Publications

2012

• Multiscale data assimilation approaches and error characterisation applied to the inverse modelling ofatmospheric constituent emission fields
  
  • Koohkan Mohammad Reza
  , 2012. Data assimilation in geophysical sciences aims at optimally estimating the state of the system or some parameters of the system's physical model. To do so, data assimilation needs three types of information: observations and background information, a physical/numerical model, and some statistical description that prescribes uncertainties to each componenent of the system.In my dissertation, new methodologies of data assimilation are used in atmospheric chemistry and physics: the joint use of a 4D-Var with a subgrid statistical model to consistently account for representativeness errors, accounting for multiple scale in the BLUE estimation principle, and a better estimation of prior errors using objective estimation of hyperparameters. These three approaches will be specifically applied to inverse modelling problems focussing on the emission fields of tracers or pollutants. First, in order to estimate the emission inventories of carbon monoxide over France, in-situ stations which are impacted by the representativeness errors are used. A subgrid model is introduced and coupled with a 4D-Var to reduce the representativeness error. Indeed, the results of inverse modelling showed that the 4D-Var routine was not fit to handle the representativeness issues. The coupled data assimilation system led to a much better representation of theCO concentration variability, with a significant improvement of statistical indicators, and more consistent estimation of the CO emission inventory. Second, the evaluation of the potential of the IMS (International Monitoring System) radionuclide network is performed for the inversion of an accidental source. In order to assess the performance of the global network, a multiscale adaptive grid is optimised using a criterion based on degrees of freedom for the signal (DFS). The results show that several specific regions remain poorly observed by the IMS network. Finally, the inversion of the surface fluxes of Volatile Organic Compounds (VOC) are carried out over Western Europe using EMEP stations. The uncertainties of the background values of the emissions, as well as the covariance matrix of the observation errors, are estimated according to the maximum likelihood principle. The prior probability density function of the control parameters is chosen to be Gaussian or semi-normal distributed. Grid-size emission inventories are inverted under these two statistical assumptions. The two kinds of approaches are compared. With the Gaussian assumption, the departure between the posterior and the prior emission inventories is higher than when using the semi-normal assumption, but that method does not provide better scores than the semi-normal in a forecast experiment. (10.70675/199a1078z794cz47e6z873ez2d81667156e1)
  DOI : 10.70675/199a1078z794cz47e6z873ez2d81667156e1
• Modélisation d'une population d'aérosols multi-sources et recherche des contributions de chaque source à l'échelle urbaine avec le modèle de dispersion CHIMERE
  
