Le délai troposphérique subi par les signaux GPS entre les satellites et le récepteur affecte la précision du positionnement mais contient aussi de l'information utile sur l'état de la troposphère. Le délai troposphérique consiste en une composante hydrostatique et une composante humide qu'il est possible de séparer. Avec un réseau permanent de récepteurs GPS, où la position des sites est connue avec précision, et en utilisant l'information sur les délais en pente humides (SWD, de l'anglais Slant Wet Delays) estimés entre chaque station et tous les satellites visibles, il est possible de dresser un modèle en trois dimensions de la réfractivité humide au-dessus du réseau. La présente recherche porte sur l'utilisation de fonctions en séries de Taylor en trois dimensions afin de modéliser la réfractivité humide. Un réseau permanent de 43 stations en Suisse a été utilisé afin d'estimer en post-traitement les SWD et de les utiliser comme données d'entrée au modèle de la réfractivité humide proposé. Cette modélisation permet de calculer les délais troposphériques zénithaux humides en tout point à l'intérieur du réseau pour que d'autres récepteurs GPS qui ne font pas partie du réseau puissent corriger l'effet troposphérique. Une comparaison des résultats a été effectuée par rapport à l'utilisation traditionnelle d'une atmosphère standard et un facteur d'amélioration moyen de 30\% a été atteint. D'autre part, des données météorologiques recueillies dans des stations indépendantes du réseau GPS ont été utilisées afin de valider les valeurs de réfractivité humides calculées par le modèle. La concordance entre ces valeurs et celles de validation est à 2 unités près en moyenne. / Le délai troposphérique subi par les signaux GPS entre les satellites et le récepteur affecte la précision du positionnement mais contient aussi de l'information utile sur l'état de la troposphère. Le délai troposphérique consiste en une composante hydrostatique et une composante humide qu'il est possible de séparer. Avec un réseau permanent de récepteurs GPS, où la position des sites est connue avec précision, et en utilisant l'information sur les délais en pente humides (SWD, de l'anglais Slant Wet Delays) estimés entre chaque station et tous les satellites visibles, il est possible de dresser un modèle en trois dimensions de la réfractivité humide au-dessus du réseau. La présente recherche porte sur l'utilisation de fonctions en séries de Taylor en trois dimensions afin de modéliser la réfractivité humide. Un réseau permanent de 43 stations en Suisse a été utilisé afin d'estimer en post-traitement les SWD et de les utiliser comme données d'entrée au modèle de la réfractivité humide proposé. Cette modélisation permet de calculer les délais troposphériques zénithaux humides en tout point à l'intérieur du réseau pour que d'autres récepteurs GPS qui ne font pas partie du réseau puissent corriger l'effet troposphérique. Une comparaison des résultats a été effectuée par rapport à l'utilisation traditionnelle d'une atmosphère standard et un facteur d'amélioration moyen de 30\% a été atteint. D'autre part, des données météorologiques recueillies dans des stations indépendantes du réseau GPS ont été utilisées afin de valider les valeurs de réfractivité humides calculées par le modèle. La concordance entre ces valeurs et celles de validation est à 2 unités près en moyenne.

L'augmentation considérable du trafic aérien depuis quelques décennies a motivé des recherches sur l'impact des traînées de condensation sur le climat. Lorsque celles-ci persistent, elles induisent une couverture nuageuse additionnelle en cirrus dont l'impact sur le climat est difficile à quantifier. La condition physique de la persistance des trainées de condensation est la sursaturation en glace (humidité relative supérieure à la saturation), phénomène assez fréquent dans la haute troposphère et condition nécessaire pour la formation des cirrus. Dans ce contexte, les sondeurs infrarouges ont l'avantage de fournir, de manière globale et continue, des mesures conjointes de propriétés nuageuses et de profils atmosphériques de température et de vapeur d'eau. Nous utilisons dans cette étude les bases de données climatiques TIROS-N Observation Vertical Sounder (TOVS) puis Atmospheric InfraRed Sounder (AIRS). Ces deux instruments n'ont pas une résolution verticale suffisante pour détecter la présence de fines couches de sursaturation en glace. Des synergies avec d'autres types observations permettent de le mettre en évidence et de le corriger. Nous démontrons notamment à l'aide du lidar CALIOP (Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization) que l'humidité relative de la haute troposphère dans les cirrus, déterminée par AIRS, montre un biais négatif en comparaison de mesures in situ. Ce biais est lié à la résolution verticale de AIRS et il est d'autant plus prononcé que les nuages sont géométriquement fins. Il est difficile de détecter la sursaturation car cette dernière est plus à même d'apparaître sur de fines épaisseurs. Une méthode de correction est alors proposée pour mieux estimer les fréquences d'occurrence de la sursaturation en glace à l'échelle globale. La synergie entre AIRS et des mesures aéroportées de la campagne MOZAIC (Measurement of OZone and water vapour by AIrbus in-service airCraft) nous permet de construire une probabilité d'occurrence de la sursaturation en fonction de l'humidité relative déterminée par AIRS, quelque soit la valeur de cette humidité relative. Cette probabilité permet de construire des climatologies de la sursaturation en glace. Enfin, son couplage avec la détermination conjointe des propriétés nuageuses permet d'établir des climatologies des situations atmosphériques favorables à la persistance et à l'impact sur le climat des traînées de condensation.

