L'ozone troposphérique (O3) est un gaz à effet de serre et un polluant atmosphérique majeur. Il est la source principale du radical hydroxyle OH, l'oxydant le plus important dans l'atmosphère, fortement réactif avec les composés organiques et inorganiques. Les concentrations globales d'ozone troposphérique ont augmenté considérablement depuis l'époque pré-industrielle en raison de l'accumulation des émissions anthropiques de précurseurs d'ozone. Mon travail de thèse consiste à étudier la variabilité spatiale et temporelle de l'ozone troposphérique aux échelles globale et régionale telle qu'elle est mesurée par le sondeur IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer). Deux instruments IASI ont été lancés à bord des satellites MetOp-A et MetOp-B en 2006 et 2012.La première partie de mon travail consiste en l'étude des mesures O3/IASI: sa sensibilité dans la troposphère, sa variabilité saisonnière et ses modes de transport. Le deuxième volet de mon travail de thèse repose sur des études ciblées. Celles-ci comprennent une première étude sur l'ozone, urbain et rural, et sa relation complexe avec le dioxide d'azote (NO2) mesuré depuis l'espace par GOME-2 (Global Ozone Monitoring Experiment) au-dessus de différentes villes de l'hémisphère nord. Une deuxième étude s'attache à expliquer la source des pics d'ozone observés en région méditerranéenne en été, en utilisant IASI et le modèle de chimie-transport WRF-Chem (Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry). Enfin, en utilisant ces deux jeux de données, je présente en troisième étude l'analyse de la mousson d'été en Asie de l'Est ainsi que son effet sur l'ozone troposphérique. / Tropospheric ozone (O3) is an important greenhouse gas and air pollutant. It is the primary source of the most important oxidant in the atmosphere, the hydroxyl radical OH, that is highly reactive with organic and inorganic compounds. Global tropospheric O3 concentrations have been rising considerably since pre-industrial times as a result of the increase in the anthropogenic emissions of O3 precursors. In this thesis, I will study the temporal and spatial variability of tropospheric O3 on a global and regional scale as measured by IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer). The IASI instruments have been launched on-board the MetOp-A and MetOp-B satellites in 2006 and 2012.I first discuss the IASI/O3 measurements, their sensitivity in the troposphere and their seasonal variation and transport processes. I then perform more detailed and focused studies. Those include studying the urban and rural O3 and its relationship with nitrogen dioxyde (NO2) measured from GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) over different cities in the Northern Hemisphere; investigating the summertime tropospheric O3 maxima over the Mediterranean region using IASI and the WRF-Chem (Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry) data; and finally, using both satellite and model data, I present my analysis of the East Asian monsoon variability and its effect on the tropospheric O3 column.

La génération actuelle des sondeurs infrarouges avancés constitue l’une des sources les plus importantes d’observation dans les systèmes d’assimilation de données dans les modèles de la Prévision Numérique du Temps (PNT). Cependant la richesse d’informations fournies par ce type de capteur avec son grand nombre de canaux et sa couverture globale est loin d’être complètement exploitée. La présence de nuages dans le champ de vision de l’instrument, qui affecte la majorité des observations, est l’une des raisons pour lesquelles les centres de PNT rejettent une grande quantité des observations des sondeurs. Les centres de PNT ont cependant commencé à assimiler au-dessus des océans les radiances affectées par les nuages en utilisant des canaux dont les effets radiatifs nuageux sont modélisés par un modèle de nuage simple. Certains de ces algorithmes de détection sont évalués dans ce manuscrit, et leurs limitations sont explicitées. Afin d’accroître la quantité de données assimilées, il est nécessaire de mieux représenter les nuages et leurs effets radiatifs. Depuis quelques années, des études ont été menées pour mieux représenter leurs effets dans les modèles de transfert radiatif ([Faijan et al., 2012] ; [Martinet et al., 2013]) ; et utiliser dans l’assimilation de nouveaux canaux infrarouges informatifs sur les hydrométéores nuageux. ([Martinet et al., 2014]). Cette thèse se concentre principalement sur ces méthodes de détection de scènes homogènes en consacrant sa majeur partie à l’établissement, l’évaluation et l’amélioration d’algorithme de détection de scènes homogènes en se basant sur la colocalistion d’observation avec d’autres sondeurs. Ces études sont rendus possibles par la prise en compte des champs d’hydrométéores fournis par les schémas convectifs du modèle ARPEGE en entrée du modèle de transfert radiatif nuageux RTTOV-CLD. Une partie validation des simulations est opérée dans cette thèse, en comparant l’apport les forces et faiblesses du schéma convectif en opérationnel ainsi que PCMT. Par la suite, différents tests, ou critères, de détection sont proposés, et en réalisant des expériences d’assimilation et en évaluant l’impact de ces ces critères de sélection proposés sur la qualité des prévisions à longues échéances, un des tests parmi ceux proposés se démarque des autres en conservant une quantité importante d’observation ciel clair et démontre des impacts neutres à légèrement positifs sur les prévisions. Les nouvelles méthodes de sélection de scènes homogènes proposées dans cette études permettent d’envisager une amélioration significative du contrôle de qualité des observation IASI en ciel clair. Cela ouvre ainsi donc la voie à une utilisation, plus maîtrisée, des scènes nuageuses. Nous expliquons dans ce manuscrit pourquoi il serait imprudent de précéder à des assimilation de radiances infrarouge contaminées par la présence de nuages. Pour contourner cette difficulté, une technique d’assimilation en deux étapes déjà utilisé pour l’assimilation des réflectivité radar ([Wattrelot et al., 2014]) dans AROME est évaluée. Cette méthode basée sur l’inversion bayésienne a récemment été adaptée pour les observations microondes satellitaire ([Duruisseau et al., 2018]). Dans cette étude, nous explorons cette technique pour les observations IASI. Plusieurs tests de sensibilité sont effectués sur les différents paramètres de l’algorithme, avec pour objectif de préparer de futurs travaux sur l’assimilation all-sky infrarouges, explicités dans les perspectives de ce manuscrit.

