Les aérosols sont de petites particules en suspension dans l’atmosphère dont les effets sur Terre varient selon le type d’aérosol, allant d’impacts sur la santé humaine et le transport aérien aux impacts climatiques et météorologiques. Différentes techniques de mesure existent aujourd’hui pour surveiller les aérosols, principalement via la récupération de l’épaisseur optique des aérosols (AOD), à différentes échelles temporelles et spatiales. Parmi les systèmes d’observation disponibles, les satellites météorologiques en orbite géostationnaire fournissent des informations uniques sur les aérosols, car ils collectent des données depuis l’espace à haute fréquence temporelle (avec plusieurs images de la Terre par heure). De telles données ont été exploitées au CNRM ces dernières années avec l’algorithme instantaneous Aerosol and surfacE Retrieval Using Satellites in GEOstationary orbit (iAERUS-GEO), qui restitue des cartes d’AOD toutes les 15 minutes depuis l’instrument SEVIRI embarqué sur Meteosat Seconde Génération (MSG), le satellite géostationnaire d’EUMETSAT, qui observe l’Europe, l’Afrique et l’Amérique du Sud. Dans ce contexte, cette thèse se concentre sur l’évaluation des nouvelles possibilités que la troisième génération de satellites météorologiques Meteosat, Meteosat Troisième Génération-Imageur (MTG-I) avec le Flexible Combined Imager (FCI)
à bord, apportera pour la télédétection des aérosols par rapport à MSG/SEVIRI. Pour ce faire, des méthodes d’inversion basées sur l’estimation optimale sont d’abord développées pour tirer le meilleur parti de la richesse des informations fournies par les données géostationnaires. Plus précisément, la meilleure utilisation de l’information a priori et la restitution simultanée de plusieurs variables d’intérêt sont étudiées en utilisant de véritables observations SEVIRI. Deuxièmement, le potentiel de restitution de l’AOD avec les nouveaux canaux spectraux de FCI par rapport à ceux de SEVIRI est étudié en utilisant des données synthétiques réalistes. Deux études de cas correspondant à des situations compliquées pour la restitution satellitaire des aérosols sont considérées, des poussières désertiques en Afrique du Nord (zone correspondant à des surfaces brillantes) et la saison des feux de forêt en Afrique du Sud-Ouest (zone correspondant à des géométries satellites défavorables). Les résultats prouvent que le canal VIS04 de FCI (centré à 444 nm) est le mieux adapté à la restitution de l’AOD, avec une diminution significative de l’erreur (RMSE de 23% et biais de 65%) par rapport aux résultats obtenus avec SEVIRI, (comme le canal VIS06, centré à 640 nm). Troisièmement, les capacités de FCI à aller au-delà de la restitution de l’AOD et à caractériser le type d’aérosol sont étudiées, avec le développement d’une méthode permettant d’estimer simultanément
l’AOD et la fraction modale fine (FMF), qui est liée à la distribution granulométrique. Cette étude est réalisée en considérant séparément les contributions des modes d’aérosols fins et grossiers dans le processus d’inversion, et en exploitant les informations distinctes fournies par les nouveaux canaux FCI VIS04 et NIR22 (centré à 2250 nm et sensible aux aérosols grossiers uniquement). Les expériences réalisées montrent que, sauf conditions défavorables, la restitution de l’AOD et du FMF est possible même en utilisant des modèles de transfert radiatif rapide adaptés à la production opérationnelle. Cette démonstration de la possibilité d’obtenir des observations d’aérosols à haute fréquence temporelle à partir de FCI, devenu opérationnel en décembre 2024, ouvre la voie à une future étude sans précédent des variations diurnes des aérosols depuis l’espace. |
Aerosols are small particles suspended in the atmosphere with effects on Earth that vary according to the species or type of aerosol, ranging from human health and air transport issues to climate and weather impacts. Different measurement techniques exist today to monitor aerosols, mainly through the retrieval of Aerosol Optical Depth (AOD), at different temporal and spatial scales. Among the available observing systems, meteorological satellites in geostationary orbit provide unique information on aerosols, as they gather data from space at high temporal frequency (with several Earth’s images per hour). Such data have been exploited at CNRM in the past years with the instantaneous Aerosol and surfacE Retrieval Using Satellites in GEOstationary orbit (iAERUS-GEO) algorithm, which retrieves maps of AOD every 15 minutes from the SEVIRI instrument onboard of Meteosat Second Generation (MSG), the EUMETSAT geostationary satellite observing Europe, Africa and South America. In this context, this PhD work focuses on assessing the new possibilities that the third generation of Meteosat meteorological satellites, Meteosat Third Generation-Imager
(MTG-I) with the advanced Flexible Combined Imager (FCI) onboard, will bring for aerosol remote sensing in comparison to MSG/SEVIRI. To do so, inversion methods based on optimal estimation are first developed to make the most of the wealth of information provided by geostationary data. More precisely, the best use of a priori information and the simultaneous retrieval of several variables of interest are investigated based on the processing of true SEVIRI observations. Second, the potential for AOD retrieval of new FCI spectral channels in comparison to SEVIRI’s is studied based on realistic FCI-like synthetic data. Two test case studies corresponding to challenging aerosol retrieval situations are considered, a dust outbreak in North Africa (corresponding to bright surfaces) and the wildfire season in South West Africa (corresponding to unfavorable satellite geometries). Results prove that the FCI VIS04 channel (centered at 444 nm) is the best suited for AOD retrieval, with a significant decrease in retrieval error (RMSE by 23% and bias by 65%) in comparison to results obtained from the SEVIRI-like VIS06 channel (centered at 640 nm). Third, the FCI capabilities to
go beyond AOD retrieval and characterize aerosol type is investigated, with the development of a method to simultaneously estimate AOD and the fine mode fraction (FMF), which is linked to the particle size distribution. This is achieved by considering the contributions of the fine and coarse aerosol modes separately in the retrieval process, and by exploiting the distinct information provided by the new FCI VIS04 and NIR22 (centered at 2250 nm, and being sensitive to coarse aerosols only) channels. Experiments show that, except under certain unfavorable conditions, the retrieval of AOD and FMF is possible even when fast radiative transfer models adapted to operational production are used. This demonstration of the possibilities of obtaining high temporal frequency aerosol observations from FCI, which became operational in December 2024, paves the way for the unprecedented future study of diurnal aerosol variations from space. |