  • Dergaoui Hilel
  , 2012. L'objectif de cette thèse est le développement et la validation d'un modèle numérique de la dynamique des particules en mélange externe et résolu en taille. Afin de suivre plusieurs compositions chimiques par classe de tailles, une nouvelle approche est présentée dans laquelle la composition chimique des particules est elle-même discrétisée suivant la fraction d'un ou plusieurs des constituants chimiques (e.g. suie, sulfate). Cette approche a pour but de mieux simuler l'évolution d'une population de particules à l'échelle locale et de particulariser des compositions chimiques typiques de certaines sources. Dans l'atmosphère, les particules interagissent essentiellement entre elles et avec les polluants gazeux par coagulation et condensation/évaporation. La première partie de la thèse a été consacrée à l'élaboration du modèle pour la coagulation, processus physique qui s'avère le plus complexe à modéliser selon notre approche du mélange externe. Dans un premier temps, les équations de la coagulation en mélange externe sont présentées et discrétisées suivant un nombre arbitraire de classe de tailles et de compositions chimiques. Plusieurs simulations numériques ont ensuite été effectuées avec ce modèle sur un même cas d'étude, en utilisant deux, trois et quatre composants chimiques. On vérifie à chaque fois que les résultats de la simulation numérique en mélange externe sont cohérents avec ceux du mélange interne du cas d'étude. Les résultats de ces simulations permettent d'apprécier l'effet de mélange de la coagulation qui produit, à partir de particules monocomposées, des particules bicomposées et tricomposées. Étant donné la complexité croissante d'un tel modèle, une attention toute particulière a été portée à l'implémentation numérique et à l'optimisation des algorithmes choisis. L'extension de cette approche à la condensation/évaporation constitue le prochain développement de ce modèle, nous en posons les bases théoriques en annexe. S'il existe aujourd'hui des données de mesure résolues en taille (SMPS), il n'y en a pas encore qui puissent être réellement validantes pour ce modèle de mélange externe, c'est-à-dire qui distinguent quantitativement plusieurs compositions chimiques par classe de taille. Aussi, dans la seconde partie de la thèse, nous avons envisagé le protocole d'une expérience en chambre permettant de mettre en évidence le mélange par coagulation de deux populations de particules de compositions différentes et d'apporter des données validantes pour le modèle développé. Deux séries d'expériences ont été menées, la première dans la chambre de grand volume CESAM et la seconde, dans le réacteur de petit volume de l'INERIS. La première série a mis en évidence l'homococagulation de chaque distribution polydispersée prise séparément et dans une moindre mesure, l'hétérocoagulation des deux distributions de nature différentes (NaBr et KBr) entre elles. La seconde série a montré la possibilité d'observer simultanément deux distributions monodispersées de particules de compositions différentes (CaSO4 et KBr), prérequis pour ce cas. Au final, les résultats de mesure se sont avérés insuffisants pour produire des données validantes pour le modèle, à cause du trop grand écart-type des distributions polydispersées dans la chambre de grand volume et à cause du dépôt au paroi qui domine dans le réacteur de petit volume. Des analyses au microscope électronique ont cependant attesté de la présence de particules issues de la coagulation entre les deux natures. A la suite des différentes expériences menées, nous revenons sur le protocole envisagé et proposons quelques pistes d'améliorations (10.70675/b76c1685ze3aaz4951zaaedz24127f99af8a)
  DOI : 10.70675/b76c1685ze3aaz4951zaaedz24127f99af8a
• Prévisibilité saisonnière de la glace de mer de l'océan Arctique
  
  • Chevallier Matthieu
  , 2012. La glace de mer Arctique connaît actuellement de profondes mutations dans sa structure et sa variabilité. Le déclin récent de la couverture estivale de glace de mer Arctique, qui a atteint un nouveau record en septembre 2012, a relancé l'intérêt stratégique de cette région longtemps oubliée. La prévision de glace de mer à l'échelle saisonnière est ainsi un problème d'océanographie opérationnelle qui pourrait intéresser nombre d'acteurs économiques (pêche, énergie, recherche, tourisme). De plus, en tant que conditions aux limites pour l'atmosphère, la glace de mer peut induire une prévisibilité de l'atmosphère à l'échelle saisonnière, au même titre que les anomalies de température de surface de l'océan sous les tropiques. Nous présentons dans cette thèse la construction d'un système de prévisions saisonnières dédié à la glace de mer Arctique avec le modèle couplé CNRM-CM5.1, développé conjointement par le CNRM-GAME et le CERFACS. Nous passons en revue la stratégie d'initialisation, la réalisation et l'évaluation des hindcasts (ou rétro-prévisions). La communauté dispose d'observations de concentration de glace de mer, mais de très peu de données d'épaisseur à l'échelle du bassin. Afin d'initialiser la glace de mer et l'océan dynamiquement et thermodynamiquement, nous avons choisi d'utiliser la composante océan-glace de mer de CNRM-CM5.1, NEMO-GELATO. L'initialisation consiste à forcer NEMO-GELATO avec les champs météorologiques issus de la réanalyse ERA-Interim, sur la période 1990-2010. Des corrections appliquées aux forçages basées sur des observations satellitaires et in-situ nous permettent d'obtenir une bonne simulation de l'océan et de la glace de mer en terme d'état moyen et de variabilité interannuelle. L'épaisseur reste néanmoins sous-estimée. Quelques propriétés de prévisibilité intrinsèque de la glace de mer Arctique sont ensuite présentées. Une étude de prévisibilité potentielle diagnostique nous a permis de distinguer deux modes de prévisibilité de la glace de mer à l'aide du volume et de la structure sous-maille d'épaisseur. Un « mode de persistance » concerne la prévisibilité de la couverture d'hiver. La surface de glace de mars est potentiellement prévisible à 3 mois à l'avance par la seule persistance, et dans une moindre mesure à l'aide des surfaces couvertes par la glace relativement fine. Un « mode de mémoire » concerne la prévisibilité de la couverture estivale. La surface de glace de septembre est potentiellement prévisible jusqu'à 6 mois à l'avance à l'aide du volume et surtout de la surface couverte par la glace relativement épaisse. Ces résultats suggèrent donc qu'une bonne initialisation du volume et de la structure d'épaisseur en fin d'hiver permettrait une bonne prévisibilité des étendues de fin d'été. Les prévisions d'été et d'hiver présentent des scores particulièrement encourageants, que ce soit en anomalies brutes ou en anomalies par rapport à la tendance linéaire. Cela suggère une prévisibilité liée à l'état initial et non aux forçages externes imposés. L'analyse des prévisions d'été montre que le volume et les structures d'épaisseur de l'état initial expliquent l'essentiel des différentes prévisions, ce qui confirme l'existence du « mode de mémoire » malgré un fort biais radiatif. L'analyse des prévisions d'hiver suggère que l'étendue initiale explique une partie des différentes prévisions, un indice du « mode de persistance » des prévisions hivernales. Une analyse régionale des prévisions d'hiver permet de préciser le rôle de l'océan dans ces prévisions, et montre dans quelle mesure nos prévisions pourraient être utilisées de manière opérationnelle, notamment en mer de Barents (10.70675/2064caa4z9b95z410dzbca4z318a9e7df76f)
  DOI : 10.70675/2064caa4z9b95z410dzbca4z318a9e7df76f
• Real-time air quality forecasting, part I: History, techniques, and current status
  
