Depuis la découverte d'une diminution de la quantité d'ozone stratosphérique au milieu des années 1980, une surveillance de la couche d'ozone et de l'éclairement UV s'est mise en place à l'aide d'instruments au sol et spatiaux. Les mesures de rayonnement UV permettent d'une part de surveiller l'intensité de ce rayonnement arrivant au sol, et d'autre part de caractériser certains composés atmosphériques comme la quantité d'ozone et les aérosols. L'essentiel de ce travail concerne l'analyse et l'utilisation des mesures d'éclairement UV spectral effectuées sur deux sites de mesures au sol, à Villeneuve d'Ascq (VdA) et à Briançon. Nous avons poursuivi la restitution de la colonne totale d'ozone, ce qui nous a permis de disposer d'une série temporelle de plusieurs années. Nous avons également déterminé deux paramètres aérosols, l'épaisseur optique (AOT) et l'albédo de diffusion simple; les comparaisons avec les mesures photométriques du réseau AERONET/PHOTONS se sont révélées très satisfaisantes. Les données obtenues à partir de septembre 2004 nous ont permis de participer dans le cadre d'un projet de l'ESA, à la validation de l'instrument spatial OMI, destiné à effectuer une surveillance globale de l'ozone et de l'UV. Ce travail a permis d'établir que les produits ozone d'OMI sont bien restitués, alors que les éclairements UV spectral et érythémateux sont à utiliser avec précaution. A VdA, les comparaisons entre les AOT-OMI et les AOT restituées au sol sont peu satisfaisantes. De meilleurs accords ont été obtenus sur les sites photométriques impliqués dans la campagne AMMA en Afrique de l'Ouest, cette région étant sous l'influence de contenus élevés en aérosols absorbants. / Since the discovery of the stratospheric ozone reduction in the middle of the 1980's, a monitoring of the ozone layer and UV irradiance was organized, using ground-based and satellite instruments. Measurements of UV radiation allow both to monitor the intensity of this radiation reaching the surface and to retrieve atmospheric compounds as content of ozone and aerosol characteristics. The main part of this work concerns the analysis and the use of UV spectral measurements performed at Villeneuve d'Ascq (VdA) and at Briançon. We continued the restitution of the total column of ozone that provides a multi-year record of this quantity. We determined two aerosol parameters, the aerosol optical thickness (AOT) and the single scattering albedo; comparisons with photometric measurements from the AERONET/PHOTONS network appeared very good. The data obtained from September 2004 enabled us to be involved within the framework of an ESA project in the validation of the OMI/AURA instrument, which is dedicated to a global monitoring of ozone and UV. We have established that the OMI ozone products are very well retrieved, whereas spectral and erythemal dose UV have to be used with caution. At VdA, the comparisons between OMI-AOT and those derived fram graund-based measurements are not satisfying. Better results were obtained at six sites located in WesternAfrica region during the AMMA campaign, this region being influenced by high loads of absorbing aerasols.

