Academic literature on the topic 'Aérosols – Propriétés microphysiques'

Le radiomètre POLDER (polarization and directionality of earth reflectance) sera place sur une orbite polaire héliosynchrone en 1996. Cet instrument effectuera des mesures spectrales, multidirectionnelles et de polarisation du rayonnement solaire réfléchi par le système terre-atmosphère. Au cours de cette thèse, nous avons développé des algorithmes qui permettront, avec de telles mesures, de caractériser les aérosols troposphériques au-dessus des océans. Nous avons d'abord montré, en utilisant une approximation de diffusion primaire, que les mesures réalisées par POLDER seront très sensibles à la taille, à l'abondance et à la nature chimique des particules qui sont autant de paramètres nécessaires pour suivre leur évolution, pour étudier leur impact sur le bilan radiatif terrestre ou pour effectuer des corrections atmosphériques. Nous avons ensuite étudié la sensibilité du signal à ces différents paramètres en tenant compte des diffusions multiples et des réflexions au niveau de la surface océanique. Les algorithmes étant basés sur la comparaison entre mesures et simulations, nous avons défini puis constitué une base de données représentative de situations aérosol très diverses. Ne disposant pas de données satellitaires, nous avons testé les algorithmes en simulant des observations POLDER. Les tests ont été menés dans différentes conditions atmosphériques (types d'aérosol, turbidité variable) en tenant compte de l'ensemble des géométries de visée accessibles sur une demi-orbite satellitaire. Nous avons également étudié l'impact du bruit inhérent à la mesure radiométrique ainsi que la représentativité des modèles d'aérosol introduits dans les simulations. Enfin, nous avons utilisé des mesures de luminance du ciel, faites depuis le sol avec un réflectancemètre polarisé pour tester les algorithmes sur des données réelles. Les épaisseurs optiques, acquises en parallèle avec un photomètre, nous ont permis de valider en partie les paramètres inverses

Cette thèse vise à montrer rapport d'un lidar multispectral, en particulier en ajoutant des longueurs d'onde dans le proche infrarouge proche, pour la caractérisation des aérosols. En effet par rapport à un lidar mono-longueur d'onde, l'information contenue dans les profils multispectraux permet de remonter aux propriétés microphysiques des aérosols (distribution en aille et composition). Pour cela un simulateur de signaux lidar multispectraux a été adapté à notre étude afin de pouvoir développer et tester deux méthodes permettant de retrouver les propriétés microphysiques des aérosols le long de la ligne e visée à partir de signaux lidar synthétiques. La première méthode, basée sur l'inversion des signaux lidar, permet de retrouver la répartition en taille des aérosols et donc d'en déduire notamment leur concentration et leur rayon modal. Cette méthode nécessite des informations a priori sur les aérosols. Un bilan d'erreur a été réalisé en introduisant des incertitudes sur ces paramètres a priori et montre que les résultats obtenus sur la concentration et le rayon modal sont précis (respectivement 16% et 17% d'erreur). Cette méthode présente l'avantage de ne pas nécessiter d'étalonnage absolu de l'instrument. La deuxième méthode est basée sur la minimisation de l'écart entre des signaux simulés et les signaux que l'on étudie. Même si la précision obtenue sur la répartition en taille retrouvée est plus faible (35% et 40 % d'erreur sur la concentration t le rayon modal) et que la constante d'étalonnage de l'instrument doit être connue, cette méthode a l'avantage de retrouver la composition des aérosols dans 74 % des cas
The purpose of this thesis is to show the contribution of a multispectral Iidar for the characterisation of aerosols, in particular hen wavelengths in near infrared are added. Indeed, compared with a mono-wavelength Iidar, the information contained in multispectral profiles allow to retrieve the microphysical properties of aerosols (particule size distribution and composition). To this end, we adapted a multispectral Iidar signal simulator to our study in order to develop and test two methods which objective is to obtain the microphysical properties of aerosol along the line-of-sight from synthetic lidar signals. The first method, based on the inversion of lidar signals, enables to find the length distribution of aerosols and therefore to educe their concentration and their modal radius. This method requires a priori information about the aerosols. An error budget was made by introducing uncertainties on the a priori parameters. It shows that the results obtained regarding the concentration and modal radius are accurate (respectively 16% and 17% uncertainty). The advantage of this method is that it does not require absolute calibration of the instrument. The principle of the second method is to minimize the difference between the studied and the simulated signals. Even if the accuracy on the size distribution is lower (35% and 40% on the concentration and modal radius) and the calibration constant of the instrument has to be known, this method has the advantage to find the concentration of the aerosols in 74% of the cases. Finally, the first method was validated on real data, coming from a collaboration with the RSLab (Barcelona), by comparing ur results with those obtained by this team (7% difference on the modal radius)