  • Zhang Yang
  • Bocquet Marc
  • Mallet Vivien
  • Seigneur Christian
  • Baklanov Alexander
  Atmospheric Environment, Elsevier, 2012, 60, pp.632-655. Real-time air quality forecasting (RT-AQF), a new discipline of the atmospheric sciences, represents one of the most far-reaching development and practical applications of science and engineering, poses unprecedented scientific, technical, and computational challenges, and generates significant opportunities for science dissemination and community participations. This two-part review provides a comprehensive assessment of the history, current status, major research and outreach challenges, and future directions of RT-AQF, with a focus on the application and improvement of three-dimensional (3-D) deterministic RT-AQF models. In Part I, major milestones in the history of RT-AQF are reviewed. The fundamentals of RT-AQF are introduced. Various RT-AQF techniques with varying degrees of sophistication and skills are described comparatively. Among all techniques, 3-D RT-AQF models with online-coupled meteorology-chemistry and their transitions from mesoscale to unified model systems across scales represent a significant advancement and would greatly enhance understanding of the underlying complex interplay of meteorology, emission, and chemistry from global to urban scales in the real atmosphere. Current major 3-D global and regional RT-AQF models in the world are reviewed in terms of model systems, component models, application scales, model inputs, forecast products, horizontal grid resolutions, and model treatments of chemistry and aerosol processes. An important trend of such models is their coupling with an urban model or a computational fluid dynamic model for urban/local scale applications at 1 km or less and with an exposure model to provide real-time public health assessment and exposure predictions. Evaluation protocols are described along with examinations of current forecasting skills and areas with large biases of major RT-AQF models. (10.1016/j.atmosenv.2012.06.031)
  DOI : 10.1016/j.atmosenv.2012.06.031
• Real-time air quality forecasting, part II: State of the science, current research needs, and future prospects
  
