CE01 - Terre fluide et solide

Suivi des émissions de polluants et de gaz à effet de serre à haute résolution depuis l'espace – ARGONAUT

ARGONAUT : Surveillance des émissions de polluants et gaz à effet de serre depuis l’espace à haute résolution

L’industrialisation et l’urbanisation de la société ont conduit à la dégradation de la qualité de l’air (QA) entrainant plus de 7 millions de morts prématurées par an et à l’avènement du Changement Climatique (CC). La société est confrontée à des défis environnementaux majeurs avec le besoin de développer des politiques environnementales coordonnées au niveau des territoires aussi bien que des nations pour limiter l’impact des émissions de polluants et gaz à effet de serre sur la QA et le CC.

Estimations des émissions anthropiques françaises à haute résolution pour les principaux polluants (NOx, CO, NMVOCs) et le dioxyde de carbone (CO2) par inversion atmosphérique et imagerie satellite

Des stratégies coordonnées de surveillance et de mitigation de l'échelle des territoires à l'échelle du pays sont nécessaires pour réduire les émissions de polluants à des niveaux non impactant pour la santé humaine et les écosystèmes et réduire les émissions de GES pour limiter les effets du CC. Il est alors nécessaire de surveiller les émissions à haute résolution. Le projet ARGONAUT repose l'inversion atmosphérique pour fournir une nouvelle estimation des émissions anthropiques des principaux polluants (NOx, CO et COVNM) et du CO2 en France à une résolution de 10 km en utilisant la co-assimilation d'images de plusieurs polluants issues de la dernière génération de satellites imageurs (Sentinel-5P et CO2M). Des développements méthodologiques pointus sur l'inversion des sources d'émission fourniront une base solide pour évaluer l'intérêt d'inventaires d'émissions optimisés contraints par l'assimilation d'images satellitaires dans des produits opérationnels aval (prévisions QA ou exposition, suivi des émissions locales de CO2) et pour fournir des recommandations pour une mise en œuvre future d'un système national opérationnel d'inversion des émissions conjointes QA et CO2 alimenté par des informations satellitaires en plus des réseaux de mesure nationaux et locaux, complémentaires de l'initiative européenne Copernicus et capables de répondre aux spécificités nationales. Les principaux objectifs d'ARGONAUT sont : <br />• démontrer le potentiel du suivi conjoint des émissions QA et CO2 et renforcer la cohérence entre les produits QA et CO2. <br />• évaluer le potentiel de la future mission CO2M à déduire les émissions anthropiques. <br />• démontrer le potentiel de l'inversion de résolution à l'échelle ville/usine des émissions anthropiques à partir d'images satellitaires comme un zoom ou une application aval de l'inversion à l'échelle nationale, ce qui nécessite l'amélioration des techniques actuelles de modélisation inverse.

La méthodologie pour répondre aux objectifs du projet ARGONAUT est basée sur l'inversion atmosphérique et la dernière génération d'imageurs satellites pour déterminer les émissions de polluants et de CO2 à des échelles politiquement pertinentes pour la France à haute résolution. Des inventaires corrigés des émissions de NO2, CO, COVNM et CO2 seront calculés à 10x10 km2 sur la France avec une résolution temporelle mensuelle ou mieux couvrant les deux premières années de fonctionnement de TROPOMI ou des périodes spécifiques telles que la pandémie actuelle. En outre, le potentiel de la future mission CO2M et de ses données sur le CO2 et le NO2 pour déduire les émissions anthropiques de CO2 et de polluants sera évalué sur la base d'expériences de simulation de système d'observation (OSSE). Le principal défi sera de développer des assimilations conjointes de polluants pertinents et/ou de CO2, qui incluent des images haute résolution d'espèces co-observées pour augmenter les capacités d'inversion de séparation des sources anthropiques entre elles et des flux naturels. Des inversions conjointes performantes nécessiteront une représentation correcte des statistiques d'erreur et des corrélations d'émission entre les espèces dans le système d'inversion. Une attention particulière sera portée pour avoir la meilleure estimation des incertitudes sur les émissions a priori pour chaque espèce, des corrélations des incertitudes sur les émissions, le transport, la chimie et entre les espèces co-émises, et des erreurs de modèle et d'observation prenant en compte notamment leurs corrélations spatiales.
En complément, ARGONAUT abordera la question des inversions à l'échelle ville/usine. Le principal défi pour atteindre de telles échelles sera d'adapter l'approche d'inversion pour prendre en compte l'erreur de transport, qui ne peut être résumée àun bruit statistique à de telles échelles.

Le nouveau système d’inversion CIF (Community Inversion Framework) a été couplé à CHIMERE et adapté pour le traitement des gaz réactifs. Sa sensibilité aux paramètres d’inversion a été évaluée et le système a été testé à grande échelle pour l’inversion des NOx sur le domaine européen à partir des observations NO2 de OMI.
Des travaux préparatoires d'exploration des données TROPOMI ont été menés. Nous avons essentiellement analysé les données de NO2 en 2020, avec, en particulier une étude de l’impact du confinement sur ces données et leur comparaison aux observations de surface en France. Des tests d’inversion des émissions de NOx à partir des images de NO2 sont en cours avec une méthode d’inversion et vecteur d’observation classique mais la qualité du produit TROPOMI actuellement disponible ne semble pas toujours suffisante. Une analyse systématique des images NO2 et CO de TROPOMI (de janvier à avril 2020) et des simulations CHIMERE correspondantes a mis en lumière une discordance assez fréquente entre la position et l’orientation des panaches de NO2 observés et simulés et une qualité des données de CO insuffisante pour bien identifier les panaches de ce polluant. Des approches de clustering des concentrations sont en cours d’exploration pour améliorer le filtrage de l’information et la comparaison modèle/observation. Cette approche devrait conduire à la construction d’un vecteur d’observation plus adapté pour l’inversion.
Concernant la détection et l'inversion des émissions des panaches de villes ou de grands sites industriels, de nouvelles métriques pour la comparaison d’images de panaches de polluants ont commencé à être testées sur des « toys models ». La poursuite de ces travaux passe par la construction d’une base d’images réalistes de panaches, l’évaluation des nouvelles métriques sur cette base, leur implémentation dans le système d’inversion du projet et des tests sur des images réelles de TROPOMI.

