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L’infrastructure IAGOS, un outil pour la surveillance et le prévision de la chimie atmosphérique

F. Karcher(1), M. Stoll(2), Y. Lemaître(2),

J.- P. Cammas(3), P. Nédélec(3)

(1) Centre National de Recherches Météorologiques, Météo-France et

CNRS, Toulouse

(2) Direction des Systèmes d’Observation, Météo-France, Toulouse

(3) Laboratoire d’Aérologie, UMR 5560, CNRS et Université de

Toulouse-3 Paul Sabatier.

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IAGOS : Evolution

MOZAIC FP5 1994-2004

IAGOS-DS FP6 2005-2008

IAGOS-ERI ESFRI 2006

IAGOS-ERI FP7 RI-PP 2008-2011

IIntegration of routine ntegration of routine AAircraft measurements ircraft measurements

into a into a GGlobal lobal OObserving bserving SSystemystem

EEuropean uropean RResearch esearch IInfrastructurenfrastructure

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Sommaire

• Résultats des projets de recherche MOZAIC

• Infrastructure IAGOS– Objectifs– Tâches en cours– Diffusion des observations– Prospective

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MOZAIC I, II et III (1994-2008)

-150 -100 -50 0 50 100 150

-40

-20

0

20

40

60

80

A

Y Axis

Title

X axis title-150 -100 -50 0 50 100 150

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-20

0

20

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LAT

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-40

-20

0

20

40

60

80

LAT

LIMA

SAN FRANCISCO

LOS ANGELESNEW ORLEANS

MEXICO

DALLAS

BOSTON

HOUSTON

CINCINNATI

MIAMI

CHICAGO

ANTIGUASAN DOMINGO

ATLANTA

CARACAS

SANTIAGO

MONTREAL

PLATA PUERTOPUERTO RICO

QUAYAQUIL

TORONTO

QUITO

WASHINGTON

BOGOTA

NEW YORK

SAINT MARTINPOINTE A PITRE

CAYENNE

BUENOS AIRES

MONTEVIDEO

DAKAR

SAO PAULO RIO

RECIFE

BANJOUL

ABIDJAN

LONDON

COTONOU

BRUXELLES

PARIS

LAGOS

AMSTERDAM

FRANKFURT

VIENNA

LIBREVILLE

DOUALAYAOUNDE

LUANDABRAZZAVILLE

WINDHOEK

ATHENES

HERAKLION

JOHANNESBURG

ISTANBUL

ANTALYA

KIGALIENTEBBE

ANKARA

TEL AVIV

NAIROBI

ANTANANARIVO

TEHERAN

DUBAI

MUMBAI

MALE

DELHI

COLOMBO

MADRASBANGKOK

HANOI

SINGAPORE

JAKARTA

SAIGON

BEIJING

SHANGAI

SEOUL

OSAKANAGOYA

TOKYO

5 avions2500 vols/anO3, H2ODepuis 2002 : COSur avion LH : NOy

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Instrumentation MOZAICRack MOZAIC

O3, CO : CNRS/LAH2O, : FJZ

Prises d’air sur le fuselage

Instrument NOx/ NOy : FZJ

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Base de données à usage recherche : CNRM + LA

• Données 1994-2006• Résolution verticale : 20 m / 150 m• Résolution horizontale : 1 km / 15 km•Migration vers CNRS/LA – CNES/Ether• Utilisation internationale : 50 équipes de recherche• Environ 80 publications

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Humidité relative, Haute troposphère, Atlantique Nord

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Haute troposphère tropicale

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MOZAIC : thèmes scientifiques

• Humidité de la haute troposphère

• Distributions haute tropo/basse strato : O3, CO, NOy

• Échanges Stratosphère –Troposphère

• Transport à longue distance des produits de la combustion de la biomasse

• Variabilité interannuelle et tendances de l’ozone (régions tropicales et extra-tropicales)