  • Zhang Yang
  • Bocquet Marc
  • Mallet Vivien
  • Seigneur Christian
  • Baklanov Alexander
  Atmospheric Environment, Elsevier, 2012, 60, pp.656-676. The review of major 3-D global and regional real-time air quality forecasting (RT-AQF) models in Part I identifies several areas of improvement in meteorological forecasts, chemical inputs, and model treatments of atmospheric physical, dynamic, and chemical processes. Part II highlights several recent scientific advances in some of these areas that can be incorporated into RT-AQF models to address model deficiencies and improve forecast accuracies. Current major numerical, statistical, and computational techniques to improve forecasting skills are assessed. These include bias adjustment techniques to correct biases in forecast products, chemical data assimilation techniques for improving chemical initial and boundary conditions as well as emissions, and ensemble forecasting approaches to quantify the uncertainties of the forecasts. Several case applications of current 3-D RT-AQF models with the state-of-the-science model treatments, a detailed urban process module, and an advanced combined ensemble/data assimilation technique are presented to illustrate current model skills and capabilities. Major technical challenges and research priorities are provided. A new generation of comprehensive RT-AQF model systems, to emerge in the coming decades, will be based on state-of-the-science 3-D RT-AQF models, supplemented with efficient data assimilation techniques and sophisticated statistical models, and supported with modern numerical/computational technologies and a suite of real-time observational data from all platforms. (10.1016/j.atmosenv.2012.02.041)
  DOI : 10.1016/j.atmosenv.2012.02.041
• Études du transport de la neige par le vent en conditions alpines : observations et simulations à l'aide d'un modèle couplé atmosphère/manteau neigeux
  
  • Vionnet Vincent
  , 2012. Le transport de la neige par le vent est une composante importante de l'interaction entre l'atmosphère et la cryosphère. En zone de montagne, il influence la distribution temporelle et spatiale de la couverture neigeuse au cours de l'hiver et a en premier lieu des conséquences sur le danger d'avalanche. La modélisation numérique de ce phénomène permet d'étudier les interactions complexes entre le manteau neigeux et le vent et d'en estimer les conséquences de manière distribuée. Dans ce contexte, cette thèse décrit le développement et l'évaluation d'un modèle couplé atmosphère/manteau neigeux dédié à l'étude du transport de la neige par le vent en zone de montagne reposant sur le modèle atmosphérique Meso-NH et le modèle détaillé de manteau neigeux Crocus. Le transport de la neige par le vent a été étudié sur le site expérimental du Col du Lac Blanc (massif des Grandes Rousses, France). Une base de données d'épisodes de transport couvrant dix hivers a tout d'abord été utilisée pour déterminer les caractéristiques principales de ces épisodes. Des simulations avec le modèle Crocus (non couplé à Meso-NH) ont ensuite montré qu'il était nécessaire de tenir compte des transformations mécaniques des grains de neige induites par le vent afin de simuler une évolution réaliste de la vitesse seuil de transport. Le site expérimental a également été le siège de deux campagnes de mesures en 2011 et 2012 visant à collecter de données de validation pour le modèle. Elles renseignent sur les conditions météorologiques près de la surface, sur les quantités de neige transportées et sur la localisation des zones d'érosion et de dépôt de la neige grâce à l'utilisation d'un laser terrestre. Le modèle de transport de neige par le vent Meso-NH/Crocus a été développé. Il intègre le transport de la neige en saltation et en suspension turbulente ainsi que la sublimation des particules de neige transportée. Un schéma à deux moments permet de simuler l'évolution spatiale et temporelle de la distribution en taille des particules. L'utilisation d'un schéma de couche limite de surface à l'interface entre Meso-NH et Crocus s'est révélé nécessaire pour représenter les forts gradients de concentration en particules de neige observés près de la surface. Meso-NH/Crocus est le premier modèle couplé atmosphère/manteau neigeux capable de simuler de manière interactive le transport de la neige par le vent en zone alpine. Meso-NH/Crocus a été évalué en relief réel grâce aux données collectées lors de la première campagne de mesure en 2011. La simulation d'un épisode de transport sans chute de neige simultanée montre que le modèle reproduit de manière satisfaisante les principales structures d'un écoulement en relief complexe ainsi que les profils verticaux de vitesse de vent et de flux de particules de neige en suspension près de la surface. En revanche, la résolution horizontale de 50 m est insuffisante pour reproduire avec précision la localisation des zones d'érosion et de dépôt autour du Col du Lac Blanc. La prise en compte de la sublimation réduit la quantité de neige déposée de l'ordre de 5%.Les techniques de descente d'échelle dynamique (grid nesting) ont ensuite été utilisées pour simuler un second épisode de transport avec chute de neige. L'augmentation de la résolution horizontale intensifie les contrastes de vitesse de vent entre versants au vent et sous le vent. En revanche, elle modifie peu les quantités et les structures spatiales des précipitations solides autour du Col du Lac Blanc. Lorsqu'il est activé, le transport devient la principale source d'hétérogénéités des accumulations neigeuses (10.70675/b18f2265z8b63z40ddzb52bz3d644ce75da9)
  DOI : 10.70675/b18f2265z8b63z40ddzb52bz3d644ce75da9
• Méthodes de prévision d’ensemble pour l’étude de la prévisibilité à l’échelle convective des épisodes de pluies intenses en Méditerranée
  
