Analyse multi-instrumentale de l'influence de la variabilité de la hauteur de couche limite sur la distribution verticale des oxydes d'azote en région parisienne

Multi-instrumental analysis of the influence of boundary layer depth variability on the vertical distribution of nitrogen oxides in Paris region

• Auteur / Autrice : Elsa Dieudonné
• Direction : François Ravetta, Jacques Pelon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie de l'atmosphère
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télédétection

Oxydes d'azote

Air confiné -- Pollution

Résumé

Les activités humaines et les sources de pollution se concentrent dans les villes, leur donnant un rôle majeur en matière de qualité de l'air et de changement climatique. Quantifier l'impact des émissions urbaines aux échelles régionale à globale nécessite de caractériser l'export des polluants anthropiques urbains. Pendant cette thèse, nous avons étudié la distribution des oxydes d'azote (NOx) en région parisienne, en particulier l'influence de la variabilité de l'épaisseur de la couche limite (CL) sur leur distribution verticale. Pour ce faire, nous avons analysé et comparé les mesures d'instruments déployés au sol et dans l'espace : mesures in-situ de NO2 du réseau AIRPARIF, colonnes intégrées de NO2 du spectromètre UV-visible SAOZ de la station Qualair et des instruments spatiaux SCIAMACHY et GOME, hauteur de CL du microlidar rétrodiffusion de Qualair. La construction de cette base de données a nécessité de nombreux développements algorithmiques, pour déterminer la hauteur de CL à partir des observations lidar ou filtrer les observations du SAOZ en présence de nuages. L'étude combinée de la variabilité de la hauteur de CL et de la distribution des NOx a permis de préciser le lien entre concentration au sol et contenu intégré et a souligné l'intérêt d'une mesure intégrée depuis le sol en centre ville pour estimer les émissions de NOx. Par ailleurs, ce travail a mis en évidence l'existence de forts gradients verticaux de NO2 dans la CL urbaine, l'hypothèse d'un profil vertical uniforme souvent utilisé lors des inversions satellite n'étant pas pertinente. À partir des observations disponibles, nous avons enfin établi, analysé et discuté des conditions de validité d'une relation empirique entre le contenu intégré de NO2 dans la couche limite et sa concentration de surface.

Human activities and sources of pollution are concentrated in cities, giving them a major role in air quality and climate change. Quantifying the impact of urban emissions at the regional to global scale requires the characterization of anthropogenic urban pollutants export. During this PhD, we studied the distribution of nitrogen oxides (NOx) in Paris region, with a focus on the influence of boundary layer (BL) depth variability on their vertical distribution. To do this, we analyzed and compared measurements from ground-based and space-borne instruments: in-situ NO2 measurements from the AIRPARIF network, NO2 integrated content from the Qualair station UV-visible spectrometer SAOZ and from the space-borne instruments SCIAMACHY and GOME-2, BL depth from the Qualair backscatter microlidar. Building-up this database required numerous algorithmic developments regarding the determination of BL depth from the lidar observations or the filtration of SAOZ observations in presence of clouds. The combined study of BL depth and NOx distribution variability allowed us to clarify the relationship between ground-level concentration and integrated content, and showed the interest of ground-based and downtown integrated content measurements to estimate the urban emissions of NOx. Furthermore, this work underlined the strong vertical gradients existing in the urban BL, showing that the uniform vertical profile hypothesis often used in satellite inversions is irrelevant. Finally, we used the available observations to establish, analyze and discuss the conditions of validity of an empirical relationship linking the integrated content of NO2 in the BL to its surface concentration.