Le GPS est la technique de positionnement global la plus utilisée ; sa précision planimétrique en mode géodésique atteint le niveau millimétrique. Cependant, une limite importante réside dans la détermination de la composante verticale (3-15~mm pour des sessions de 24~h) dont l'estimation est dégradée par la perturbation de la propagation des signaux lors de la traversée de la troposphère.<br />L'action NIGPS, menée en collaboration par l'IGN et le SA (CNRS), vise à développer une correction de ces effets atmosphériques basée sur le sondage de l'humidité à l'aide d'un lidar Raman vapeur d'eau à visée multi-angulaire. Ce travail de thèse s'inscrit dans la continuité des travaux présentés en 2005 par Jérôme Tarniewicz et consiste à poursuivre l'étude méthodologique, les développements instrumentaux et la validation expérimentale de l'analyse conjointe des observations GPS et lidar.<br />Après l'étude à partir de simulations numériques de l'effet de la troposphère sur le GPS et de sa correction, nous nous intéressons à la restitution précise de mesures de vapeur d'eau par lidar Raman. Les données acquises lors de la campagne VAPIC permettent de vérifier l'impact de la troposphère sur le GPS. La comparaison des observations lidar à celles issues d'autres instruments permet de valider la mesure lidar et souligne la capacité de cette technique à restituer des variations rapides de vapeur d'eau. Une première évaluation de la correction des observations GPS par des mesures lidar au zénith est réalisée sur des sessions GPS de 6 h et montre l'apport de cette technique sur les cas considérés. Ces résultats devraient cependant être améliorés grâce la prise en compte de visées lidar obliques.

L'atmosphère des régions polaires peut être considérée comme une atmosphère de "bruit de fond" à l'échelle d'un hémisphère, et constitue, de ce fait, un terrain privilégié pour appréhender la réponse de l'atmosphère à des phénomènes naturels globaux. Les régions côtières antarctiques sont, elles, particulièrement bien adaptées à l'étude des émissions en provenance de l'océan Austral. Un programme d'étude de la chimie de la troposphère a donc débuté à Dumont d'Urville (66°40' Sud, 140°01Est) fin 1990. Des prélèvements atmosphériques effectués simultanément à Dumont d'Urville et sur une île éloignée de la station ont montré que les activités humaines sur la base n' influençaient pas de manière significative la collecte atmosphérique. En revanche, la présence d'une avifaune abondante perturbe les concentrations atmosphériques en NH3 NH4, C2024 2-, K+, Ca 2+. L'étude des composés soufrés atmosphériques (acide méthanesulfonique et sulfate) a mis en évidence l'existence d'un fractionnement du au gel de l'aérosol marin durant l' hiver. Ce fractionnement se traduit par un déficit de sulfate et une augmentation du rapport Cl -/Na +. Nous avons pu mettre en évidence la présence d'une perturbation en sulfate durant l'été 1991 - 1992 dans la troposphère des régions côtières antarctiques. Cette perturbation est provoquée par la sédimentation du nuage volcanique émis lors de l'éruption du Cerro Hudson (15 août 1991). Par ailleurs, nous avons montré que le cycle saisonnier de ces composés soufrés est corrélé aux variations saisonnières de l'activité phytoplanctonique dans l'Océan Austral. De plus, la variabilité géographique des concentrations atmosphériques peut être expliquée par une différence de productivité entre les différents secteur de l'Océan circumpolaire. Enfin, l'étude des composés azotés atmosphériques (NH4+, HNO3, NO3-) a montré que les valeurs de NH4+ mesurées à Mawson (67.6°S, 62.5°E) sont certainement influencées par l' activité animale. Les variations saisonnières du nitrate atmosphérique peuvent être provoquées par la sédimentation des nuages stratosphériques polaires ..

