Longwave radiative effect of ozone from IASI observations

(English)Ozone is one of the most important greenhouse gases in terms of radiative forcing, as aresult of increasing in its precursor emissions since pre-industrial times. Until recently,the ozone radiative forcing calculations were entirely model based, exhibiting high uncertaintiesand a large spread in model values, as shown in the Intergovernmental Panelon Climate Change, Assessment Report 5. Satellite sounders operating in the infrarednow offer the possibility to infer directly the longwave radiative effect (LWRE) of ozone.The hyperspectral measurements allow to retrieve a vertical profile of ozone, and also thevertical distribution of the LWRE, apart from its column integrated value. The separationbetween troposphere and stratosphere allows to better constrain model estimates ofozone radiative forcing, but also support the predictions for its future evolution.In this thesis, a new method for calculating the ozone LWRE is presented, by exploitingthe measurements of the Infrared Atmospheric Sounding Interferometer on board theMetop satellites. The method is based on the calculation of the Instantaneous RadiativeKernel (IRK), which implies the angular integration of the radiance (inthe 9.6 μm band) at the top of the atmosphere using a Gaussian Quadrature. This quantityis transformed into a radiative flux density (the LWRE) by multiplicationwith the ozone profile retrieved by FORLI, for each atmospheric scene. The LWRE calculationmethod is applied to IASI non-cloudy scenes, for day and night, for the periodof 01/10/2007 to 31/12/2016. The results are analyzed separately for the total column ofozone, and for its tropospheric and stratospheric components; they are compared to estimationsdetermined independently from the TES (Tropospheric Emission Spectrometer)measurements on-board Aura, and from three state-of the-art chemistry-climate models.The discussion of the results is focused then on the spatial and temporal variability ofthe LWRE in the troposphere and stratosphere, as well as the on the trends over 9 yearsof measurements.(French)L’ozone est actuellement l’un des gaz à effet de serre les plus importants en terme de forçage radiatif ;sa contribution est liée à l’augmentation des émissions de ses précurseurs depuis l’époque préindustrielle. Jusqu’à récemment, le calcul du forçage radiatif de l’ozone était entièrement basé sur des modèles et était sujet à de grandes incertitudes, qui se révèlent notamment par la large gamme des valeurs calculées et intégrées dans le Cinquième Rapport d’Évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC). Les sondeurs embarqués sur des satellites et travaillant dans le domaine de l’infrarouge thermique donnent aujourd’hui la possibilité de directement mesurer l’effet radiatif de l’ozone au niveau de la radiation infrarouge sortante. La possibilité qu’offrent les mesures hyperspectrales pour restituer un profil vertical d’ozone permet par ailleurs de fournir la distribution verticale du forçage radiatif, au-delà se valeur intégrée sur la colonne atmosphérique. La séparation entre la troposphère et la stratosphère est importante en particulier pour contraindre les estimations des modèles mais aussi pour prédire l’évolution future du forçage radiatif. Dans cette thèse, nous présentons une méthode de calcul de l’effet radiatif de l’ozone qui exploite les mesures de l’Interféromètre Atmosphérique de Sondage dans l’Infrarouge (IASI) à bord des satellites Metop en orbite polaire. La méthode se base sur le calcul, pour chaque mesure de IASI, d’une grandeur appelée Instantaneous Radiative Kernel (IRK), impliquant l’intégration angulaire de la radiance (dans la bande d’absorption d’ozone centrée à 9.6µm) au sommet de l’atmosphère via une quadrature de Gauss. Cette quantité est transformée en une densité de flux radiatif (appelée Longwave Radiative Effect, LWRE) par multiplication par le profil d’ozone restitué par le logiciel FORLI, pour la scène atmosphérique en question. La méthode du calcul du LWRE est appliquée aux scènes non nuageuses de IASI, de jour comme de nuit, pour la période du 01/10/2007 au 31/12/2016. Les résultats sont analysés séparément pour la colonne totale d’ozone mais également pour ses composantes troposphériques et stratosphériques ;ils sont comparés aux estimations déterminées de façon indépendantes des mesures de l’instrument TES (Tropospheric Emission Spectrometer) sur AURA. La discussion de nos résultats se focalise ensuite sur la variabilité spatiale et temporelle du LWRE dans la troposphère et la stratosphère ;des résultats préliminaires concernant les tendances sur les 9 années de mesures sont fournis. Le manuscrit est structuré en différentes parties. Après une série de chapitres introductifs décrivant les bases nécessaires à ce travail, nous présentons l’instrument IASI et l’algorithme FORLI dédié à la restitution des concentrations d’ozone. La méthode de calcul du LWRE, au centre de notre travail de recherche, est décrite avec ses fondements mathématiques dans un chapitre dédié. Les distributions spatiales et verticales du LWRE, ainsi que son évolution temporelle sur 9 ans, d’une part pour l’effet radiatif de l’ozone total et d’autre part pour sa contribution troposphérique/stratosphérique sont discutées dans les derniers chapitres, qui incluent également une brève comparaison des estimations du LWRE par trois modèles de chimie-climat différents.Doctorat en Sciences