Les brouillards sont des systèmes météorologiques complexes mettant en oeuvre des processus de fine échelle, et l'interaction subtile entre processus radiatifs, dynamiques, turbulents et microphysiques qui les régit rend leur prévision difficile. Les gouttelettes d'eau qui composent les brouillards sont formées par l'activation des particules d'aérosols, et comprendre l'impact des propriétés des aérosols sur le cycle de vie du brouillard reste un défi. L'objectif de cette thèse est d'analyser l'impact du processus d'activation sur la microphysique des brouillards et sur leur cycle de vie. Elle s'articule sur deux volets, expérimental et numérique. Dans le cadre du projet PréViBoss, une plateforme de mesures in-situ des propriétés du brouillard a été déployée durant les hivers 2010-2013 au SIRTA au sud de Paris. Les données microphysiques ont fourni la distribution dimensionnelle des particules d'aérosols et des gouttelettes, et ont informé sur la capacité des particules d'aérosols à agir en tant que noyaux de condensation nuageux (CCN). Elles sont analysées afin de documenter les propriétés du brouillard et leur évolution au cours de leur cycle de vie. La particularité de ce travail réside dans le grand nombre d'épisodes de brouillard analysés. Ainsi, 48 épisodes ont permis d'étudier l'évolution microphysique des brouillards et 23 épisodes ont permis d'étudier le processus d'activation à la formation des brouillards à travers une méthode originale. Les valeurs de sursaturation critique et les concentrations de CCN ont été caractérisées et reliées aux propriétés des aérosols (distribution, concentration et hygroscopicité). Il s'avère que c'est la valeur de la sursaturation détermine la concentration de gouttelettes, indépendamment de la concentration de particules d'aérosols activables disponibles. L'évolution microphysique des 48 épisodes de brouillards suit 4 phases aux comportements distincts, et est principalement régie par les processus de condensation/évaporation et activation/dé-activation. La concentration caractéristique en gouttelettes des brouillards est déterminée durant la première phase, elle est ensuite modulée au cours du cycle de vie du brouillard. Des simulation en mode LES d'un cas de brouillard observé lors de PréViBoss ont ensuite été réalisées avec le modèle Méso-NH, afin d'évaluer l'impact de la microphysique sur la durée de vie du brouillard. Elles permettent d'explorer précisément les interactions entre aérosols et processus physiques. Un schéma microphysique à deux moments a été utilisé au sein duquel deux schémas d'activation ont été comparés: le premier diagnostique une sursaturation maximale, alors que le second considère une évolution pseudo-pronostique de la sursaturation selon Thouron et al. (2012). Contrairement au premier, le second schéma calcule les valeurs de sursaturations réellement atteintes. Il permet de tenir compte de processus supplémentaires non considérés par le schéma actuel comme la condensation ou le mélange. Les concentrations de CCN calculées avec ce nouveau schéma sont significativement moins élevées, mais restent toutefois surestimées par rapport aux observations. La représentation de la dynamique pourrait en être responsable. Des tests de sensibilité à la concentration d'aérosols montrent un impact limité sur le cycle de vie du brouillard, excepté pour des cas extrêmes, pour lesquels une très faible concentration d'aérosols retarde la dissipation du brouillard. Ce sont les conditions dynamiques, thermodynamiques et de surface qui pilotent principalement le cycle de vie du brouillard à travers leur impact sur la stabilité de la couche limite. En outre, la prise en compte d'hétérogénéités de surface modifie très sensiblement le cycle de vie du brouillard au travers de la turbulence qu'elles génèrent. La variabilité spatio-temporelle qui en découle doit ainsi être prise en compte dans de futurs dispositifs expérimentaux