• Modèles de Chimie et Transport : validation

• Impacts de l’aviation sur l’atmosphère

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Avec MOZAIC, l’Europe a pris de l’avance

• Utilisation de la flotte commerciale– Peu coûteuse (transport gratuit de l’instrumentation)– Nécessaire pour compléter les observations à partir

du sol et de satellites• Raisons du succès

– Participation active d’Airbus– Peu d’incidence sur les opérations aéronautiques– Intérêt scientifique

• Besoin d’une infrastructure de recherche pérenne basée sur les principes de MOZAIC

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Infrastructure IAGOS : objectifs

• Réaliser un service d’observation opérationnel et permanent de la haute-troposphère/basse-stratosphère

• Étendre la couverture spatiale des observations• Étendre les observations physico-chimiques pour

mieux appréhender les causes et les effets du changement climatique et ses relations avec la chimie atmosphérique

• Préparer l’utilisation des observations en temps réel pour la prévision du temps et de la qualité de l’air

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Calendrier

05 09 11

MOZAIC-I, … MOZAIC-III

IAGOS-DS

IAGOS-ERI

0703

*

Rechercheenv. climat infrastructures

conception

Installation, statut

5 A-340 3 A-340 20 A-330/340

st

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IAGOS-DS (2005-2009) : tâches

1. Coordination : FZ Jülich, A. Volz-Thomas2. Faisabilité de l’infrastructure et définition des

besoins utilisateurrs : CNRS/LA, J.-P. Cammas3. Conception et certification des instruments

IAGOS : CNRS/LA, P. Nédélec4. Etudes pour instrumentation aérosol : DLR, A.

Petzold5. Etudes instrumentation miniaturisée : Université

Cambridge, R. L. Jones6. Transmission en temps réel : CNRM, F. Karcher

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IAGOS-DS1 (2005-2009) : coordination

• MPG (Iéna), nouveau participant pour la mesure CO2, 2005

• Extension du contrat pour retard sous-traitance instrumentation IAGOS, 2006

• Proposition acceptée à l’ESFRI, 2006• Proposition FP7 infrastructures acceptée,

2007• Extension du contrat pour retard sous-

traitance instrumentation IAGOS, 2008.

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IAGOS-DS2 : faisabilité, besoins

• Besoins utilisateurs :

– Contacts IGACO, GMES

– Participation au rapport GMES-WG3 sur les besoins de la chimie atmosphérique en mesures in-situ, 2007

• Proposition Infoair (lab. Aerospace Valley), Région M.-P., 2006

• Évaluation du coût de transport/maintenance de l’instrumentation

– MOA avec Air Namibia, MOU avec China Airlines

– Coûts de fonctionnement pour demandes ESFRI et FP7.

• Contacts pris avec de nombreuses compagnies aériennes, dans plusieurs continents, pour atteindre une couverture globale.

• Présentation IAGOS au symposium OACI sur l’environnement, Montréal mai 2007.

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IAGOS-DS3 : instrumentation

• Réalisation et tests d’un prototype O3, CO, DAS au CNRS/LA, 2006

• Faillite sous-contractant Sinters, appel d’offres pour réalisation et certification, 2006. Choix de Tharsys et Sogerma pour l’intégration/certification

• Modification des instrumentations NOy et NOx. 2006, certification 2007, en test sur avion LH.

• Tests de différents compteurs de gouttelettes, choix de CDP-100, puis BCP-100 de DMT

• Décision de STC-1 pour instrumentation O3, CO, H2O, CDP, DAS et prises d’air, STC-2 pour instrumentations complémentaires, 2006.