Cette thèse a pour objectif principal de fournir une analyse de distribution et de la variabilité des aérosols en Asie à partir des observations satellitaires de PARASOL au-dessus des continents. Nous avons d’abord comparé les épaisseurs optiques en aérosols (AOD pour aerosol optical depth) PARASOL à celles du mode fin (particules de rayon ≤ 0.30 µm) calculées à partir des inversions des mesures photométriques de 14 sites AERONET. La qualité des corrélations obtenues démontre la bonne sensibilité des restitutions de PARASOL à la plus fine fraction des aérosols, qui proviennent principalement de sources anthropiques. Nous avons analysé les caractéristiques des distributions en aérosols à partir de quatre années de données PARASOL (mars 2005 à février 2009). Notre étude a montré que la distribution spatiale des aérosols du mode fin en Asie était étroitement liée à celle des activités humaines. Nous avons également mis en évidence une forte variabilité saisonnière de l’AOD du mode fin qui diffère selon les zones géographiques. Enfin, nous avons analysé la variabilité interannuelle sur la période 2003-2009 en été au nord de la Chine, en particulier dans la région de Beijing, et dans le contexte des réductions d’émissions des jeux olympiques de l’été 2008. Nous avons montré que les AOD du mode fin sont relativement élevées au cours des étés 2003, 2007 et 2008. Les variations interannuelles des AOD moyennes mensuelles ont montré que la variabilité était maximale en juin et similaire à celle de juillet, à la différence de celle observée en août. Dans cette étude, les AOD mesurées par AERONET dans la région de Beijing en été sont utilisées comme références et également analysées. / This thesis is devoted to analyze aerosol distribution and variability over East Asia based on PARASOL aerosol products over land. We first compared PARASOL Aerosol Optical Depth (AOD) with fine mode AOD (particles radius ≤ 0.30 μm) computed from AERONET (Aerosol Robotic Network) inversions over 14 sites. The rather good correlation observed over land demonstrates the remarkable sensitivity of PARASOL retrievals to the smaller fraction of fine particles, mostly originating from anthropogenic sources. We analyzed the characteristics and seasonal variation of aerosol distribution over East Asia considering four years of PARASOL Level 2 data (March 2005 to February 2009). Our study shows that the spatial distribution of fine-mode aerosols over East Asia, as retrieved from PARASOL, is highly associated with human activities. Our work also evidenced a strong variability of seasonal fine-mode AOD patterns with geographical locations. Finally, the inter-annual variation during 2003-2009 periods of summer fine-mode AOD over North China, in particular the Beijing City region, was analyzed for the contribution to evaluating the regional impact of emission reduction enforced in Beijing during the 2008 Olympic Summer Games. We found that summer average of fine-mode AOD exhibited relatively higher values in 2003, 2007 and 2008. The inter-annual variation patterns of monthly averaged AOD (June to August) shows that June generally exhibits the strongest variation and varies similar to July, but differs from August. As reference, measured total AOD and fine mode AOD computed from AERONET inversions in summer are also discussed for the Beijing City region.

Les mesures satellitaires d'épaisseur optique en aérosols (AOT) conviennent à la surveillance globale journalière du contenu atmosphérique en particules. L'objectif de notre étude a été d'évaluer la capacité satellitaire à estimer la pollution en aérosols en termes de catégories de qualité de l'air. Ces dernières sont définies grâce aux mesures de concentration massique des particules de rayon aérodynamique inférieur à 2.5 µm au sol (PM2.5). Nous avons d'abord utilisé les mesures photométriques du réseau AERONET/PHOTONS pour caractériser les propriétés optiques et microphysiques des aérosols en Europe de l'Ouest et leur influence possible sur la relation entre PM2.5 et AOT. La comparaison des mesures d'AOT restituées par différents radiomètres satellitaires (principalement POLDER) aux mesures de PM2.5 au-dessus de la France a permis, non seulement de définir une relation statistique directe entre ces deux types de mesures mais aussi d'élaborer un seuil d'AOT satellitaire (égal à 0.17) au-dessus duquel la pollution peut être qualifiée de «Modérée» d'avril à octobre 2003, 2005 et 2006. Nous avons enfin estimé la masse en particules au sol à partir de la mesure d'AOT satellitaire et l'information de distribution verticale des particules, d'une part, simulée par le modèle de chimie-transport CHIMERE et d'autre part, mesurée par le LIDAR spatial CALIOP. Alors que le modèle CHIMERE n'améliore pas significativement la corrélation entre mesures d'AOT satellitaires et de PM2.5, l'utilisation des profils restitués par CALIOP montre l'importance de prendre en compte la distribution verticale des aérosols dans l'élaboration d'un produit satellitaire de qualité de l'air. / Satellite measurements of aerosol optical thickness (AOT) are weil suited for global daily monitoring of atmospheric particle load. The goal of this study is to evaluate the satellite's capability to monitor aerosol pollution in terms of air quality categories. Those last ones are defined using the particulate mass concentration concerning particles smaller than about 2.5 ,um in aerodynamic diameter (PM2.5). We have first used the photometric meàsurements provided by the AERONET/PHOTONS network to characterise the optical and microphysical properties of aerosols over Western Europe and their possible impact on the relationship between PM2.5 and AOT measurements. The comparison between AOT measurements derived from different satellite radiometers (mostly POLDER) and PM2.5 measurements over France has allowed us the definition of a statistical relationship between those two measurements. Thanks to this relationship, we have elaborated a threshold of satellite AOT measurements (0.17) over which pollution can be qualified as « Moderate» from April to October 2003,2005 and 2006. We have finally assessed particulate mass at the ground using satellite AOT measurements and vertical distribution of aerosols simulated by the CHIMERE chemistrytransport model on the one hand and on the other, measured by CALIOP spatial LIDAR. While the CHI MERE model has not improved significantly the correlation between satellite AOT and PM2.5 measurements, the use of profiles derived from CALIOP has shown the importance of taking into consideration the vertical distribution of aerosols in the elaboration of a satellite air quality product.