Le sondeur infrarouge hyperspectral IASI (Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge, développé conjointement par le CNES et EUMETSAT et embarqué à bord des satellites défilants Metop A, Metop B et très prochainement Metop C (2006, 2012 et 2018, respectivement)) apporte une très grande quantité d’informations permettant, entre autres, de décrire finement les paramètres de surface (température et émissivité sur une large gamme de longueurs d’onde). Néanmoins, les prévisions de température des surfaces continentales ne sont pas encore suffisamment réalistes pour utiliser l’information infrarouge en basse troposphère et proche de la surface au-dessus des continents car les radiances sensibles à ces régions sont fortement affectées par la variation des paramètres de surface (tels que la température, l’émissivité et l’humidité) et par la présence des nuages. Ceci peut conduire à un écart parfois important entre les observations et les simulations, conduisant à un rejet important des observations et à une mauvaise détection nuageuse. De ce fait, l’objectif principal de la thèse est l’amélioration des analyses et des prévisions par l’augmentation des observations IASI assimilées sur les continents dans le modèle à aire limitée AROME. La première partie du travail s’est focalisée sur l’identification du canal IASI le plus approprié à la restitution de la tempèrature de surface (Ts). En poursuivant les travaux de thèse de [Vincensini, 2013], cinq canaux IASI localisés entre 901.50 cm−1 et 1115.75 cm−1 ont été sélectionnés pour une meilleure prise en compte des basses couches de l’atmosphère plus particulièrement en termes de température et d’humidité. La restitution de la Ts s’est faite par inversion de l’équation du transfert radiatif [Karbou et al., 2006] en utilisant le modèle de transfert radiatif RTTOV et l’atlas d’émissivité développé par l’université de Wisconsin. Le canal IASI 1194 (943.25 cm−1) a été retenu pour la restitution des Ts suite à une série de comparaisons effectuées entre la Ts restituée à partir des différents canaux IASI sélectionnés et celle de l’ébauche. Aussi, des comparaisons ont été réalisées entre les Ts restituées à partir de IASI et celles restituées à partir de SEVIRI et de AVHRR. La seconde partie du travail a reposé sur l’étude de l’impact de l’utilisation de la Ts restituée à partir du canal IASI 1194 dans les processus de simulation et d’assimilation des canaux IASI utilisés dans les modèles de prévision numérique du temps de Météo-France (AROME et ARPEGE). La Ts restituée à partir du canal IASI 1194 a été intégrée dans le modèle RTTOV pour améliorer les simulations des autres observations IASI sensibles à la surface. L’impact sur la détection nuageuse issue de l’algorithme de [McNally and Watts, 2003] a également été évalué. Par la suite, d’autres expériences ont été menés pour étudier l’impact de l’utilisation des Ts restituées sur l’assimilation de données et sur l’amélioration de la sélection des canaux IASI sur terre dans le modèle AROME. L’impact sur les analyses et les prévisions ont été également décrits. / An essential component of the numerical weather forecast is the analysis of the atmosphere, the necessary step for the definition of the initial conditions of forecasts. This analysis uses in-situ data as well as satellite observations. The current high-spectral resolution advanced infrared sounder generation includes in particular IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer, developed by CNES / EUMETSAT) onboard polar orbiting MetOp satellites. These sounders provide a large amount of information allowing to describe accurately surface parameters (such as land surface temperature ’LST’ and surface emissivity on a wide range of wavelengths). However, the forecast of continental surface temperature is not realistic enough to use the infrared information in the lower troposphere and close to the surface over continents because radiances sensitive to these regions are strongly affected by the variation of surface parameters (e.g. LST, surface emissivity and humidity) and cloud cover. This issue could produce a large difference between the observations and the simulations, also a bad cloud detection, which prompts the system to reject the observations and limits the use of these data. This PhD work aims to improve the analyses and the forecasts by increasing the assimilation of IASI observations over land in the convectivescale AROME model of Météo-France. The first part of study was focused on the identification of the appropriate IASI surface-sensitive channel for LST retrieval. By pursuing the approach developed by [Vincensini, 2013] to find surface temperature from a combination of channels, a new channel selection over land was build, to better analyse the lower layers of the atmosphere, in particular in term of temperature and humidity. LST was extracted from IASI radiances using radiative transfer