  • Vié Benoît
  , 2012. L'évaluation de l'incertitude associée à la prévision numérique du temps à haute résolution, et en particulier l'estimation de la prévisibilité des événements de fortes précipitations en région méditerranéenne, sont les objectifs de ce travail de thèse. Nous avons procédé à l'étude de quatre sources d'incertitude contrôlant la prévisibilité de ces événements : la description des conditions d'échelle synoptique, la représentation des conditions atmosphériques à méso-échelle (notamment le flux de basses couches alimentant le système convectif), le rôle de processus physiques complexes tels que l'établissement d'une plage froide sous orage, et enfin la définition des conditions de surface. Pour quantifier l'impact de ces différentes sources d'incertitude, nous avons opté pour la méthode des prévisions d'ensemble avec le modèle AROME. Chaque source d'incertitude est étudiée individuellement à travers la génération de perturbations pertinentes, et les ensembles ainsi obtenus sont évalués dans un premier temps pour des cas de fortes précipitations. Nous avons aussi procédé à une évaluation statistique du comportement des prévisions d'ensemble réalisées sur des périodes de prévision longues de deux à quatre semaines. Cette évaluation, ainsi que celle de systèmes de prévision d'ensemble échantillonnant plusieurs sources d'incertitude simultanément, permettent d'établir une hiérarchisation de ces sources d'incertitude et enfin quelques recommandations en vue de la mise en place d'un système de prévision d'ensemble à échelle convective opérationnel à Météo-France (10.70675/184bc5adz4b68z474azb542zabefdff07da9)
  DOI : 10.70675/184bc5adz4b68z474azb542zabefdff07da9
• Modélisation et simulation numérique de la dynamique des nanoparticules appliquée aux atmosphères libres et confinées
  
