Institut Pierre-Simon Laplace

Sciences du climat

Site régional d’observation de l’atmosphère et de développement instrumental

Qualair est une plate-forme de recherche expérimentale installée au centre de Paris pour observer la variabilité chimique et dynamique de la colonne atmosphérique. Les recherches poursuivies, analyses climatologiques et études de processus, s’inscrivent dans les thématiques plus larges de l’impact de la pollution urbaine à l’échelle régionale, et des relations entre ville, santé et environnement.

Privilégiant les mesures de profils verticaux, ou intégrées selon la verticale, cette station a aussi vocation à servir de site urbain de validation satellite, de lieu de développement de nouveaux instruments ou de synergies instrumentales. Elle participe enfin à des réseaux de mesures régionaux, nationaux ou internationaux.

Responsable : François Ravetta (PR LATMOS)

Personnels impliqués

LATMOS : Jacques Pelon (DR CNRS), Gérard Ancellet (DR CNRS), Richard Wilson (MCF UPMC), Andrea Pazmino (Phys. Adj.), Cathy Clerbaux (DR CNRS), Pascal Genau (IE CNRS)

Dans le cadre de l’IPSL, la plate-forme héberge des instruments du LSCE et du LERMA.

OSU-Ecce Terra : Cristelle Cailteau-Fischbach, coordinatrice technique de la plate-forme, également en charge du développement technique des lidars.

Objectifs et missions de la plateforme

Qualair est une plate-forme de recherche expérimentale installée au centre de Paris pour observer la variabilité chimique et dynamique de la colonne atmosphérique. Les recherches poursuivies, analyses climatologiques et études de processus, s’inscrivent dans les thématiques plus larges de l’impact de la pollution urbaine à l’échelle régionale, et des relations entre ville, santé et environnement.

Privilégiant les mesures de profils verticaux, ou intégrées selon la verticale, cette station a aussi vocation à servir de site urbain de validation satellite, de lieu de développement de nouveaux instruments ou de synergies instrumentales. Elle participe enfin à des réseaux de mesures régionaux, nationaux ou internationaux.

Descriptif (instruments, observables, PI)

Profileurs

  • Lidar rétrodiffusion MILAN: lidar dédié au suivi en continu de la hauteur de couche limite et du profil de rétrodiffusion des aérosols (PI F. Ravetta & J. Pelon)
  • Lidar ozone ALTO : mesures régulières du profils d’ozone – mesures en continu lors de campagnes dédiées (PI G. Ancellet & F. Ravetta)
  • Radar Curie : mesures en continu du profil de vent et estimation de la turbulence dans la couche limite (jouvence en cours) (PI R. Wilson)

Mesures intégrées

  • Spectromètre à observation zénithale (SAOZ): mesures en continu du contenu intégré en ozone et en dioxyde d’azote (PI A. Pazmino)
  • Photomètre Cimel : mesures régulières de l’épaisseur optique des aérosols (PI J. Pelon & F. Ravetta)

Budget annuel (fonctionnement)

Le coût de fonctionnement de la plate-forme Qualair s’élève à environ 15k€ par an. Cela couvre les consommables et les petites réparations. Le fonctionnement est assuré grâce au soutien récurrent du LATMOS ainsi qu’à celui de l’OSU Ecce Terra.

Investissements/améliorations(upgrade) faits depuis 2012 en précisant si financement OSU

  • Renouvellement du lidar rétrodiffusion pour un montant de 70 kE (42 kE projet européen, 28 kE OSU)
  • Amélioration du lidar ozone et développement d’un microlidar 60 kE (40 kE DIM Analytics, 20 kE OSU)

Gestion des données

Les données du photomètre sont diffusées via le réseau Aeronet. Les données du SAOZ sont disponibles en ligne. Les données brutes du nouveau lidar seront fournies au réseau national Actris.

Intégration dans les réseaux nationaux et internationaux

Intégration en cours dans le réseau Actris/Earlinet

Bilan d’activité de la plateforme (2012-2017)

Lors de cette période, la plate-forme Qualair a d’une part poursuivi le développement et la consolidation de son parc instrumental, d’autre part valorisé scientifiquement les données disponibles.

D’un point de vue instrumental les faits suivants méritent d’être soulignés :

  • acquisition du lidar MILAN en remplacement de l’ancien lidar rétrodiffusion. Les observations sont désormais réalisées à deux longueurs d’onde, avec mesure de la polarisation. Cela permettra de mieux caractériser les aérosols et de renforcer la synergie avec le photomètre ;
  • développement d’une voie basse pour le lidar ozone ALTO, auparavant aveugle en deçà de 800 mètres de portée.