Les observations des différents capteurs de la mission A-Train fournissent une occasion sans précédent d'étudier les composants atmosphériques y compris les nuages. Dans cette étude, nous avons développé une analyse statistique afin de comparer le taux de couverture nuageuse, la phase thermodynamique et l'épaisseur optique des nuages restitués par deux capteurs passifs : POLDER (Polarization_and_Directionality_of_the_Earth_Reflectance) et MODIS (MODerate_Resolution_Imaging_Spectroradiometer). Les variations régionales et saisonnières du taux de couverture nuageuse des deux capteurs ainsi que les biais entre les deux instruments ont été étudiés. Ces biais sont principalement liés à la résolution spatiale, la présence d' aérosols, de cirrus et à certains types de surface. La phase thermodynamique des nuages a ensuite été analysée. Les produits dérivés par les deux capteurs passifs ont été comparés et étudiés en s'appuyant sur les structures verticales et les propriétés optiques des nuages obtenus par un autre capteur de l'A-Train le Lidar CALIOP (Cloud-aerosol_Lidar_with_Orthogonal_Polarization). Nous avons identifié et qualifié les biais présents dans l'ensemble des 3 jeux de données considérés. Parmi ces biais, l'impact des géométries d'observation, des cirrus fins, des aérosols, des surfaces enneigées, des nuages multicouches et fractionnés sont discutées. Les cas où la phase est retrouvée avec certitude sont selectionés pour étudier à l’échelle globale ou régionale la transition verticale eau liquide-glace et les variations de cette transition avec les régimes de formation et de développement des nuages, tout particulièrement la dynamique à grande échelle et la microphysique des nuages. Enfin l'épaisseur optique des nuages a été étudiée. Les effets de résolutions spatiales, de microphysiques et d'hétérogénéité des nuages ont été étudiés pour mieux comprendre des écarts importants entre les deux capteurs passifs. / The A-Train observations provide an unprecedented opportunity for synchronous monitoring of the entire atmosphere including clouds at the global scale. In this study we illustrate a statistical analysis and comparisons of cloud cover, thermodynamic phase and cloud optical thickness mainly derived from the coincident POLDER (Polarization_and_Directionality_of_the_Earth_Reflectance), and MODIS (MODerate_Resolution_Imaging Spectroradiometer) sensors in the A-Train constellation. We presented first the results of an extensive study of the regional and seasonal variations of cloud cover from POLDER and MODIS and discuss the possible factors leading to differences between them, among which are the spatial resolution, aerosols, cirrus and particular surfaces. Cloud top phase products were then compared and discussed in view of cloud vertical structure and optical properties derived simultaneously from collocated CALIOP (Cloud-Aerosol_Lidar_with_Orthogonal_Polarization, another A-Train member) observations, which allow to identify and qualify potential biases present in the 3 considered dataset. Among those, we discussed the impact of observed geometries, thin cirrus, aerosols, snow/ice surfaces, multilayer and fractional cloud cover on global statistics of cloud phase derived from POLDER and MODIS passive measurements. Based on these analyses we selected cloud retrievals of high confidence to study the global and regional vertical ice-water transition and the variations of this transition with cloud formation and development regimes, particularly the impact of large-scale dynamics and cloud microphysics.Cloud optical thicknesses were finally studied. The impacts of spatial resolution, cloud microphysics and heterogeneity are mainly discussed for the understanding of the significant biases on optical thickness from the two sensors.