Fogs are complex meteorological systems dealing with fine scale processes. Their lifecycles are closely related to the interactions between radiation, fog dynamics, turbulence and fog microphysics that make their forecasting difficult. Fogs are formed by the activation of aerosols particles into water droplets. To date, understanding the impact of the aerosols properties on the fog life cycle remains still challenging. This thesis aims at investigating the impact of activation processes on fog microphysics and lifecycles. In the framework of the PréViBoss project, in-situ measurements of fog properties were performed during winters 2010 to 2013 at the SIRTA site in the south of Paris. A detailed characterization of aerosols and fog microphysics, including number size spectrum of both particles under dry and wet conditions and droplets, was performed in order to investigate the aerosols efficiency to act as cloud condensation nuclei (CCN). A large number of case studies are presented, which include 23 case studies on fog formation from the activation of aerosols and 48 fog events on the temporal evolution of fog microphysics. An original method has been used to investigate the link between supersaturation values and concentrations of CCN with aerosols properties (distribution, concentration and hygroscopicity). We show that supersaturation values determine the droplets concentration, independently of the concentration of aerosols. The evolution of fog microphysics of the 48 cases follows 4 phases with distinct behaviours, driven by condensation/evaporation and deactivation/ activation processes. The fog droplets concentration is determined during the first phase, then it fluctuate around this value during fog life cycle. Large eddy simulation of fog cases observed during PréViBoss are performed with the Meso-NH model to evaluate the impact of microphysics on fog lifetime. It allows to explore the close interactions between aerosols and physical processes. A two moments scheme is used for microphysic and two schemes for supersaturation have been evaluated, the first one estimate the maximal supersaturation and the second one considers a pseudoprognostic evolution of supersaturation following Thouron et al. (2012). Much lower supersaturation values were obtained with the second scheme. Addtional processes, such as condensation or mixing that were not included in previous scheme, are modeled. While CCN concentrations obtained with this new scheme are lower, they remain higher than the observations. We postulate that this behaviour could be due to the representation of dynamics. Sensibilitiy tests for different aerosols concentrations reveal a weak impact on fog life cycle. Only for extreme cases where the aerosol concentrations are low, the fog dissipation is delayed. This study shows that the fog life cycle is mainly driven by thermodynamics, dynamics and surface conditions through their impact on boundary layer stability. Moreover, surface heterogeneities greatly modify fog life cycle trough turbulent motions and should be considered for future experimental studies

Il est maintenant clairement reconnu que les aérosols anthropiques modifient le climat terrestre sous la forme de trois effets différents. Tout d'abord, certains aérosols hydrophiles sont susceptibles de faire condenser de la vapeur d'eau à leur surface, entraînant une modification des propriétés nuageuses, c'est l'effet indirect. Lors de ciels clairs, les aérosols sont aussi susceptibles de diffuser et/ou d'absorber le rayonnement solaire ou tellurique, on parle alors de l'effet direct. Rétroactivement, cette absorption de l'énergie solaire peut conduire à un échauffement de certaines couches atmosphériques, ce dernier effet est l'effet semi-direct. Le principal objectif de ce travail de thèse a été d'estimer le forçage radiatif direct exercé par les différentes particules anthropiques en zone peri urbaine, lors de phénomènes de pollutions intenses, durant la campagne ESCOMPTE, avec un intérêt particulier portant sur le forçage en surface. Pour cela, nous avons développé une méthodologie s'appuyant sur des mesures in situ, satellitales et photométriques, permettant dans un premier temps de caractériser les propriétés optiques des principales espèces anthropiques (BC, POM, AS, N) de l'aérosol, puis d'estimer l'impact radiatif direct à l'échelle locale. Les principaux résultats montrent tout d'abord que 90 % de l'extinction du rayonnement solaire est due à l'aérosol anthropique. Le sulfate d'ammonium (AS) contribue pour 45 % à l'extinction, le carbone suie pour 20 % et la matière organique particulaire (POM) pour 20 % également. L'albédo de simple diffusion de la couche limite, prenant en compte les différentes espèces, a une valeur de 0. 85 indiquant une forte absorption du rayonnement solaire. Le facteur d'asymétrie est égal à 0. 59. Les comparaisons avec les inversions AERONET indiquent des résultats cohérents (0. 86 /0. 64). Cette couche d'aérosol anthropique diminue le flux net reçu à la surface terrestre (- 32 Wm 2) par réflexion du rayonnement solaire (-7 Wm-2) mais surtout en grande partie par absorption du rayonnement solaire (25 Wm-2). L'énergie disponible dans les basses couches atmosphériques augmente sa température radiative (1. 