Du point de vue de l’exploitation scientifique, les études se sont en premier lieu focalisées sur des analyses statistiques ou des analyses de variabilité : caractérisation du profil d’ozone (Klein, 2017), flux de dioxyde de carbone (Xueref, 2016), lien entre les mesures de surface et la colonne intégrée de dioxyde d’azote (Dieudonné, 2013), variabilité de la hauteur de la couche limite (Pal, 2012). Deux campagnes d’observation intensives, impliquant des collègues français et américains, ont par ailleurs été organisées (Végilot-2014) et en (ParisDarkNight-2016) pour étudier les processus de ventilation de la couche limite ainsi que la chimie nocturne. Elles sont en cours d’analyse.

Projet à moyen terme

La plate-forme va poursuivre son développement scientifique selon quatre grands axes directeurs :

  1. Instrumentation innovante

La mesure en continu du profil d’ozone s’avère cruciale pour mieux comprendre les influences réciproques entre la pollution photochimique à l’échelle locale et le transport à l’échelle régionale. Le projet DéMOM (Développement et mise en œuvre de microlidars), financé par le DIM Analytics, va permettre de tester le concept de microlidar ozone, en complément du lidar ALTO, qui ne peut être mis en œuvre que de façon sporadique. Au travers de cette filière microlidar, la plate-forme Qualair soutient une activité de recherche et développement dont les enjeux dépassent la région parisienne (Equipex IAOOS, projet CNES Stratéole2).

  1. Synergies instrumentales

La plate-forme Qualair rassemble un nombre significatif d’instruments. Leur opération conjointe permet non seulement de réaliser des campagnes d’observation très documentées, mais aussi d’améliorer les algorithmes d’inversion en combinant les données. Dans les années qui viennent la priorité sera donnée au lien avec les mesures satellites. Il importe en particulier de mieux caractériser la capacité des satellites à observer la couche limite en milieu urbain, source de nombreuses émissions, ainsi que la variabilité horizontale des observations au centre de Paris. Deux missions sont d’ores et déjà identifiées : IASI pour une meilleure caractérisation du profil d’ozone (en lien avec le lidar rétrodiffusion, le Picarro du LSCE, et le spectromètre infrarouge en mode NDACC du LERMA ; Calipso (en lien avec le lidar rétrodiffusion et le photomètre pour une meilleure caractérisation des aérosols).

  1. Exploitation scientifique

Les analyses des campagnes Végilot-2014 et ParisDarkNigh-2016 vont se poursuivre. Elles permettront en particulier de mieux comprendre :

  • l’impact du développement matinal de la couche limite sur la photochimie urbaine
  • l’influence des jets nocturnes sur la pollution à l’échelle régional
  • l’importance de la chimie nocturne sur le bilan des oxydes d’azote et de l’ozone.

Du point de vue des tendances, il serait certainement utile de s’appuyer sur les données du radar Curie pour estimer la variabilité du mélange turbulent dans la couche limite. Ce radar pouvant désormais commuter pour fonctionner en présence de précipitations, il devient par ailleurs possible de contribuer à l’étude des perturbations du cycle de l’eau au sein de l’îlot de chaleur urbain.

  1. Diffusion des données

La mise à disposition de la communauté scientifique des observations réalisées au niveau de la plate-forme doit se poursuivre, en particulier via la participation à des réseaux de mesures régionaux, français, européens et internationaux. Une refonte de la base de données Qualair en vue de faciliter leur accès et de valoriser ses résultats ne pourrait par ailleurs qu’être bénéfique.

Par ailleurs, la station accueille régulièrement des étudiants (M2 OACOS & SPE) et le grand public (fête de la science, formation d’enseignants). Malheureusement, le potentiel de formation de la station demeure limité compte tenu de l’exiguïté des locaux et du caractère unique des instruments déployés. L’accent est donc mis sur une sensibilisation aux enjeux de l’observation et sur une présentation des techniques de mesures.

Les besoins de la plate-forme sont donc les suivants : un assistant ingénieur pour le suivi au quotidien des instruments, la validation et la diffusion des données, des locaux pour accueillir du public, en particulier des étudiants, des crédits de fonctionnement pour la maintenance des instruments, les principaux investissements ayant déjà été réalisés. L’association des équipes du LERMA et du LSCE à l’OSU permettrait de soutenir leurs activités et de valoriser globalement les observations scientifiques réalisées au niveau de la station de mesures.