L'objectif de cette thèse porte sur la définition d'un capteur géostationnaire infrarouge pour l'observation de la composition chimique de la basse troposphère et l'évaluation de la valeur ajoutée de cet instrument afin de caractériser la variabilité de la moyenne et basse troposphère des principaux polluants et d'améliorer l'observation et les prévisions de la qualité de l'air. Nous nous sommes intéressés à deux polluants importants: l'ozone troposphérique en raison de son impact sur la santé humaine, les écosystèmes et le climat, et le monoxyde de carbone (CO) qui est un traceur de pollution nous renseignant sur les sources d'émissions et les processus de transport.
Dans un premier temps, une évaluation d'un schéma linéaire pour la chimie du CO a été effectuée sur une période d'un an et demi en comparaison avec un schéma chimique détaillé (RACMOBUS) et différents types d'observations troposphériques et stratosphériques (satellitaires, aéroportées). L'intérêt principal de ce schéma est son faible coût en temps de calcul qui permet une assimilation sur de longues périodes de jeux de données de CO. L'assimilation de données MOPITT (Measurements Of Pollution In The Troposphere) dans ce schéma a d'ailleurs permis d'évaluer la valeur ajoutée de données d'observations infrarouges à l'échelle globale.
Ensuite, les caractéristiques optimales du capteur géostationnaire infrarouge ont été définies en réalisant des études d'inversion de spectres atmosphériques pour sonder l'ozone et le CO pour la qualité de l'air, le but étant d'avoir un capteur techniquement et économiquement faisable, capable de sonder la basse troposphère. Le contenu en information de cet instrument a été comparé, en période estivale, à l'information apportée par un autre instrument infrarouge géostationnaire similaire à MTG-IRS (Meteosat Third Generation - Infrared Sounder), optimisé pour la mesure de la vapeur d'eau et de la température mais capable d'avoir une information sur la composition chimique de l'atmosphère.
Enfin dans une dernière partie, la valeur ajoutée de ces deux instruments dans le modèle de qualité de l'air MOCAGE, a été quantifiée en utilisant des expériences de simulation de système d'observations sur une période de deux mois d'été (juillet - août 2009). La capacité de ces deux instruments à corriger différentes sources d'erreurs (les forçages atmosphériques, les émissions, l'état initial et les trois paramètres réunis) qui affectent les prévisions et simulations de qualité de l'air, a été quantifiées.
Au final, l'instrument que nous avons défini s'avère effectivement capable d'apporter une contrainte efficace sur les champs d'ozone et de CO dans la moyenne et basse troposphère.The objective of this thesis is to define a geostationary infrared sensor to observe the atmospheric composition of the lowermost troposphere. We evaluate the potential added value of such an instrument at characterizing the variability of the main pollutants and improving air quality observations and forecasts. We focus on two air quality key pollutants: tropospheric ozone, because of its impact on human health, ecosystems and climate; carbon monoxide (CO), which is a tracer of pollutants emissions.
Firstly, an evaluation of a linear scheme for the CO chemistry during one year and a half has been performed in comparison with a detailed chemical scheme (RACMOBUS) and different tropospheric and stratospheric observations (satellite and aircraft data). The advantage of such a scheme is its low computational cost which allows data assimilation of CO during long periods. Assimilation of CO data from the Measurements Of Pollution In The Troposphere (MOPITT) instrument allows us to evaluate the information brought by such infrared observations at the global scale.
Secondly, the optimal configuration of a new infrared geostationary sensor has been defined using retrieval studies of atmospheric spectra with the objectives to contribute to the monitoring of ozone and CO for air quality purposes; our constraint also set the ground for a sensor with technically feasible and affordable characteristics. For reference, the information content of this instrument has been compared during summer to the information content from another infrared geostationary instrument similar to MTG-IRS (Meteosat Third Generation - Infrared Sounder), optimized to monitor water vapour and temperature but with monitoring atmospheric composition as Lastly, the potential added value of both instruments for air quality prognoses has been compared using observing system simulation experiments (OSSEs) over two summer months (July - August 2009). The skill of the two instruments to correct different error sources (atmospheric forcing, emission, initial state and the three conditions together) affecting air quality simulations and forecasts, has been characterised.
In the end, it is concluded that the instrument configuration proposed is effectively able to bring a constraint on ozone and CO fields in the mid-to-low troposphere