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.

<p align="justify">L'étude des phénomènes physico-chimiques de l'atmosphère nécessite la connaissance préalable des caractéristiques de chacun de ses constituants, ainsi que de leurs distributions spatiales et temporelles. Les méthodes spectroscopiques permettent la détection simultanée de nombreux constituants atmosphériques par la mesure quantitative de leurs absorptions. Dans le domaine UV-visible, ces techniques se basent sur la loi de Beer-Lambert, dont l'application nécessite la connaissance d'un spectre de référence exempt d'absorption. Il est impossible d'obtenir un tel spectre dans le cas des mesures atmosphériques. On a alors recourt à la technique dite de spectroscopie d'absorption différentielle (Differential Optical Absorption Spectroscopy) qui analyse les composantes des absorptions variant rapidement en fonction de la longueur d'onde.</p> <p align="justify">Trois instruments ont été développés dans le cadre de ce travail pour la mesure par spectroscopie d'absorption différentielle dans le domaine UV-visible. Le premier utilise un spectromètre par transformée de Fourier, les deux autres des spectromètres à réseau associés soit à une barrette de photodiodes soit à un détecteur de type CCD. Ces instruments ont été conçus dans le but de fournir des mesures de divers constituants (03, SO2, NO2, HNO2, H2CO, toluène, benzène) de manière automatique et en utilisant des trajets d'absorption courts ( < 1 km). Les performances de chacun de ces instruments ont été évaluées au cours de différentes campagnes de mesure. Le spectromètre par transformée de Fourier s'avère être un outil performant pour de telles mesures, son principal avantage étant de posséder une calibration en longueur d'onde interne, précise et reproductible. Les instruments utilisant un spectromètre à réseau associé à un détecteur multi-éléments présentent un certain nombre d'inconvénients rendant peu aisées les mesures troposphériques sur de courtes distances. Ces inconvénients sont liés soit au spectromètre ( calibration en longueur d'onde externe, modification de celle-ci au cours du temps) ou aux détecteurs ( gains différents pour chacun des éléments sensibles du détecteur, phénomènes d'interférence au niveau des fenêtres de protection). Ces problèmes augmentent la complexité de l'analyse des spectres atmosphériques.</p> <p align="justify">Un paramètre d'importance primordiale pour la détection d'un polluant, est sa section efficace d'absorption. Nous avons mesuré la section efficace de trois molécules d'intérêt atmosphérique, SO2, CS2 et NO2. Ces spectres ont été obtenus à l'aide d'un spectromètre par transformée de Fourier, aux résolutions de 2 et 16 cm-1. La dépendance vis-à-vis de la température a été confirmée dans le cas du NO2. Pour cette molécule, un effet de pression a en outre été observé pour la première fois dans le domaine spectral 12000 20000 cm-1 (500-830 nm). Cet effet est important et peut engendrer des variations de 45% de l'intensité de la section efficace lorsque la pression partielle de NO2 varie de 0.02 à 1.0 torr. L'influence du choix des sections efficaces sur les mesures stratosphériques de NO2 a également été mise en évidence. L'utilisation de sections efficaces obtenue à basse température (220 K) implique une diminution de 20% de la quantité de NO2 mesurée mais également une diminution de l'erreur sur cette mesure. Ceci indique la nécessité de tenir compte de la dépendance des sections efficaces de NO2 à la température lors de l'analyse de spectres stratosphériques.</p>