68 Kjour l). Notre étude montre que le (BC) contribue fortement à la diminution de l'énergie solaire atteignant la surface (50 % du forçage), alors que le sulfate d'ammonium n'y contribue que pour 10%. Les propriétés optiques et le forçage radiatif direct local ont finalement été étudiés dans le cas d'un mélange interne. Alors que le facteur d'asymétrie reste relativement constant, l'albédo de simple diffusion est au contraire très sensible; il peut diminuer de 15 %, augmentant ainsi l'absorption du rayonnement. Comparé au mélange externe, l'énergie solaire atteignant la surface est réduite de 25 % (-42 Wm"2 ). Ceci est dû en grande partie à l'augmentation de l'énergie absorbée (38 Wm"2) dans la couche atmosphérique
Anthropogenic aerosols are now well recognized to modify the climate through three well known processes. Directly, by scattering the solar radiation back to space, and (or) by absorbing the solar radiation. Indirectly, by changing the clouds properties when aerosol act as cloud condensation nuclei. Semi-directly, by evaporating the clouds when high concentration of absorbing aerosols are present in the atmosphere. The main aim of this work is to investigate the direct radiative forcing of the main anthropogenic aerosol species in peri urban zone for a strong pollution event, during the ESCOMPTE experiment. We used a methodology based on in situ, photometric and satellite measurements in order to first determine the aerosol optical properties of the main aerosol species (BC, POM, AS, N), and then to determine the aerosol direct radiative forcing at a local scale. Optical properties of the total aerosol layer (including all aerosol species) show that 90 % of the Iight extinction is due to anthropogenic aerosols and 10 % to natural ones. Ammonium sulphate (AS) is the major contributor with 45 % of the extinction. Optical computations show the predominant rote of the black carbon and the particulate organic matter which contribute to 21 and 20 %. The mean observed single scattering albedo equals to 0. 85, indicating a strong absorption of the solar radiation, and in the same time, the mean asymmetry parameter equals to 0. 59. Comparison with AERONET retrievals is coherent (0. 87 / 0. 64). The layer of anthropogenic aerosols reduce the daily surface illumination (- 32 Wm 2) by reflection to space (-7 Wm-2) and by absorption of the solar radiation (25 Wm 2). The resulting energy available in the atmospheric column warms the lower troposphere with a mean radiative temperature of +1. 68 0Kdaÿ-'. Our study shows an huge contribution in surface of the BC (almost 50% of the total daily forcing) for this peri urban zone, whereas the AS leads to about 10%. The aerosol optical properties and the associated direct radiative effect are investigated in a internat mixing state as well. Whereas the asymmetry parameter remains constant, wo is shown to be very sensitive and could be reduced by 15 %, increasing the absorption processes. Compare to the extemal mixture, the surface illumination is reduced by 25 % (-42 Wm 2). This is due, in a large part, to an increasing of 50 % of the energy absorbed by the aerosol layer ( 38 Wm 2)

Les particules sub-millimetriques en suspension dans l'atmosphere terrestre, appelees aerosols, peuvent absorber et diffuser le rayonnement solaire et le rayonnement infrarouge terrestre. L'activite humaine modifiant les taux de production en aerosols, il est important de calculer leur effet sur le bilan radiatif terrestre. Ce travail propose une methode qui permet d'abord de restituer a plusieurs longueurs d'onde les fonctions de phase naturelles et polarisees (qui representent respectivement les distributions angulaires du rayonnement diffuse et polarise par les particules), ainsi que l'albedo de diffusion simple des aerosols (capacite d'absorption du rayonnement par les particules), a partir de mesures multispectrales de l'extinction atmospherique et des luminances descendantes totales et polarisees. Ensuite, les fonctions de phase sont inversees afin de determiner la granulometrie des aerosols (distribution en taille) ainsi que la partie reelle de leur indice de refraction (qui exprime la composition chimique des particules)
Ces deux parametres definissent un modele d'aerosols qui permet de calculer la matrice de phase des aerosols, en supposant les particules spheriques. Un code de transfert radiatif integre le modele d'aerosols et l'albedo de diffusion simple pour evaluer la distribution angulaire du champ de luminance dans l'atmosphere. La methodologie est appliquee a des mesures acquises a lille le 10 mars 1997 par un prototype de polarimetre developpe au laboratoire d'optique atmospherique, quand les aerosols etaient abondants. Le modele d'aerosols restitue est caracteristique de particules originaires de zone urbaine. Parmi les perspectives qui se presentent, la contribution des aerosols au rayonnement ascendant peut etre evalue afin de valider et approfondir les informations issues du traitement des donnees acquises par polder (polarization and directionality of the earth's reflectance), embarque sur le satellite adeos (advanced earth observing system)