  • Devilliers Marion
  , 2012. Il est probable qu'à terme les émissions de nanoparticules soient réglementées et ce sont donc les concentrations en nombre qui seront considérées. Il convient donc d'adapter les modèles afin de pouvoir simuler correctement les concentrations en nombre, dans les ambiances confinées comme dans l'atmosphère. Un modèle de dynamique des particules capable de suivre avec autant de précision la concentration en nombre que la concentration en masse, avec un temps de calcul optimal, a été développé. La dynamique des particules dépend de divers processus, les plus importants étant la condensation/évaporation, suivie par la nucléation, la coagulation, et les phénomènes de dépôts. Ces processus sont bien connus pour les particules fines et grossières, mais dans le cas des nanoparticules, certains phénomènes additionnels doivent être pris en compte, notamment l'effet Kelvin pour la condensation/ évaporation et les forces de van der Waals pour la coagulation. Le travail a tout d'abord porté sur le processus de condensation/évaporation, qui s'avère être le plus compliqué numériquement. Les particules sont présumées sphériques. L'effet Kelvin est pris en compte car il devient considérable pour les particules de diamètre inférieur à 50 nm. Les schémas numériques utilisés reposent sur une approche sectionnelle : l'échelle granulométrique des particules est discrétisée en sections, caractérisées par un diamètre représentatif. Un algorithme de répartition des particules est utilisé, après condensation/évaporation, afin de conserver les diamètres représentatifs à l'intérieur de leurs sections respectives. Cette redistribution peut se faire en terme de masse ou de nombre. Un des points clé de l'algorithme est de savoir quelle quantité, de la masse ou du nombre, doit être redistribuée. Une approche hybride consistant à répartir la quantité dominante dans la section de taille considérée (le nombre pour les nanoparticules et la masse pour les particules fines et grossières) a été mise en place et a permis d'obtenir une amélioration de la précision du modèle par rapport aux algorithmes existants, pour un large choix de conditions. Le processus de coagulation pour les nanoparticules a aussi été résolu avec une approche sectionnelle. La coagulation est régie par le mouvement brownien des nanoparticules. Pour cette approche, il a été constaté qu'il est plus efficace de calculer le noyau de coagulation en utilisant le diamètre représentatif de la section plutôt que de l'intégrer sur la section entière. Les simulations ont aussi pu montrer que les interactions de van der Waals amplifient fortement le taux de coagulation pour les nanoparticules. La nucléation a été intégrée au modèle nouvellement développé en incorporant un terme source de nanoparticules dans la première section, commençant à un nanomètre. La formulation de ce taux de nucléation correspond à celle de l'acide sulfurique mais le traitement des interactions numériques entre nucléation, coagulation et condensation/évaporation est générique. Différentes stratégies de couplage visant à résoudre séparément ou en même temps les trois processus sont discutées. Afin de pouvoir proposer des recommandations, différentes méthodes numériques de couplage ont été développées puis évaluées par rapport au temps de calcul et à la précision obtenue en terme de concentration massique et numérique (10.70675/008c7cabz0e22z4050za7d3zbd7fe7b5f679)
  DOI : 10.70675/008c7cabz0e22z4050za7d3zbd7fe7b5f679
• Modélisation multi échelles de l'impact du trafic routier sur la qualité de l'air
  
  • Briant Régis
  , 2012. Le trafic routier contribue à la pollution atmosphérique aussi bien à proximité des voies avec des polluants tels que le dioxyde d'azote (NO2), les particules (PM) et certains composés organiques volatils (COV) qu'à des échelles spatiales plus grandes (pollution de fond urbaine et régionale) avec des polluants formés dans l'atmosphère tels que l'ozone (O3) et la fraction secondaire des particules. Étant donné les interactions entre pollution de proximité et pollution de fond, il est souhaitable de combiner en un seul outil de calcul des modèles à échelles locale et régionale. Cette méthode de modélisation multi-échelles a été largement utilisée pour simuler l'impact des émissions de cheminées (sources ponctuelles) avec des modèles de panache traités en sous-maille d'un modèle eulérien tri-dimensionnel. Cependant, une telle méthode n'est pas applicable à un réseau routier en raison des temps de calcul prohibitifs associés à la discrétisation d'une source linéique en un ensemble de sources ponctuelles. Par conséquent, une nouvelle méthode de modélisation multi-échelles a été développée, qui traite les panaches émis par des sources linéiques en sous-maille d'un modèle eulérien. Tout d'abord, une formulation améliorée d'un modèle gaussien de panache linéique a été développée. Ce nouveau modèle à ensuite fait l'objet d'une évaluation détaillée avec des mesures en proximité de routes ainsi qu'avec d'autres modèles gaussiens. La combinaison de ce modèle gaussien et d'un modèle eulérien (Polair3D) a été implémentée dans la plate-forme de modélisation Polyphemus. Les performances (temps de calcul et précision) du nouveau modèle de panache en sous-maille ont été évaluées et comparées aux performances des modèles gaussien et eulérien seuls. Ce modèle multi-échelles traite la chimie des oxydes d'azote (NOx) et des principaux COV. Le traitement multi-échelles a un effet important sur les concentrations de certains polluants en termes de pollutions de proximité et de fond urbain (10.70675/c1bd6305z0730z4b7ez8efez116b56ef82c8)
  DOI : 10.70675/c1bd6305z0730z4b7ez8efez116b56ef82c8
• Modélisation des particules organiques dans l'atmosphère
  