equation inversion [Karbou et al., 2006], RTTOV model and a surface emissivity atlas developed by the Space Science and Engineering Center at University of Wisconsin. IASI channel 1194 was then selected to retrieve LST as a result of several comparisons with background and other IASI, SEVIRI and AVHRR LST retrievals. The retrieved LST from this channel was then used in RTTOV model to improve the simulation of IASI surface-sensitive infrared observations. The impact on the McNally & Watts cloud detection scheme has been evaluated with more clear channels inside clear pixel with LST retrieval. Data assimilation experiments using the retrieved LST and enhancing the IASI channel selection over land were carried out in the AROME-France model. Improvement of humidity analyses and forecasts will also be described.

La génération actuelle des sondeurs infrarouges avancés constitue l’une des sources les plus importantes d’observation dans les systèmes d’assimilation de données dans les modèles de la Prévision Numérique du Temps (PNT). Cependant la richesse d’informations fournies par ce type de capteur avec son grand nombre de canaux et sa couverture globale est loin d’être complètement exploitée. La présence de nuages dans le champ de vision de l’instrument, qui affecte la majorité des observations, est l’une des raisons pour lesquelles les centres de PNT rejettent une grande quantité des observations des sondeurs. Les centres de PNT ont cependant commencé à assimiler au-dessus des océans les radiances affectées par les nuages en utilisant des canaux dont les effets radiatifs nuageux sont modélisés par un modèle de nuage simple. Certains de ces algorithmes de détection sont évalués dans ce manuscrit, et leurs limitations sont explicitées. Afin d’accroître la quantité de données assimilées, il est nécessaire de mieux représenter les nuages et leurs effets radiatifs. Depuis quelques années, des études ont été menées pour mieux représenter leurs effets dans les modèles de transfert radiatif ([Faijan et al., 2012] ; [Martinet et al., 2013]) ; et utiliser dans l’assimilation de nouveaux canaux infrarouges informatifs sur les hydrométéores nuageux. ([Martinet et al., 2014]). Cette thèse se concentre principalement sur ces méthodes de détection de scènes homogènes en consacrant sa majeur partie à l’établissement, l’évaluation et l’amélioration d’algorithme de détection de scènes homogènes en se basant sur la colocalistion d’observation avec d’autres sondeurs. Ces études sont rendus possibles par la prise en compte des champs d’hydrométéores fournis par les schémas convectifs du modèle ARPEGE en entrée du modèle de transfert radiatif nuageux RTTOV-CLD. Une partie validation des simulations est opérée dans cette thèse, en comparant l’apport les forces et faiblesses du schéma convectif en opérationnel ainsi que PCMT. Par la suite, différents tests, ou critères, de détection sont proposés, et en réalisant des expériences d’assimilation et en évaluant l’impact de ces ces critères de sélection proposés sur la qualité des prévisions à longues échéances, un des tests parmi ceux proposés se démarque des autres en conservant une quantité importante d’observation ciel clair et démontre des impacts neutres à légèrement positifs sur les prévisions. Les nouvelles méthodes de sélection de scènes homogènes proposées dans cette études permettent d’envisager une amélioration significative du contrôle de qualité des observation IASI en ciel clair. Cela ouvre ainsi donc la voie à une utilisation, plus maîtrisée, des scènes nuageuses. Nous expliquons dans ce manuscrit pourquoi il serait imprudent de précéder à des assimilation de radiances infrarouge contaminées par la présence de nuages. Pour contourner cette difficulté, une technique d’assimilation en deux étapes déjà utilisé pour l’assimilation des réflectivité radar ([Wattrelot et al., 2014]) dans AROME est évaluée. Cette méthode basée sur l’inversion bayésienne a récemment été adaptée pour les observations microondes satellitaire ([Duruisseau et al., 2018]). Dans cette étude, nous explorons cette technique pour les observations IASI. Plusieurs tests de sensibilité sont effectués sur les différents paramètres de l’algorithme, avec pour objectif de préparer de futurs travaux sur l’assimilation all-sky infrarouges, explicités dans les perspectives de ce manuscrit. / The current generation of advanced infrared sounders is one of the most important sources of observations in data assimilation systems in numerical weather prediction (NWP) models. However, the total amount of information provided by this type of sensor, with its large number of channels and its global coverage, is far from being fully exploited. The presence of clouds in the instrument’s field of view, which affects the majority of observations, is one of the reasons why NWP centers reject a large amount of observations from sounders. NWP centers, however, have begun to assimilate