Dans cette thèse, nous analysons les principales caractéristiques des aérosols atmosphériques sur un site urbain en Afrique de l’Ouest : la ville de Ouagadougou. Cette analyse est suivie de l’évaluation du forçage radiatif produit par cette population d’aérosols au sommet de l’atmosphère, dans la couche atmosphérique ainsi qu’à la surface terrestre. Une étude climatologique des propriétés optiques (épaisseurs optiques, exposant d’Angström, albédo de simple diffusion, facteur d’asymétrie) et microphysiques (distribution granulométrique, indice complexe de réfraction) a été effectuée sur la base des données de mesures et d’inversions photométriques du réseau AERONET. L’analyse de ces données a permis de définir à diverses échelles de temps les différentes variabilités des propriétés étudiées. Ces propriétés ont mis en exergue les effets combinés de l’activité anthropique, du cycle de production des poussières minérales d’origine saharienne, de la succession saisonnière et la dynamique du climat spécifiques à cette région de la terre. La composition du panache d’aérosols a également été déduite de l’analyse des données optiques, et les conclusions tirées se sont avérées être en bon accord avec des mesures chimiques effectuées au LSCE sur des échantillons obtenus par prélèvement manuel sur filtres. Le bilan radiatif a été évalué en utilisant le modèle GAME. Cette simulation a montré une forte corrélation du forçage avec la succession des saisons sèche et humide, avec des valeurs extrêmes au mois d’Août (humide) et de Mars (sec avec poussières maximales). Les résultats traduisent un refroidissement en surface pouvant atteindre -41 W/m 2 en Mars, un réchauffement de la couche atmosphérique qui va de 15 à 35 W/m 2 environ et un refroidissement au sommet de l’atmosphère compris entre -2 et -6 W/m 2 . La représentation du forçage calculé en fonction de l’albédo de simple diffusion a montré une tendance linéaire avec un coefficient de corrélation traduisant une fiabilité de nos résultats de l’ordre de 88%. La cohérence des valeurs simulées a été aussi montrée par une comparaison avec des résultats obtenus dans la région Ouest Africaine par d’autres chercheurs utilisant des techniques différentes. De même, la représentation de l’efficacité radiative simulée en fonction de celle inversée par AERONET a montré un très bon accord
In this thesis, we analyze the main characteristics of atmospheric aerosols on an urban site in West Africa: Ouagadougou. This analysis is followed by an assessment of the radiative forcing produced by this population of aerosols at the top of the atmosphere, in the atmospheric layer and at the Earth's surface. A climatological study of the optical properties (optical thickness, Angstrom exponent, single scattering albedo, asymmetry factor) and microphysical properties (particle size distribution, complex refractive index) was performed on basis of data obtained from photometric measurement and inversions of AERONET network. The analysis of these data allowed us to define the different variabilities of the properties studied at various time scales. These properties have highlighted the combined effects of human activity, the cycle production of mineral dust from the Sahara region, the seasonal succession and the climate dynamics known in this region of the earth. The composition of the aerosol plume was also deduced from the analysis of optical data, and the conclusions were found to be in good agreement with chemical analysis carried out at LSCE on samples obtained by sampling on filters at Ouagadougou. The radiation balance was assessed using the GAME model. This simulation showed a strong relationship of the radiative forcing with the succesion of wet and dry seasons, with extreme values in August (wet) and Mars (dry with maximum dust emissions). The results showed a cooling at the surface that can reach -41 W / m 2 in March, a warming of the atmosphere, ranging from 15 to 35 W / m 2 about and a cooling at the top of the atmosphere between -2 and -6 W / m 2 . The representation of the radiative forcing calculated as a function of the single scattering albedo showed a linear trend with a correlation coefficient reflecting relatively good reliability of our results (about 88%). The consistency of simulated values was also shown by a comparison with the results obtained in the West African region by other researchers using different techniques. Similarly, the representation of the radiative efficiency simulated as a function of the inverted AERONET one showed a very good agreement

