Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire de pollution atmosphérique et du sol LPAS)

Development of the Jungfraujoch multiwavelength lidar system for continuous observations of the aerosol optical properties in the free troposphere

Larchevêque, Gilles ; Calpini, Bertrand (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2539.

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    Summary
    Climate changes and global warming are generally associated with the enhanced greenhouse effect, but aerosols can induce a cooling effect and thus regionally mask this warming effect. Unfortunately, the strong variability both in space and in time of the aerosols and thus the difficulty to characterize their global basic properties induce large uncertainties in the predictions of the numerical models. Those uncertainties are as high as the absolute level of the enhanced greenhouse forcing. To solve this problem it is necessary to improve the set of well-calibrated instruments (both in situ and remote sensing) with the ability to measure the changes in stratospheric and tropospheric aerosols amounts and their radiative properties, changes in atmospheric water vapor and temperature distributions, and changes in clouds cover and cloud radiative properties. The quantity used to assess the importance of one compound (greenhouse gases, aerosols) to the variation of the radiative budget of the Earth is the radiative forcing. One of those forcings is the direct aerosol radiative forcing and it depends on the optical depths and the upscatter fraction of the aerosols. Those two parameters depend on the chemical composition and size distribution of the aerosols. Thus the key parameters of this radiative forcing are the chemical composition through its refractive index and the size distribution of the aerosols. This thesis deals with the design and the implementation of one multi-wavelength lidar system at the Jungfraujoch Alpine Research Station (Alt. 3580m asl). This lidar system is a combination of one standard backscatter lidar and one Raman lidar. Its design have been supported by a ray tracing analysis of the receiver part. The laser transmitter is based on a tripled Nd:YAG laser and the backscattered light is collected by one Newtonian telescope for the tropospheric measurements and by one Cassegrain telescope for the future stratospheric measurements. The received wavelengths for each telescope include three elastically scattered wavelengths (355, 532 and 1064nm), two spontaneous Raman signals from nitrogen (387 and 607nm) and one spontaneous Raman signal from the water vapor (408nm). The optical signals received by each of the telescopes are separated spectrally by two filter polychromators. They are build up around a set of beamsplitters and custom design thin band pass filters with high out-of-band rejection. On the visible channel, the adds of a Wollaston prism separates the parallel polarized backscattered signal (532(p)nm) of the perpendicular polarized one (532(c)nm). Photomultiplier tubes perform the detection of the signals for the UV and visible wavelengths and by Si-avalanche photodiodes for the near-infrared signal. The acquisition of the signals is performed by seven transient recorders in analog and in photon counting modes. Within the frame of the EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network), hardware and software intercomparisons have been done. The software intercomparison has been divided into the validation of the elastic algorithm and the Raman algorithm. Those intercomparisons of the inversions of the lidar signals have been performed using synthetic data for a number of situations of different complexity. The hardware intercomparison have been achieved with the mobile micro-lidar of the Observatoire Cantonal de Neuchâtel. The present lidar system provides independent aerosol extinction and backscatter profiles, depolarization ratio and water vapor mixing ratio up to the tropopause. Their uncertainties could be smaller than 20% and thus make possible the retrieval of the microphysical aerosol parameters like the volume concentration distribution and the mean and integral parameters of the particle size distribution, (effective radius, total surface-area concentration, total volume concentration and number concentration of particles). This retrieval is performed by one algorithm of the Institute of Mathematic of the University of Postdam based on the hybrid regularization method. The first results of the retrieval of the volume concentration distribution with three backscatter (355, 532 and 1064nm) and one extinction (355nm) profiles has demonstrated promising results. Future upgrades of the system will add ozone concentration and temperature profile up to the stratopause.