cloud-affected radiances over the oceans using channels whose cloudy radiative effects are modeled by a simple cloud model. Some of these detection algorithms are evaluated in this manuscript, and their limitations are clarified. In order to increase the amount of assimilated data, it is necessary to better represent clouds and their radiative effects in the models. For several years, studies have been conducted to better represent their effects in radiative transfer models ([Faijan et al., 2012] ; [Martinet et al., 2013]) ; and to use new informative infrared channels of cloudy hydrometeors in the assimilation. [Martinet et al., 2014]. This thesis focuses on several approaches for the assimilation of cloudy radiances. In the first part, the characterization of the cloud parameters currently used for the assimilation of cloudy radiances was evaluated in the global and regional scale models. In addition, as part of the "all-sky" assimilation, which considers both clear and cloudy radiances, the evaluation and improvement of homogeneous scene detection algorithms based on the colocation of observations with other imagers was studied. These studies are made possible by taking into account the hydrometeorological fields provided by the convective schemes of the ARPEGE model as the input of the RTTOV-CLD cloud radiative transfer model. Part of this thesis concerns the validation of simulations, by comparing the contribution of the new convective PCMT scheme to the one used in operational applications. Subsequently, different criteria for selecting homogeneous scenes are proposed. By conducting assimilation experiments and evaluating the impact of these proposed selection criteria on the quality of long-term forecasts, one of the proposed tests stands out from the others by keeping a significant amount of clear sky observations and demonstrating neutral to slightly positive impacts on the forecasts. These new methods for selecting homogeneous scenes proposed in this study allows the consideration of improving the quality control of IASI observations in clear sky. To address the issue of all-sky radiance data assimilation, the two-step assimilation technique, already used for radar reflectivity assimilation in AROME ([Wattrelot et al., 2014]), was evaluated for IASI radiances in the ARPEGE model in a case study. This method based on Bayesian inversion has recently been adapted for satellite microwave observations ([Duruisseau et al., 2018]). Several sensitivity tests were carried out on the different parameters of the algorithm, with the objective of preparing for future work on infrared all-sky assimilation, as explained in the perspectives of this manuscript.

L'impact sur le climat et sur la qualité de l'air des gaz émis par les activités humaines a de fortes retombées sociales et économiques. L'ozone (O3) troposphérique est produit à partir des polluants primaires comme les oxydes d'azote. Il est le troisième gaz par importance dans l'effet de serre après le dioxyde de carbone et le méthane, et il est l'un des polluants principaux pour ses effets oxydants sur les tissus organiques. Pour répondre au besoin de mesure continue de la concentration d'O3 plusieurs satellites emportent des sondeurs capables de mesurer leur signal dans les domaines ultra-violet, visible ou infrarouge du rayonnement terrestre. Le CNES développe notamment le sondeur infrarouge IASI à bord des satellites météorologiques polaires METOP. IASI, en orbite depuis de nombreuses années, permet d'estimer la concentration de certains gaz atmosphériques, notamment l'O3, avec une couverture spatio-temporelle jamais atteinte jusqu'à présent. Chaque jour IASI mesure le spectre infrarouge de l'atmosphère entre 650 et 2700 nm avec une résolution horizontale de 12 km, ce qui fait un volume de données géolocalisées de plusieurs dizaines de gigaoctets par jour. Ces observations constituent un jeu de données idéal pour la validation des modèles de chimie-transport (CTM) à la base des systèmes de surveillance et de prévision de la qualité de l'air. Ces modèles peuvent prendre en compte les observations satellitaires par une procédure mathématique appelée 'assimilation de données'. Cette technique permet de compléter l'information parfois parcellaire des satellites (par exemple à cause de la présence des nuages ou durant la nuit pour les capteurs UV-visible) et d'obtenir des champs 3D globaux des concentrations de certaines espèces chimiques avec une fréquence horaire. Dans ce contexte, il est très important de développer des algorithmes fiables et efficaces pour assimiler les données IASI dans les CTM. A cette fin, l'UMR/CECI (CERFACS) développe en collaboration avec le CNRM/Météo-France un outil d'assimilation (VALENTINA) pour le CTM MOCAGE ayant des applications à l'échelle globale ou régionale pour l'étude du climat ou de la qualité de l'air, notamment dans le cadre du projet européen Copernicus sur la