La région arctique est particulièrement sensible au changement climatique. Aux latitudes polaires, les nuages arctiques ont un effet important sur le bilan radiatif à la surface. La première partie de ce travail est constitué de l’intercomparaison instrumentale au sol à la station PUY en Mai 2013. Les mesures ont montré une bonne corrélation entre les diamètres effectifs et les distributions en taille des gouttelettes d’eau obtenus par les instruments, mais avec des biais systématiques sur les concentrations. Ces biais ont été reliés à l’estimation du volume d’échantillonnage et nous avons donc proposé une méthode consistant à normaliser les données par rapport à un instrument qui réalise des mesures intégrées. D’autre part, le FSSP et le FM ont fait l’objet d’expériences visant à évaluer l’influence de l’angle de déviation par rapport au vent extérieur et de la vitesse du vent. La seconde partie de ce travail a pour objet la campagne de mesure qui s’est déroulée à la station du Mont-Zeppelin, Ny-Alesund, Svalbard, de Mars à Mai 2012 dans le cadre du projet CLIMSLIP. Une comparaison a été effectuée entre un cas « pollué », avec des masses d’air provenant d’Asie de l’Est et d’Europe, et un cas « propre », dont les sources d’aérosols sont majoritairement locales et ne dépassent pas l’Europe du Nord. Les résultats ont montré que le cas pollué possède des concentrations en BC, aérosols et gouttes plus élevées, un mode accumulation plus important, un diamètre de gouttes plus faible et une fraction d’activation plus élevée. Enfin, le premier et le second effet indirect des aérosols ont pu être quantifiés
The arctic region is especially sensitive to climate change. At high latitudes, arctic clouds have an important effect on the surface radiative budget. The first part of this work consists in a ground based cloud instrumentation intercomparison in the PUY station in May 2013. The measurements showed a good correlation between the effective diameters and the droplet size distributions obtained by the instruments, but with a systematical bias on the concentrations. These biases have been relied to the assessment of the sampling volume and we thus proposed a methodology to standardize the data according to an ensemble of particles probe. Moreover, the FSSP and the FM have been the subject of experiments to assess the influence of the deflection angle according to exterior wind and the wind speed. The second part of this work is about the measurement campaign at the Mount-Zeppelin station, Ny-Alesund, Svalbard, from March to May 2012 in the frame of the CLIMSLIP project. A comparison has been performed between a « polluted » case, with air masses coming from East Asia and Europe, and a « clean » case, where the aerosol sources are predominantly local and do not exceed the northern Europe. The results showed that the polluted case possessed higher concentrations in BC, aerosols and drops, an accumulation mode more important, weaker droplet diameters and higher activation fraction. Finally, the first and second aerosol indirect effects have been quantified

La connaissance de la répartition verticale des propriétés optiques et microphysiques des aérosols est cruciale pour étudier l'évolution et le transport des aérosols, ainsi que leurs impacts sur la santé humaine, l'environnement local et le climat mondial. Dans ce travail nous avons développé un algorithme BOREAL pour restituer les propriétés microphysiques des aérosols à partir de combinaisons de mesures lidar d'extinction, de rétrodiffusion et de dépolarisation spectrales. Basé sur une estimation de vraisemblance maximale, l'algorithme de restitution utilise une approche d'itération non linéaire pour rechercher la meilleure adéquation entre les mesures et les contraintes. Les propriétés microphysiques des aérosols restituées comprennent la distribution de taille des particules, leur concentration volumique, leur rayon efficace, l'indice de réfraction complexe (CRI) et l'albédo de diffusion simple (SSA).Les performances de BOREAL, sa précision et la sensibilité des mesures sont évaluées à l'aide de données simulées. En général, la précision de la restitution est meilleure pour les particules de mode fin que pour les particules de mode grossier. Les simulations démontrent l'importance de l'exploitation de contraintes a priori pour améliorer la précision de la restitution du CRI et du SSA. Outre les particules sphériques, la performance de la restitution des particules non sphériques est également évaluée en intégrant trois modèles de diffusion de particules différents, à savoir les modèles Sphérique, Sphéroïdale et Irrégulier-Hexaédrique (IH), dans BOREAL. Les résultats montrent que l'intégration des