Implémentation du système global pour la mesure de la composition atmosphérique : concepts et méthodes pour une analyse intégrée des données satellitales

L'impact des activités anthropiques sur la composition atmosphérique est devenu évident depuis la découverte, dans les années quatre-vingt, de la formation d'un trou dans la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique. Depuis lors d'autres menaces environnementales liées aux changements de la composition atmosphérique ont été mises en évidence. Parmi celles-ci, le réchauffement climatique global et la pollution de l'air sont au coeur de l'actualité. Depuis les débuts de l'aéronomie, de nombreux instruments de mesure de la composition atmosphérique ont été développés et déployés au sol, sur ballon, sur avion et sur satellite. Chacun de ces instruments possède ses avantages et ses inconvénients et donne accès à différents aspects d'une atmosphère quadridimensionnelle variable et structurée. Les propriétés telles que la résolution, l'échantillonnage et la gamme accessible des signaux géophysiques mesurés par les systèmes opérationnels varient en fonction de paramètres techniques comme la source de rayonnement, la gamme spectrale, la géométrie de visée, le type d'orbite,... et en fonction des conditions de mesure. Les observations provenant de différents systèmes sont complémentaires. La stratégie internationale actuelle d'observation de notre environnement global vise justement à exploiter cette complémentarité via l'implémentation d'un système coordonné de systèmes d'observation globale de la Terre: le GEOSS. Ce système de systèmes réunira et combinera les données provenant de différents systèmes d'observation de la Terre dans différents domaines (surface, océans, atmosphère, cryosphère,...) pour fournir une information intégrée utile à la société. Concernant la composition de l'atmosphère, la stratégie internationale IGACO a identifié différents moyens pour l'intégration des données. Ils incluent, entre autres, l'amélioration des algorithmes d'inversion, la caractérisation du contenu d'information réel des mesures, le développement de techniques facilitant la comparaison des mesures, la validation continue des données satellitales, le développement d'outils pour faciliter et améliorer le couplage des séries temporelles et l'ingestion des observations dans les modèles numériques de chimie et de transport. Quoique nécessaire, l'intégration des données provenant de systèmes différents n'est pourtant pas évidente. En effet, l'utilisation intégrée des données se confronte à la présence d'erreur générées par les différences d'échantillonnage et de lissage existant entre les signaux géophysiques capturés par des instruments différents.Le travail présenté dans ce manuscrit s'axe autour de cette stratégie d'intégration. Nous développons différents concepts et méthodes utiles à une analyse intégrée des données satellitales. Nous tentons également d'estimer de manière systématique l'impact des différences de lissage et d'échantillonnage dans les quatre dimensions de l'atmosphère: latitude, longitude, altitude et temps. Dans un premier temps, nous étudions de manière séparée deux des principaux éléments du système d'observation globale de la composition atmosphérique: les instruments mesurant le rayonnement rétrodiffusé par l'atmosphère au nadir et les instruments mesurant l'émission infrarouge au limbe. Les mesures UV-visible au nadir ont débuté dans les années septante avec les instruments de type BUV et continuent actuellement avec les séries européennes GOME-2 et chinoise SBUS/TOU. La technique BUV permet de mesurer le profil de l'ozone avec une bonne résolution horizontale mais une faible résolution verticale et une sensibilité variant avec l'altitude. C'est pourquoi nous analysons en détail le contenu d'information et la résolution verticale du profil d'ozone tel que mesuré par GOME, le premier instrument européen de type BUV. La technique d'observation a visée au limbe offre quant à elle une meilleure résolution verticale que la technique BUV, de l'ordre de 1 à 3 km, mais une faible résolution horizontale. C'est pourquoi nous étudions ensuite la résolution et les propriétés de lissage horizontal des mesures de l'instrument européen MIPAS. La validation géophysique des données satellitales est une des étapes essentielles à leur intégration dans un système d'observation globale. Dans la suite de ce travail, nous mettons en pratique les outils développés dans un exercice de validation géophysique des profils d'ozone MIPAS. En tenant en compte l'erreur de lissage horizontal, nous éclairons d'un jour nouveau le bilan d'erreur d'une comparaison. Dans les deux chapitres suivants nous nous intéressons non plus de manière séparée aux éléments du système d'observation global de l'atmosphère mais à leurs possibilités de couplage. Nous étudions d'abord la consistance entre sept jeux de profils d'ozone obtenus à partir d'instruments à géométrie de visée au limbe. Nous étudions les structures méridiennes et temporelles de jeux de données couvrant des régions géographiques et des périodes de temps très différentes en utilisant les réseaux au sol comme référence. Enfin, nous étudions comment les propriétés respectives des systèmes étudiés dans les chapitres précédents se retrouvent dans un produit hybride généré par un réseau neuronal.