composition de l'atmosphère (CAMS). Il collabore également avec le Laboratoire d'Aérologie, qui développe depuis plusieurs années l'algorithme SOFRID de restitution des profils verticaux d' O3 IASI basé sur le code de transfert radiatif RTTOV. Le travail de cette thèse concerne la mise au point et la production d'analyses d' O3 troposphérique tridimensionnelles par l'assimilation d'observations satellitaires (MLS, IASI) dans le CTM MOCAGE. L'objectif principal est de constituer une nouvelle base de données pour l'étude de la variabilité de l'ozone de l'échelle journalière à celle décennale. On démontre ainsi la capacité des analyses utilisant les données IASI à reproduire la réponse de l' O3 troposphérique à l'ENSO (El Niño Southern Oscillation) aux basses latitudes, apportant notamment des informations nouvelles sur la distribution verticale des anomalies associées. Une large part de ce travail a de plus consisté à analyser les biais entre les analyses et les données de sondages indépendantes. Une des raisons expliquant ces biais pourrait être l'utilisation d'a-priori et de covariances d'erreurs climatologiques fortement biaisés (notamment au niveau de la tropopause) dans la procédure d'inversion des produits d' O3 de IASI. Une seconde partie de la thèse a donc consisté à mettre en place une méthode permettant de prescrire des a-priori plus proches des situations réelles améliorant ainsi les profils d' O3 restitués. En conclusion cette thèse constitue une avancée significative vers l'amélioration des produits d' O3 troposphérique issus de l'instrument IASI, permettant d'envisager un suivi à long terme que le caractère opérationnel des satellites METOP facilitera. / Human activity produces gases impacting the climate and the air quality with important economic and social consequences. Tropospheric ozone (O3) is created by chemical reactions from primary pollutants as nitrogen oxides. O3 is the third most important greenhouse gas after carbon dioxide and methane. It is one of the most important pollutants due to its oxidant effects on biological tissue. Several sensors on board satellites measure ozone concentration in the Ultraviolet, visible, or in the Earth infrared radiance. The French national center for space studies CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) has developed the infrared sounding IASI on board polar meteorological satellites METOP. IASI, in orbit for several years, has allowed to estimate concentration of atmospheric gases, particularly O3, with a spatio-temporal coverage never reached so far. Every day, IASI measures infrared spectrum of the atmosphere between 650 to 2700 nm with an horizontal resolution of 12 km, giving tens of Gigaoctet per day of geolocated data. These observations form a part of an ideal set of data for the Chemistry Transport Model (CTM). CTM are used to analyze and predict air quality and can take into account satellite data according to a mathematical procedure called 'data assimilation'. This technic allows to fill gaps in the satellite information (for instance due to clouds or during night for the UV-visible sensor) and to obtain 3D global fields of chemical species concentration on an hourly basis. Therefore, it is important to develop accurate and efficient algorithms to assimilate IASI data in the CTM's. To this end, the UMR/CECI (CERFACS) develops in collaboration with the CNRM/Météo-France an assimilation tool (named VALENTINA) to the CTM MOCAGE that has applications on global and regional scales for climate or air quality study. The CTM MOCAGE is part of the European Copernicus project on the atmospheric composition (CAMS). In addition, the UMR/CECI collaborates with the Laboratoire d'Aérologie that has developed for several years the SOFRID algorithm for the vertical profiles retrieval of IASI ozone data based on the radiative transfer code RTTOV. The study of this PhD includes the tridimensional production of tropospheric ozone analysis with data assimilation (MLS, IASI) in the CTM MOCAGE, and on the ozone variability. Hence, we demonstrate the analysis ability to reproduce tropospheric ozone in response to ENSO, by bringing new informations on the vertical structure of associated anomalies. The PhD also focuses on the study of biases between analyses and independent ozone soundings. One of the main reasons could be due to the use of the climatological a-priori and matrix error covariance associated, strongly biased (particularly around the tropopause) in the retrieval method of IASI ozone data. Therefore, the second part of the PhD has consisted implementation of a method that generates accurate a-priori to improve retrieved ozone profiles. As a conclusion, this PhD brings a significant progress towards the improvement of tropospheric ozone products from IASI instrument, that should contribute to the long-term monitoring of tropospheric ozone thanks to the operational nature of METOP satellites.