Abstract : This is a study concerning comparisons between the Dubovik Aerosol optical depth (AOD) retrievals from AEROCAN (ARONET) stations and AOD estimates from simulations provided by a chemical transport model (GEOS-Chem : Goddard Earth Observing System Chemistry). The AOD products associated with the Dubovik product are divided into total, fine and coarse mode components. The retrieval period is from January 2009 to January 2013 for 5 Arctic stations (Barrow, Alaska; Resolute Bay, Nunavut; 0PAL and PEARL (Eureka), Nunavut; and Thule, Greenland). We also employed AOD retrievals from 10 other mid-latitude Canadian stations for comparisons with the Arctic stations. The results of our investigation were submitted to Atmosphere-Ocean. To briefly summarize those results, the model generally but not always tended to underestimate the (monthly) averaged AOD and its components. We found that the subdivision into fine and coarse mode components could provide unique signatures of particular events (Asian dust) and that the means of characterizing the statistics (log-normal frequency distributions versus normal distributions) was an attribute that was common to both the retrievals and the model. / Résumé : Cette étude compare des épaisseurs optiques d’aérosols (AOD) à 5 stations arctiques d’AEROCAN (AERONET), obtenues d’une part à l’aide de l’algorithme d'inversion de Dubovik appliqué à des mesures in situ, et d’autre part du modèle de transport chimique (GEOS-Chem : Goddard Earth Observing Système Chemistry). Les produits d’AOD associés à l’algorithme d’inversion sont divisés en composantes totales, fines et grossières. Pour chacune des 5 stations (Barrow, Alaska, Resolute Bay, au Nunavut, 0PAL et PEARL (Eureka), Nunavut, et Thulé, au Groenland), la période de récupération est de janvier 2009 à janvier 2013. Nous avons également utilisé les mesureurs d’AOD de dix autres stations canadiennes de latitudes moyennes, à des fins de comparaison. Les résultats de l’étude ont été soumis à la revue Atmosphere-Ocean. Pour résumer brièvement ces résultats, le modèle a généralement, mais pas toujours, eu tendance à sous-estimer l'AOD moyenne et de ses composantes. Nous avons constaté que la subdivision en composantes fine et grossière pourrait fournir des signatures uniques d'événements particuliers (poussière asiatique) et que les moyens de caractériser des statistiques (les distributions de fréquence log-normale versus les distributions normales) était un attribut qui était commun aux deux les mesureurs et le modèle.

En présence de diffusions multiples, les algorithmes de Monte-Carlo sont trop coûteux pour être employés dans les algorithmes de reconstruction d'images de géométries tridimensionnelles réalistes. Pour des trajectoires de premiers retours, l'approximation de diffusion est communément employée afin de représenter la statistique des chemins aux nombres de Knudsen tendant vers zéro. En formulant des problèmes équivalents sur des trajectoires de premiers passages, l'usage de l'approximation est étendue en un développement théorique. Cette nouvelle formulation assure un bon niveau de précision, sur une large plage de valeurs du nombre de Knudsen en ce qui concerne l'évaluation des moments de la distribution des longueurs des chemins de premier retour. La résolution numérique du modèle formulé est confrontée aux simulations numériques type Monte- Carlo sur des géométries mono-dimensionnelles et un cas tridimensionel ouvrant des perspectives vers une généralisation aux applications réelles. / For multiple scattering, Monte-Carlo algorithms are computationally too demanding for use in image reconstruction of 3D realistic geometries. In the study of first return path, the diffusion approximation is commonly used to represent their statistical behaviour when the Knudsen number tends to zero. With the formulation of equivalent problems for first passage path, the use of the approximation is extended in a theoretical development. The new model provides a good level of accuracy, for a wide distribution of Knudsen numbers when evaluating the moments distribution of the first return paths length. Numerical application of the model is confronted to Monte-Carlo simulations on one dimension geometries and a simple three-dimension case opening perspectives for the generalization to practical applications.