La Commission européenne investit fortement sur le développement de services opérationnels avec une composante satellitaire importante à travers le programme Copernicus. En parallèle, la communauté française doit également développer son propre système à l'échelle nationale alimenté par des informations satellitaires en complément des réseaux de mesure nationaux et locaux, et prenant en compte certaines des spécificités des émissions nationales. Le projet ARGONAUT avec le développement d’approches méthodologiques avancées sur l'inversion des sources d'émissions servira de base à la quantification de la valeur ajoutée des approches d'inversion atmosphérique pour fournir des inventaires d'émissions corrigés pour les produits opérationnels aval tels que les prévisions AQ et le suivi des émissions de CO2 locales. ARGONAUT contribuera ainsi (i) à définir les composantes élémentaires d'un potentiel futur système opérationnel national et/ou services aval associés, et (ii) à consolider la visibilité et le positionnement de la communauté scientifique française de la modélisation inverse en tant qu'acteurs clés des services opérationnels européens.

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L’industrialisation et l’urbanisation de la société ont conduit à la dégradation de la qualité de l’air (QA) entrainant plus de 7 millions de morts prématurées annuellement et à l’avènement du Changement Climatique (CC) avec les cinq années les plus chaudes mesurées depuis 2010. La société est confrontée à des défis environnementaux majeurs avec le besoin de développer des politiques environnementales coordonnées au niveau des territoires aussi bien que des nations pour limiter l’impact des émissions de polluants et Gaz à Effet de Serre sur la QA et le CC. L’objectif principal d’ARGONAUT est de fournir des estimations des émissions anthropiques françaises à haute résolution pour les principaux polluants (oxydes d’azote - NOx, monoxyde de carbone - CO et composés organiques volatils non méthaniques - NMVOCs) et le dioxide de carbone (CO2) en s’appuyant sur l’inversion atmosphérique et la nouvelle génération de satellites d'observation de la composition atmosphérique (Sentinel-5P/TROPOMI, CO2M). Nous exploiterons l’imagerie haute résolution multi-espèces et la co-assimilation d’espèces pour mieux estimer les émissions de ces espèces. L’observation simultanée des polluants comme le dioxyde d’azote (NO2) et le CO, mesurés depuis longtemps depuis l’espace avec une bonne précision, va apporter une contrainte supplémentaire pour l’inversion des émissions de certaines espèces co-émises comme le CO2 ou les NMVOCs, plus difficiles à mesurer à une précision utile. Pour réaliser des inversions atmosphériques performantes, l’imagerie à haute résolution est essentielle, notamment pour exploiter les corrélations locales entre les sources, séparer celles-ci, et quantifier la contribution anthropique et l’évolution de leurs émissions. Progresser sur la question de la co-assimilation des polluants et du CO2 devrait aider à améliorer les inventaires d’émissions aussi bien pour les polluants que pour le CO2 et accroitre la cohérence des réponses QA/CC aux échelles nationales et sous-nationales. Avec la disponibilité récente d'images de TROPOMI co-localisées de NO2, de CO et de formaldéhyde (HCHO), et à l'avenir de CO2 et de NO2 provenant de CO2M, l’implémentation de telles approches inverses devient possible. ARGONAUT développera un système d’inversion atmosphérique adapté à l'exploitation de cette imagerie à haute résolution. Un objectif parallèle du projet est de démontrer le potentiel des approches inverses à l’échelle locale des villes ou de grands sites industriels. Cela pose des défis supplémentaires, car les systèmes de modélisation et d’inversion doivent être capables de résoudre les panaches atmosphériques associés malgré une incertitude importante des produits d'analyse météorologique à cette échelle locale. Les techniques traditionnelles d'inversion atmosphérique, qui supposent que les erreurs de modélisation du transport peuvent être caractérisées par un bruit statistique sans corrélation temporelle ou spatiale, ne sont pas adaptées. Pour résoudre ce problème et aller vers des inversions d’émissions plus réalistes, le projet ARGONAUT propose de développer de nouveaux indicateurs statistiques basés sur des métriques non-localisées. Enfin, le projet vise à identifier la valeur ajoutée des approches d'inversion atmosphérique basée sur l'assimilation d'images satellites et des inventaires d’émissions résultants pour les services opérationnels tels que la prévision et l’évaluation de l’exposition aux polluants ou la surveillance des émissions locales de CO2. Le projet ARGONAUT contribuera à (i) définir les briques élémentaires d'un futur système opérationnel national et des services associés, et (ii) à renforcer la visibilité et la position de la communauté scientifique française de modélisation inverse en tant qu'acteurs clés des services opérationnels européens utilisant l’imagerie satellitaire.

Coordinateur du projet

Madame Gaëlle Dufour (Laboratoire inter-universitaire des systèmes atmosphèriques)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CEREA Centre d'Enseignement et de Recherche en Environnement Atmosphérique
INERIS INERIS
LSCE Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement
LISA Laboratoire inter-universitaire des systèmes atmosphèriques

Aide de l'ANR 601 596 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 48 Mois

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