Le sondeur infrarouge hyperspectral IASI (Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge), développé conjointement par le CNES et EUMETSAT à bord du satellite européen Metop, permet, entre autres, le sondage de la température, de l'humidité ainsi que la restitution de paramètres de surface. Bien que l'on tire le meilleur parti de ces données sur la mer, leur utilisation est encore limitée au-dessus des terres dans le contexte de la prévision numérique du temps, à cause de l'incertitude plus grande sur l'émissivité et la température de surface (Ts). Ces erreurs se répercutent sur la qualité des simulations de transfert radiatif et empêche l'utilisation de ces mesures dans les modèles de prévision numérique du temps. Seuls les canaux non sensibles à la surface terrestre sont assimilés de façon opérationnelle, limitant ainsi le potentiel de sondage aux couches atmosphériques les plus élevées. Cette thèse a pour but l'amélioration de la description des paramètres de surface dans le modèle global ARPEGE de Météo-France en vue de l'assimilation des données du sondeur IASI sur les continents. Nous avons d'abord cherché à améliorer la modélisation de la surface (émissivité et Ts) sur les continents dans le modèle ARPEGE. Pour cela, différents atlas d'émissivité ont été intégrés dans ce modèle : l'un a été calculé à partir des données MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) par l'Université du Wisconsin et le second a été construit à partir des produits IASI de niveau 2 (L2) développés par EUMETSAT. La Ts a ensuite été restituée à partir de canaux de surface IASI en profitant d'une meilleure connaissance de l'émissivité de surface donnée par ces atlas. Ces Ts ont été évaluées par comparaison avec les produits MODIS de la NASA et les produits IASI L2 d'EUMETSAT. Ces comparaisons nous ont permis de sélectionner une combinaison de canaux qui fournit les meilleures estimations de Ts. L'utilisation d'une modélisation de surface réaliste a contribué à l'amélioration de la qualité des simulations de transfert radiatif pour les canaux sensibles à la surface. Les radiances IASI sensibles à la surface ont alors pu être assimilées sur les continents dans le modèle ARPEGE en ciel clair et en utilisant la paramétrisation de surface définie précédemment. Les impacts sur la qualité des analyses et des prévisions ont été étudiés. La prise en compte d'une émissivité et d'une Ts précises a permis d'augmenter significativement le nombre d'observations assimilées. Les principales améliorations concernent les prévisions de géopotentiel et de température pour des pressions inférieures à 400~hPa (en dehors des tropiques). Enfin, dans un cadre plus spécifique et climatologique, nous nous sommes intéressés à la validation de l'utilisation des données IASI en Antarctique durant la campagne Concordiasi. Cette étude a permis d'améliorer les profils inversés de température et de vapeur d'eau par comparaison avec les profils provenant du modèle. L'amélioration est particulièrement importante pour la température de surface. Dans ce cadre, les Ts restituées dans cette thèse ont été comparées à Concordia et au Pôle Sud avec des mesures in-situ et se sont révélées particulièrement précises à Concordia. / The Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI), on-board the EUMETSAT Polar System Metop satellite, is developed by CNES in the framework of a co-operation agreement with EUMETSAT. IASI enables, amongst other, infrared soundings of temperature, moisture and retrievals of surface parameters. However in the numerical weather prediction context, these observations are not as intensively used over land as they are over sea because of larger uncertainties about land emissivity and land surface temperature (LST). These uncertainties have an impact on the quality of radiative transfer simulation and hinder the use of these measurements in numerical weather prediction models. Only channels that are not sensitive to the surface are currently assimilated in operations, which limits the potential of sounding instruments to the highest atmospheric layers. This PhD aims to improve the description of land surface parameters in the ARPEGE global model of Météo-France to assimilate IASI data over land. First of all, we tried to improve the surface modelling (surface emissivity and LST) over land in the ARPEGE model. To this end, two emissivity atlases were integrated in this model. The first one is the emissivity climatology computed from the IASI Level-2 products from EUMETSAT and the second one is the global high spectral resolution infrared land surface emissivity database (called UWIREMIS) developed by the Space Science and Engineering Center at University of Wisconsin. Hence, the LST was retrieved from IASI surface channels using these atlases as input parameters in the radiative transfer model. These LSTs were compared to land LST products: the MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) products from the NASA and the IASI Level-2 products from EUMETSAT. These comparisons enabled us to choose the IASI channel combination that provided the best LST estimates. The use of a realistic surface modelling contributed to improve the quality of radiative transfer simulations for surface sensitive channels. Then, surface sensitive IASI radiances were assimilated over land in ARPEGE in clear sky conditions using the surface parameters as previously defined. The impact on analysis and forecast quality was studied. The use of good estimates of surface emissivity and LST significantly increased the number of assimilated observations. The main improvements are for geopotential and temperature forecasts for pressure levels lower than 400~hPa (except in the tropics and in the stratosphere). Finally, from a climatological point of view and within the more specific framework of the Concordiasi campaign, we assessed and validated the use of IASI data in Antarctica. The temperature and humidity retrieved in this particular study proved of better quality than the model profiles, as assessed against the sonde measurements. The improvement is particularly striking for surface temperature. In this framework, the LST retrieved in this PhD were compared with in situ measurements at Concordia and at South Pole station. These estimates are of a great accuracy at Concordia.