L'aérosol atmosphérique est un composant essentiel dans la machine climatique, il contribue d'une façon significative à l'extinction du rayonnement au sein de l'atmosphère par les processus d'absorption et de diffusion. Ces processus peuvent être quantifiés sous le terme de forçage radiatif direct; la détermination de ce forçage reste incertaine à l'heure actuelle aux niveaux régional et global. Ce travail contribue en partie à l'estimation de ceforçage à l'échelle régionale, cette quantification est faite avec une méthode basée sur desmesures de l'irradiance solaire à l'aide du pyranomètre (spectre du rayonnement), et aussi par le photomètre solaire en terme d'épaisseur optique (mesures pour des longueurs d'ondes<br />précises). Toutes ces mesures sont effectuées au campus universitaire de la faculté des sciences d'Oujda (34°41' N ; 1°53' W ; 580 m d'altitude).<br />L'aérosol atmosphérique contribue à un refroidissement de la surface de l'ordre de -10 W/m² en moyenne annuelle, avec des variations très importantes. Le forçage peut atteindre des valeurs extrêmement élevées pour les jours chargés de poussière (-80 W/m² ).<br />L'aérosol du mode accumulation est le principal responsable du forçage radiatif avec une faible contribution des grosses particules.<br />La vapeur d'eau est une composante principale dans la formation des nuages et des précipitations. La détermination de la Quantité de Vapeur d'Eau Précipitable (QVEP) reste un objectif très important, la connaissance de sa distribution spatiale et temporelle est essentielle dans la correction des mesures de télédétection à cause de sa contribution importante dans les perturbations du signal mesuré par les instruments de télédétection. Les mesures de la transmittance solaire dans les bandes infrarouges de forte absorption de la vapeur d'eau permettent la détermination de cette QVEP.<br />La quantité de vapeur d'eau dans la région d'Oujda dépend des saisons, les valeurs élevées de l'ordre de 2.5 g/cm² sont enregistrées durant l'été et le printemps et les faibles valeurs autour de 0.3 g/cm² en automne et en hiver. Ces variations dépendent de la température et de l'eau de surface.

Aerosols are small, micrometer-sized particles, whose optical effects coupled with their impact on cloud properties is a source of large uncertainty in climate models. While their radiative forcing impact is largely of a cooling nature, there can be significant variations in the degree of their impact, depending on the size and the nature of the aerosols. The radiative and optical impact of aerosols are, first and foremost, dependent on their concentration or number density (an extensive parameter) and secondly on the size and nature of the aerosols (intensive, per particle, parameters). We employed passive (sunphotmetry) and active (backscatter lidar) measurements to retrieve extensive optical signals (aerosol optical depth or AOD and backscatter coefficient respectively) and semi-intensive optical signals (fine and coarse mode OD and fine and coarse mode backscatter coefficient respectively) and compared the optical coherency of these retrievals over a variety of aerosol and thin cloud events (pollution, dust, volcanic, smoke, thin cloud dominated). The retrievals were performed using an existing spectral deconvolution method applied to the sunphotometry data (SDA) and a new retrieval technique for the lidar based on a colour ratio thresholding technique. The validation of the lidar retrieval was accomplished by comparing the vertical integrations of the fine mode, coarse mode and total backscatter coefficients of the lidar with their sunphotometry analogues where lidar ratios (the intensive parameter required to transform backscatter coefficients into extinction coefficients) were (a) computed independently using the SDA retrievals for fine mode aerosols or prescribed for coarse mode aerosols and clouds or (b) computed by forcing the computed (fine, coarse and total) lidar ODs to be equal to their analog sunphotometry ODs. Comparisons between cases (a) and (b) as well as the semi-qualitative verification of the derived fine and coarse mode vertical profiles with the expected backscatter coefficient behavior of fine and coarse mode aerosols yielded satisfactory agreement (notably that the fine, coarse and total OD errors were <~ sunphotometry instrument errors). Comparisons between cases (a) and (b) also showed a degree of optical coherency between the fine mode lidar ratios.