mesures de dépolarisation dans l'inversion est essentielle pour mieux contraindre et stabiliser la restitution. De plus, l'approximation des particules non sphériques par des sphères dégrade manifestement la qualité de la restitution. Enfin, BOREAL est utilisé pour restituer les propriétés aérosols au cours d'événements de feux de biomasse, de poussières désertiques et les d'aérosols continentaux pollués détectés depuis la plateforme ATOLL. Les résultats sont analysés et comparés aux restitutions d'AERONET ainsi qu'aux résultats d'études précédentes, ce qui démontrer la robustesse de BOREAL pour l'application de données réelles et la caractérisation d'aérosols.Ce travail contribue aux études menées dans le cadre du Labex CaPPA et d'ACTRIS en quantifiant les propriétés microphysiques des aérosols à partir des observations lidar
Vertical information on aerosol optical and microphysical properties is of significant importance to study aerosol evolution, transport, as well as their impacts on human health, local environment and global climate. This thesis developed an algorithm, the Basic algOrithm for REtrieval of Aerosol with Lidar (BOREAL), for retrieving heigh-resolved aerosol microphysical properties from combinations of extinction, backscattering and depolarization lidar measurements. Based on maximum likelihood estimation, the retrieval algorithm uses a nonlinear iteration approach to search for the best fit to both measurements and constraints. The retrieved aerosol microphysical properties include particle size distribution, volume concentration, effective radius, complex refractive index (CRI) and single scattering albedo (SSA).The performance of BOREAL, retrieval accuracy and measurement sensitivity are assessed through simulated data. In general, retrieval accuracy is higher for fine-mode particles than coarse-mode particles. The simulations demonstrate the importance of exploiting a priori constraint to improve the retrieval accuracy of CRI and SSA. Apart from spherical particles, performance of retrieving non-spherical particles is also evaluated by integrating three different particle scattering models, i.e., the Sphere, Spheroid and Irregular-Hexahedral (IH) models, into BOREAL. The results show incorporating depolarization measurements into inversion is essential to better constrain and stabilize the retrieval. Besides, approximating non-spherical particles to spheres will evidently degrade retrieval quality in cases of lidar measurements. In addition, BOREAL is applied to real lidar observations of different aerosol types, including biomass burning, dust and continental polluted aerosols at the ATOLL observatory. Results are analyzed and compared with retrievals from AERONET and previous studies, which demonstrates the robustness of BOREAL for real data application and aerosol characterization.Overall, this work contributes to Labex CaPPA and ACTRIS efforts to better quantify aerosol microphysical properties using lidar measurements

Le premier objectif de cette étude est d’analyser la cohérence entre les restitutions d’aérosols au-dessus des nuages (AAC) réalisées à partir de mesures spatiales passive et active. Nous avons considéré la méthode basée sur les mesures polarisées de POLDER, la méthode développée pour le lidar spatial CALIOP et la méthode basée sur le rapport de dépolarisation CALIOP (DRM), pour laquelle nous proposons une version calibrée. Nos analyses régionale et pluriannuelle globale mettent en évidence un bon accord statistique entre les restitutions DRM et POLDER AOT (R2=0,68 - échelle globale), qui donne confiance dans notre capacité à mesurer les propriétés de l'AAC. Des différences se produisent lors du contact entre les couches d'aérosols et de nuages. La méthode opérationnelle de CALIOP sous-estime l’AOT, comparé aux deux autres méthodes. Le second objectif est d'étudier l'impact des aérosols sur les propriétés des nuages et leur forçage radiatif, sur l'océan Atlantique Sud. Nous avons considéré une synergie entre les restitutions CALIOP et POLDER avec des paramètres météorologiques colocalisés. Nous réalisons des calculs de transfert radiatif dans les domaines visible et infrarouge, et analysons l'effet de la charge en aérosol sur les propriétés des nuages et la météorologie. Nous avons trouvé que les aérosols et le contenu en vapeur d’eau pourraient impacter la convection des nuages. Nos résultats montrent que sous de fortes charges de AAC, les nuages deviennent optiquement plus épais, avec une augmentation du contenu en eau liquide de 20 g.m-2 et des altitudes plus basses du sommet du nuage (~200 m); indiquant un potentiel effet semi-direct des aérosols au-dessus des nuages