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne le cadre global de la connaissance de notre atmosphère. L'exploitation des spectres atmosphériques requiert une bonne connaissance des paramètres de raies des molécules qui la composent. En particulier de la vapeur qui en est l'absorbant principal. Des spectres ont été enregistrés avec le spectromètre par transformation de Fourier construit au laboratoire et ceux ci ont été traités en ajustement multi-spectres avec le logiciel MultiFiT. Ce travail se focalise sur la mesure précise des intensités de raie dans deux régions spectrales. A 10 µm, région d'intérêt atmosphérique pour l'instrument IASI, deux études sur les intensités sont présentées. Pour l'isotopologue principal de 1200 à 1400 cm-1, 300 transitions ont pu être mesurées et comparées aux données de la littérature. Le but de ce travail était de déterminer la meilleure base de données pour l'exploitation des spectres IASI. De 1000 à 2300 cm-1, les isotopologues H218O et HD18O ont été étudié à partir de spectres enrichis en 18O. Ce travail a permis de mesurer et d'attribuer un ensemble de 2500 transitions. Enfin ce mémoire propose une révision complète des intensités de la région 1.25µm, qui présentent un important problème dans les bases de données. 39 spectres ont été enregistrés pour cette région avec des échantillons d'eau naturelle. Plus de 11000 transitions ont pu être mesurées et sont comparées aux données de la littérature. Une partie de ces intensités, publiées en 2010, a été exploité par L. Tallis de l'université de Reading. Enfin ce mémoire présente le début d'une exploitation des coefficients d'élargissement obtenus dans la région de 1.25µm. / The work presented in this manuscript concern the knowledge of our atmosphere. In fact, the analysis of atmospheric spectra needs a good understanding of atmospheric molecular species. In particular the water vapor plays a special role as the first absorbent of earth's atmosphere. Spectra were recorded by Fourier transform spectrometer designed in the laboratory and lines parameters fitted with multi-spectra procedure named MultiFiT. The spectroscopic studies focus on lines intensity measurements for two different spectral ranges. The first presented is 10 µm, were two studies have been done. For the H216O isotopologue in the 1200 – 1400 cm-1 range, 300 transitions were measured and compared with literature data. The aim of this work was to determine the best spectroscopic database for IASI recording analysis. In 1000 to 2300 cm-1, H218O and HD18O isotopologue were measured with enriched 18O spectra. Over 2500 transitions were measured and assigned. Also this manuscript presents a huge work done in the 1.25µm region. This range appears in database with an important discrepancy for line intensities. 39 spectra were recorded with water vapor sample in natural abundance. Over 11000 transitions were measured and assigned, comparison to literature data are also presented. A part of this work were published in 2010 and used by L.Tallis, form University of Reading, for atmospheric application. At the end of this manuscript is presented the first comparisons with calculated data done for self broadening coefficients in the 1.25µm region.

Les objectifs de cette thèse sont la validation d’une méthodologie de détermination de la température de surface (LST) et de l’émissivité de surface (LES) à partir des radiances hyperspectrales du capteur IASI à bord du satellite METOP. Il s’agit de montrer la possibilité d’extraire ces deux paramètres d’un signal hyperspectral IRT télédétecté dans une approche physique. Le domaine spectral d'étude s'étend de 750 à 1250 cm-1 (8 à 13,3 μm) et la résolution spectrale est de l'ordre du 0,25 cm-1, inscrivant ainsi ce travail dans le giron de la radiométrie à très haute résolution spectrale infrarouge. Après une étude des méthodes de séparation existantes, la méthode SpSm (Spectral Smothness), est validée. Une étude de sensibilité aux erreurs aux bruits atmosphérique et instrumental est menée. La méthode SpSm est appliquée aux données IASI en conditions réelles pour l’année 2008 dans une zone spatiale couvrant l’Europe et le Nord d’ Afrique. Les résultats sont validés d’une part avec les produits MODIS et SEVIRI, et d’autre part avec les paramètres température et émissivité obtenus à partir des radiances SEVIRI et l’algorithme TISI. / This thesis focuses on the validation of a methodology for determining the surface temperature (LST) and surface emissivity (LES) from hyperspectral radiances from the IASI sensor on board of the European satellite METOP. We show that it is possible to extract these two parameters from a remotely sensed TIR signal using a physical approach. The spectral range under study extends from 750 to 1250 cm-1 (8 to 13.3 μm) and the spectral resolution is 0.25 cm-1, placing this work in the context of very high spectral resolution infrared radiometry. After studying the existing methods of separation, the SpSm method (Spectral Smothness), is validated. A study of sensitivity to atmospheric and instrumental noise is conducted. The SpSm method is applied to the IASI data in real conditions in 2008 in a spatial area that covers Europeand North Africa. The results are validated on one hand with the MODIS and SEVIRI products, and on the otherhand with temperatures and emissivities obtained from the SEVIRI radiances and the TISI algorithm.