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Instrumentation IAGOS

• Package 1 : CO, O3, H2O, BCP, DAS

• Package 2a : NOy

• Package 2b : NOx

• Package 2c : Aérosols

• Package 2d : CO2, CH4

• RTTU

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IAGOS-DS4 : aérosol

• Mesure en continu :– CPC (compteur de particules de condensation)

• mode de nucléation (<15 nm),

• mode d’Aïtken (15-100 nm)

– OPC (compteur optique de particules, >100nm)

• Conception d’une prise d’air chauffée et d’un compteur optique de particules, – Séparation constituants volatils

– Tests fonction de transfert en cours

• Conception Package 2c

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IAGOS-DS5 : miniaturisation

• Conception d’un instrument O3 abs. UV avec Proffitt Instruments : évaluation labo + avion

• Conception d’un capteur H2O type SAW

• Test (avec DWD) d’un nouveau capteur H2O pour AMDAR : ne convient pas à IAGOS

• Décision de ne pas miniaturiser CDP pour en faire un indicateur de nuage.

• élimination du capteur Zirox pour la mesure de CO2. Décision de réaliser l’instrumentation 2d.

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IAGOS-DS6 : transmissions

• Étude de l’utilisation du système AMDAR pour le temps-réel. – sélection des données à réaliser en vol, – Préparation du message dans ACMS/DMU dont la

modification n’est pas souhaitée

• Utilisation d’un calculateur indépendant RTTU– Acquisition données Package 1– Sélection de données (points caractéristiques)– Interface avec système de radio-communication avion

• Appel d’offres en préparation pour tests d’interface

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Données transmises en temps réel

1. Aircraft identifier 2. Observation number 3. Phase of flight 4. Latitude 5. Longitude6. Date and time 7. Pressure altitude 8. Static air temperature 9. Water vapour mass mixing

ratio 10. Wind direction 11. Wind speed

12. O3 volume mixing ratio 13. CO volume mixing ratio 14. Liquid+solid water mass

mixing ratio 15. Cloud particle average size

16. NOy volume mixing ratio

17. NOx volume mixing ratio

18. Density of aerosols with D > 5 nm19. Density of aerosols with D > 14 nm20. Density of aerosols with 0.25 µm < D < 2.5 µm21. Non-volatile aerosol ratio

22. CO2 volume. mixing ratio

23. CH4 volume mixing ratio

P1

P2a

P2b

P2c

P2d

2 profils = 80 observations

1 observation = 16 à 19 paramètres

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Sélection de 40 niveaux caractéristiques communs à 6 paramètres (T, u, v, HR, rmv O3, CO), montée 30 mn

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InstrumentPackage 1

RTTU

DMU

ATSU

VHF Satcom

E-ADAS, envoi sur GTS

Seg

men

t-av

ion

satellite

1 2 3 Une seule des 3 connections est active

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1er prototype RTTU

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Diffusion Données IAGOS

• Transmission différée après atterrissage– Toutes données IAGOS + données de servitude– Par GPRS vers base de données Recherche– 10 Moctets/vol, délai de mise à disposition: 15j

• Transmission temps réel– Données sélectionnées pour prévision QA– Radio-communications avion + E-ADAS– 20 koctets par vol, délai < 2h

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Phase préparatoire IAGOS-ERI (2008-2012)

• Projet FP7-Infrastructures 1• Démarre en 09/2008, 4 ans, coord : FZJ• Objectifs :

– Poursuite de la coordination avec usagers, AMDAR, compagnies aériennes

– Mise en place de l’infrastructure : cadre légal, financement, place dans IGACO (OMM)

– Préparation des opérations : construction et certification RTTU, instrumentation aérosol, CO2 extension des certifications, maintenance.

– Développements techniques : instrumentation miniaturisée, Caribic, capteur H2O pour AMDAR.

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Objectifs Météo-France

• Bénéficier des observations IAGOS pour la recherche sur l’interaction entre chimie atmosphérique et changement climatique.

• Contribuer au programme GMES en participant à la collecte de données pour la prévision de la qualité de l’air.

• Participer à la gestion de l’infrastructure.• Organiser au mieux l’infrastructure pour un

fonctionnement opérationnel optimal.