    Résumé
    Le réchauffement planétaire et les changements climatiques sont généralement associés à la variation de l'effet de serre induit par les activités humaines. Ce changement peut être régionalement masqué par l'effet inverse induit par les aérosols qui ont tendance à refroidir l'atmosphère. Mais leurs fortes variations spatio-temporelles et l'impossibilité de les caractériser globalement induisent de larges incertitudes dans les prédictions des modèles numériques. De plus, ces incertitudes sont du même ordre de grandeur que la variation de l'effet de serre, ce qui n'est pas tolérable. Pour minimiser ces erreurs, il est nécessaire d'améliorer le panel des instruments (in situ et télédétection) capables de détecter les changements de la quantité troposphériques et stratosphériques d'aérosols et de leurs propriétés radiatives, les changements de la quantité d'eau dans l'atmosphère ainsi que les profiles de températures et les changements de la couverture nuageuse et des propriétés radiatives de ces nuages. Le forçage radiatif est un indicateur de la contribution d'un agent (gaz à effet de serre, aérosols) au changement du bilan radiatif de la planète Terre. Un de ces forçages est le forçage direct dû aux aérosols qui dépend de la profondeur optique et de la fraction de diffusion vers le haut des aérosols. Ces deux paramètres dépendent de la composition chimique et de la distribution en fonction de la taille des aérosols. Donc les principales caractéristiques de ces aérosols sont la composition chimique au travers de l'indice de réfraction et la distribution en fonction de la taille. Ce présent travail traite du développement et de la mise en opération d'un système lidar multi-longueur d'ondes à la station scientifique de la Jungfraujoch (Alt. 3560m au dessus du niveau de la mer). Ce système est une combinaison d'un lidar élastique avec un lidar à effet Raman dont la partie réceptrice a été conçue par un logiciel de ray tracing. La source laser est un laser solide Nd:YAG triplé et la lumière rétrodiffusée est collectée par deux télescopes, le premier est en configuration de Newton pour les mesures troposphérique, alors que le second est du type Cassegrain pour les futures mesures stratosphériques. Les longueurs d'ondes détectées sont les trois longueurs d'ondes du laser (355, 532 et 1064nm) rétrodiffusées élastiquement par les molécules et aérosols atmosphériques. De plus, les rétrodiffusions induites par l'effet Raman spontané sur les molécules d'azote (387 et 607nm) et sur les molécules d'eau (408nm) sont aussi utilisées. La séparation spectrale de ces signaux optiques est faite par deux polychromateurs à filtres. Ils sont construits autour de séparateurs de faisceaux et de filtres étroits avec un haut taux de réjection en dehors des bandes passantes. Sur les signaux à 532nm, un prisme de Wollaston est ajouté afin de séparer sa composante polarisée parallèlement (532(p)nm) de sa composante polarisée perpendiculairement (532(c)mn). Des photomultiplicateurs assurent la détection des signaux dans l'UV et le visible alors qu'une photodiode à effet avalanche est choisie pour les signaux dans le proche infrarouge. Le système d'acquisition des données fonctionne simultanément en mode analogique et en mode de comptage de photons. Dans le cadre du projet EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network) une intercomparaison des algorithmes et du système en lui-même a été faite. La partie dédiée aux algorithmes a aussi bien porté sur l'inversion des signaux élastiques que sur l'inversion des signaux ramans. Le micro-lidar mobile de l'Observatoire Cantonal de Neuchâtel a été utilisé lors de l'intercomparaison au niveau du système lidar. Le système actuel permet la mesure troposphérique de profiles de rétrodiffusion et d'extinction des aérosols de manière indépendentes, du rapport de dépolarisation et du rapport de mélange de la vapeur d'eau. Les incertitudes associées peuvent être plus petites que 20% et rendre possible l'extraction de la microphysique des aérosols comme la distribution volumique et des valeurs moyennes et intégrées de la distribution des aérosols en fonction de leur taille (rayon effectif, surface totale, volume total et nombre total d'aérosols). Cette extraction est faite par un logiciel de l'institut de mathématique de l'université de Postdam. Il est basé sur une méthode hybride de régularisation. Les premiers résultats obtenus avec trois valeurs de rétrodiffusion (355, 532 et 1064nm) et une valeur d'extinction (355nm) sont prometteurs. Des mesures de concentrations d'ozone et des profiles de températures sont prévus dans un proche avenir.