Dans les années à venir, plusieurs missions spatiales permettront l'observation globale des concentrations de nombreux gaz traces dans l'atmosphère. L'objectif de cette thèse a été d'évaluer les capacités d'un instrument mesurant depuis l'espace le rayonnement du système Terre – atmosphère dans l'infrarouge thermique par visée au nadir pour l'observation de l'ozone troposphérique.<br />Ces travaux ont été réalisés dans le cadre de la préparation de la mission IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer), pour laquelle le Service d'Aéronomie développe un algorithme opérationnel d'inversion des gaz traces CO, CH4 et O3. Les lancements des trois instruments IASI sont prévus en 2006, 2010 et 2015 sur les trois plates-formes successives MetOp. Un algorithme d'inversion de l'ozone a été développé, ainsi qu'un module d'analyse de l'erreur d'inversion. Les données satellitaires mesurées par l'instrument IMG (Interferometric Monitor for Greenhouse Gases), présent sur le satellite ADEOS (1996-1997), et les mesures ballon LPMA/IASI mesurées en août 2002, nous ont permis de tester les développements sur des mesures réelles et de valider la méthode. Une première interprétation des distributions globales d'ozone troposphérique IMG/ADEOS a été réalisée en comparant les différentes informations disponibles sur sa production et son transport.<br />Les études entreprises pour IASI ont été étendues à l'évaluation des capacités d'un instrument similaire embarqué sur un satellite en orbite géostationnaire pour l'observation des gaz traces.

Pour améliorer la représentation du champ d'ozone atmosphérique fournie par des observations ou bien par un modèle numérique, on peut combiner ces deux sources d'information par des techniques d'assimilation de données. La taille des pixels des données issues des instruments embarqués à bord des satellites de dernière génération est cependant bien inférieure à la résolution horizontale couramment utilisée dans les Modèles de Chimie-Transport (MCT) en version globale. Ainsi ces observations apportent de l'information sur des structures de petite échelle du champ d'ozone ne pouvant être représentées par le modèle qu'avec l'augmentation de sa résolution. Dans le but d'assimiler l'information de petite échelle au sein du MCT Mocage de Météo-France avec une grille horizontale haute résolution tout en conservant un coût d'exécution raisonnable, nous avons développé une version spectrale du système d'assimilation de données Valentina du Cerfacs. Puis nous utilisons l'algorithme de la boucle externe conjointement avec la méthode variationnelle 3D-Var avec FGAT. Nous montrons que cette combinaison dégrade les analyses dans le cas de situations atmosphériques dominées par le transport. En conséquence, nous optons dans la suite pour la méthode variationnelle 4D-Var en terme d'incrément pour procéder aux simulations d'ozone haute résolution. Nous utilisons le système Valentina avec le MCT Mocage à basse et haute résolutions horizontales sur le mois de septembre 2008 durant lequel des structures de petite échelle sont présentes dans le champ d'ozone au voisinage du vortex polaire antarctique. Les colonnes totales d'ozone de l'instrument IASI, choisies pour leur haute répartition spatiale, ont été moyennées sur grilles modèle basse et haute résolution en deux jeux de super-observations. Nous les combinons aux profils d'ozone de l'instrument MLS pour contraindre la répartition verticale de l'information dans la stratosphère et la haute troposphère lors du processus d'assimilation de données. L'augmentation de résolution du modèle améliore les simulations directes du MCT et, dans une moindre mesure, les analyses issues de l'assimilation du jeu de données combinées basse résolution. En revanche, l'augmentation de résolution dans les super-observations conduit à une dégradation des analyses à certains niveaux verticaux car les données de MLS qui contraignent la structure verticale du profil d'ozone sont éparses par rapport aux données de IASI. Nous mettons ce résultat en lien avec le besoin d'avoir une source d'information sur la distribution verticale de l'ozone aussi dense que le jeu de données de colonnes totales assimilées telle l'information fournie par les Averaging Kernels.