One of the main objectives of this study is to analyze the consistency between the aerosol above clouds (AAC) retrievals from passive and active satellite measurements. We consider the method based on the passive polarization measurements provided by the POLDER instrument, the operational method developed for the space borne lidar CALIOP, and the CALIOP-based depolarization ratio method (DRM), for which we also propose a calibrated version. We perform a regional analysis and a global multi-annual analysis to provide robust statistics results. Our findings show good agreement between DRM and POLDER AOT retrievals (R2=0.68 at global scale). This result gives confidence in our ability to measure the properties of AAC. Differences occur when the aerosol and cloud layers are in contact. CALIOP operational method is largely underestimating the above cloud AOT, compared to the other two methods.The second objective is to study the impact of aerosols on the cloud properties and their radiative forcing, over the South Atlantic Ocean. We perform a synergy between CALIOP vertical profiles and POLDER retrievals, with collocated meteorological parameters. We performed radiative transfer calculations in the short- and longwave domains, and analyzed the effect of aerosol loading on the cloud properties and meteorology. We found that aerosols and water vapor effects could impact the cloud convection. Our results show that under large loads of AACs, clouds become optically thicker, with an increase in liquid water path of 20 g.m-2 and their cloud top altitudes are lower by 200 m, which may indicate a potential semi-direct effect of aerosols above clouds

Le premier objectif de cette étude est d’analyser la cohérence entre les restitutions d’aérosols au-dessus des nuages (AAC) réalisées à partir de mesures spatiales passive et active. Nous avons considéré la méthode basée sur les mesures polarisées de POLDER, la méthode développée pour le lidar spatial CALIOP et la méthode basée sur le rapport de dépolarisation CALIOP (DRM), pour laquelle nous proposons une version calibrée. Nos analyses régionale et pluriannuelle globale mettent en évidence un bon accord statistique entre les restitutions DRM et POLDER AOT (R2=0,68 - échelle globale), qui donne confiance dans notre capacité à mesurer les propriétés de l'AAC. Des différences se produisent lors du contact entre les couches d'aérosols et de nuages. La méthode opérationnelle de CALIOP sous-estime l’AOT, comparé aux deux autres méthodes. Le second objectif est d'étudier l'impact des aérosols sur les propriétés des nuages et leur forçage radiatif, sur l'océan Atlantique Sud. Nous avons considéré une synergie entre les restitutions CALIOP et POLDER avec des paramètres météorologiques colocalisés. Nous réalisons des calculs de transfert radiatif dans les domaines visible et infrarouge, et analysons l'effet de la charge en aérosol sur les propriétés des nuages et la météorologie. Nous avons trouvé que les aérosols et le contenu en vapeur d’eau pourraient impacter la convection des nuages. Nos résultats montrent que sous de fortes charges de AAC, les nuages deviennent optiquement plus épais, avec une augmentation du contenu en eau liquide de 20 g.m-2 et des altitudes plus basses du sommet du nuage (~200 m); indiquant un potentiel effet semi-direct des aérosols au-dessus des nuages
One of the main objectives of this study is to analyze the consistency between the aerosol above clouds (AAC) retrievals from passive and active satellite measurements. We consider the method based on the passive polarization measurements provided by the POLDER instrument, the operational method developed for the space borne lidar CALIOP, and the CALIOP-based depolarization ratio method (DRM), for which we also propose a calibrated version. We perform a regional analysis and a global multi-annual analysis to provide robust statistics results. Our findings show good agreement between DRM and POLDER AOT retrievals (R2=0.68 at global scale). This result gives confidence in our ability to measure the properties of AAC. Differences occur when the aerosol and cloud layers are in contact. CALIOP operational method is largely underestimating the above cloud AOT, compared to the other two methods.The second objective is to study the impact of aerosols on the cloud properties and their radiative forcing, over the South Atlantic Ocean. We perform a synergy between CALIOP vertical profiles and POLDER retrievals, with collocated meteorological parameters. We performed radiative transfer calculations in the short- and longwave domains, and analyzed the effect of aerosol loading on the cloud properties and meteorology. We found that aerosols and water vapor effects could impact the cloud convection. Our results show that under large loads of AACs, clouds become optically thicker, with an increase in liquid water path of 20 g.m-2 and their cloud top altitudes are lower by 200 m, which may indicate a potential semi-direct effect of aerosols above clouds