Cette thèse porte sur la caractérisation et l'analyse des sources de pollution avec les données aéroportées MOZAIC pendant la canicule européenne de l'été 2003. L'étude d'un tel événement extrème est nécessaire car sa fréquence est suceptible d'augmenter dans un contexte de changement climatique. L'apport des données MOZAIC avec de fréquents profils verticaux sur Francfort, Vienne et Paris, permet de caractériser et quantifier la dimension verticale des anomalies de polluants (ozone, monoxyde de carbone CO, oxydes d'azote) par rapport à une climatologie établie sur près de 11 ans. L'étude sur les conditions synoptiques de formation de la canicule identifie les facteurs favorables à la pollution et établit l'importance du développement intense de la couche limite planétaire. Dans une deuxième partie, une approche lagrangienne est utilisée pour estimer les importances respectives de différentes sources d'émissions primaires de CO vis-à-vis des observations MOZAIC : émissions anthropiques européennes et nord-américaines, et émissions par les feux de biomasse sur le Portugal. Dans une troisième partie, le modèle de chimie-transport global GEOS-Chem est utilisé pour étudier plus en détails certains processus importants lors de l'épisode (dépôt sec, émissions biogéniques). Une évaluation des simulations est d'abord menée avec les données MOZAIC puis des tests de sensibilité sont ensuite exploités pour montrer l'importance des processus de couplage sol-végétation-atmosphère et l'importance du transport depuis le Portugal des panaches des feux de biomasse documentés avec un cadastre d'émissions journalier.

L'objectif était d'approfondir notre connaissance sur les mécanismes d'échanges, près des zone s de convection profonde, plus particulièrement en périphérie des cyclones tropicaux en explorant les liens entre la convection tropicale et l'ozone troposphérique. Une approche climatologique a montré que l'influence de l'occurence fréquente de ces systèmes convectifs sur l'ozone troposphérique est double. L'analyse d'un cas de transfert subsident intense le 6 avril 1995 à la Réunion, alors à l'ouest du système Marlène, a permis de caractériser cet échange stratosphère-troposphère. L'examen du modèle idéalisé de cyclone tropical Hurricane a apporté des compléments dynamiques et a généralisé cette étude de mécanismes. De manière complémentaire au cas Marlène, trois situations météorologiques distinctes ou une forte interaction entre les dynamiques de la convection, du système jet-front et des ondes de Rossby induisent des échanges stratosphère-troposphère sont documentées

La thèse s'est inscrite dans le développement du service d'observation PAES (Pollution Atmosphérique à l'Échelle Synoptique), réseau de stations d'altitude, dédié à la mesure à long terme de l'ozone et de ses principaux précurseurs gazeux. La représentativité spatiale et temporelle a été évaluée grâce à l'analyse des données de surface comparées à des mesures aéroportées (MOZAIC) et satellitaires (MOPITT) ; les stations d'altitude s'avèrent capables de suivre les changements globaux de la composition de l'atmosphère et, dans une certaine mesure, sont représentatives de la variabilité de la troposphère libre malgré l'influence de la surface. Un bilan de la qualité de l'air en Europe de l'Ouest, depuis les années 1990 a été dressé à partir des données d'ozone et de CO de PAES et de différents réseaux français et européens. Enfin, l'analyse couplée des données d'observation obtenues pendant la campagne de terrain PIC 2005 (13 juin - 7 juillet 2005 autour du Pic du Midi) et de simulations (Méso-NH) a permis notamment de comprendre le cycle diurne inversé de l'ozone observé dans des climatologies issues de certaines stations d'altitude. Le rôle du transport à l'échelle synoptique et des échanges entre couche limite et troposphère libre sur la mesure en altitude a été montrée dans l'étude détaillée de l'épisode de pollution du 23 juin 2005.

Cette thèse porte sur l'analyse des données MOZAIC pour améliorer la connaissance<br />des ´échanges stratosphère-troposphère (STE) au niveau du cas d'étude ou au niveau global saisonnier. L'utilisation de techniques lagrangiennes et du modèle meso-échelle MESO-NHmet en évidence l'importance des STE sur la distribution chimique de l'UTLS dans un casde cyclogenèse d'été. Une ´étude lagrangienne d'un second cas d'étude montre que les zonesfrontales des moyennes latitudes peuvent être responsables d'une stratification en couchesde masses d'air issues de différents courants cohérents. Enfin, l'impact des STE sur lesdistributions saisonnières d'ozone et du CO aux moyennes latitudes dans la zone UTLS estprésente. Un nouveau repère dynamique permet un replacement cohérent des observationsle long des dorsales et des thalwegs d'altitude. La formation d'une couche de mélange audessus de la tropopause, et les variations chimiques saisonnières sont présentées. Une analyse lagrangienne des variations zonales est tentée.