son fonctionnement ne se fait pas sur un rythme régulier. En 2002, très peu de mesures ont été réalisées.

Validation de l’expérience GOMOS à bord d’ENVISAT à partir des données NDSC

L’expérience GOMOS à été mise en fonctionnement à bord d’ENVISAT en Mars 2002. Cet instrument de conception française a été développé pour sonder la stratosphère et notamment la distribution verticale d’ozone à partir d’occultation stellaire. Cette technique faisait présager l’obtention de mesures très prometteuses du fait de la précision, de la couverture géographique et de la résolution verticale inhérent à cette méthode. Les lidars déployés dans le cadre du NDSC devaient jouer un rôle important dans le programme de validation mis en place par l’ESA.

  
Figure 1. Vue de l’expérience GOMOS et du satellite ENVISAT

Ce projet a démontré l’intérêt de disposer d’un réseau coordonné avec une disposition géographique globale. Les équipes françaises se sont plus particulièrement focalisées sur l’expérience GOMOS et ses mesures d’ozone. Elles ont pris en charge la mise en forme des données et leur inclusion dans la base de données du NILU. L’examen de l’ensemble de ces comparaisons, montre des précisions inférieures à 5% dans le domaine d’altitude compris entre 20 et 40 km (Table 1).

Altitude    Biais    Bruit
< 20 km    5-10 % sans voie Raman         5 %
< 20 km         5 % avec voie Raman         5 %
20-35 km         2 %         2 %
> 40 km    5-10 %    5-10 %
 
Table 1. Erreurs (systématique et aléatoire) attendues par les lidars ozone du NDSC

Avec l’OHP, huit stations ont fonctionné à chaque passage du satellite (Table 2). Les coïncidences ont eu lieu en fonction de l’heure solaire entre 22:00 et 23:00 heures. Environ 2 à 5 mesures par semaine ont donc ainsi été obtenues.

Station    Position
Andoya    69°N, 16°E
OHP    43.9°N, 5.7°E
Toronto    43.8°N, 79.5°W
TMF    34°N, 118°W
Mauna Loa    19.5°N, 155.6°W
La Reunion    22°S, 55°E
Lauder    45°S,170°E
DDU    66.7°S, 140.0°E
 
Table 2. Liste des stations impliquées dans la validation d’ENVISAT

   Les comparaisons obtenues ont généralement été très bonnes aussi bien d’un point de vue qualitatif que quantitatif comme le montre la figure 2. La plupart des structures ont été reproduites par les deux méthodes sauf dans la basse stratosphère où le bruit de GOMOS augmente rapidement du fait de la pénétration plus faible de l’UV dans la basse atmosphère. Les premières comparaisons montrent des différences inférieures à ±10% entre 20 et 45 km sauf pour la station de Andoya qui se trouve à plus haute latitude et soumise à un bruit de luminance solaire plus grand en été. Le calcul de l’erreur standard montre qu’aucune des différences ne semble significative. A l’OHP le plus grand biais apparaît entre 25 et 35 km.
Figure 2

Figure 3.  Différence moyenne et son erreur standard pour le site de l’OHP (droite) et profils moyens obtenus par chaque technique (gauche).
 
Figure 4.  Déviation standard moyenne des différences entre GOMOS et le lidar de l’OHP comparée aux erreurs estimées (gauche).
Variabilité temporelle calculée à partir des deux séries obtenues par chaque instrument (droite)

La déviation standard des différences GOMOS-lidar est principalement induite par le bruit de mesure de chaque technique et l’amplitude de la déviation standard est comparable à la somme quadratique des erreurs estimées de chacun des instruments. Les incertitudes de mesures viennent plus particulièrement de GOMOS dans la partie inférieure du profil où l’UV ne peut pénétrer. Par contre dans la haute stratosphère c’est le lidar qui présente la plus grande incertitude du fait du bruit de mesure. Des différences entre la déviation standard des différences avec les erreurs estimées apparaissent pour les stations de moyennes latitudes. Elles peuvent s’expliquer en partie par la géométrie assez différente des deux instruments et la présence de structures fines et laminaires d’ozone. Le lidar intègre sur plusieurs heures alors que GOMOS a une direction de visée horizontale qui moyenne les perturbations suivant cette direction.

La variabilité donnée par les séries de mesures coïncidentes prises séparément montre des amplitudes de 5 à 10% en accord avec les erreurs estimées et les différences entre les deux instruments. A moyenne latitude, les mesures GOMOS présentent une variabilité supérieure jusqu’à 15-20% alors que le lidar reste inférieur à 5-10%. A partir de ces résultats, on peut conclure que GOMOS possède une variabilité plus importante que le lidar. D’autres tests devront être menés pour décider s’il s’agit d’une limite instrumentale ou liée à la géométrie de l’instrument.


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