  • Couvidat Florian
  , 2012. La formation des aérosols organiques dans l'atmosphère est étudiée via le développement d'un nouveau modèle de formation d'aérosols organiques secondaires nommé H²O (Hydrohilic/Hydrophobic Organics). Dans un premier temps, une paramétrisation de la formation d'aérosols via l'oxydation de l'isoprène est développée. Cette paramétrisation prend notamment en compte l'influence des concentrations d'oxydes d'azote sur la formation d'aérosols et leurs propriétés hydrophiles. Ensuite, H²O incluant cette paramétrisation et d'autres développements est évalué par comparaison aux mesures de carbone organique sur l'Europe. Prendre en compte les émissions de composés semi-volatils primaires gazeux (qui peuvent former des aérosols organiques secondaires après oxydation ou se condenser lors de baisses de température) améliore les performances du modèle de manière significative. En revanche, si les émissions de ces composés ne sont pas prises en compte, il en résulte une très forte sous-estimation des concentrations d'aérosols organiques en hiver. La formation d'aérosols organiques secondaires sur l'Île-de-France durant la campagne d'été de Megapoli (juillet 2009) a aussi été simulée pour évaluer les performances du modèle en zone urbaine. H²O donne de bons résultats sur l'Île-de-France bien que le modèle prévoit un pic d'aérosols organiques, provenant des émissions du trafic durant les heures de pointe, qui n'apparaît pas dans les mesures. La présence de ce pic dans les résultats du modèle peut être due à la sous-estimation de la volatilité des composés semi-volatils primaires. Il est aussi possible que les composés organiques primaires et les composés organiques secondaires ne se mélangent pas et que les composés semi-volatils primaires ne peuvent pas se condenser sur un aérosol organique majoritairement secondaire et très oxydé. Enfin, l'impact de la chimie aqueuse est étudié. Le mécanisme utilisé inclue notamment, la formation d'aérosols organiques secondaires dans la phase aqueuse des nuages par oxydation du glyoxal, du méthylglyoxal, de la méthacroleine et de la méthyl-vinyl-cétone, la formation de méthyltétrols dans la phase aqueuse des particules ou des gouttes d'eau des nuages et le vieillissement des aérosols organiques dans un nuage. L'impact des dépôts humides sur la formation d'aérosols est aussi étudié pour mieux caractériser l'impact des nuages sur les concentrations d'aérosols organiques (10.70675/6596dd55z81e6z494dzbdf9zcedf9bdc5152)
  DOI : 10.70675/6596dd55z81e6z494dzbdf9zcedf9bdc5152
• Finite-size ensemble Kalman filters (EnKF-N) - Iterative ensemble Kalman smoothers (IEnKS)
  
  • Bocquet Marc
  , 2012. No abstract.
• Ensemble forecast of analyses with uncertainty estimation
  
  • Mallet Vivien
  • Stoltz Gilles
  • Zhuk Sergiy
  • Nakonechniy Alexander
  , 2012. Ensemble forecast of analyses (EFA) couples a classical data assimilation method with sequential aggregation of ensemble forecasts. The assimilation method produces analyses whenever new observations become available. At the same time, an ensemble of given simulations is generated in order to forecast future time steps. The objective of EFA is to forecast the upcoming analyses (to be generated with the future observations) with a linear combination of the ensemble of forecasts. The weights of the linear combination depend on the ensemble simulation, on time and on the state component. Hence, for any forecast variable and at any location in space, EFA linearly combines the ensemble of forecasts to produce one single forecast of the upcoming analysis for the given variable at the given location. In previous work, aggregation was carried out by machine learning algorithms that are well adapted to operational forecasting as they enjoy robustness properties. The approach is indeed applied on the French national air quality forecasting platform, Prév'air. Nevertheless, the method does not provide uncertainty estimations. Instead of machine learning, we propose to apply a minimax filter on the aggregation weights, which allows us to preserve the forecast performance while introducing uncertainty estimation along with the forecasts. The approach forecasts the upcoming analyses, which are the best a posteriori representation of the real state in some sense, significantly better than any model. A Kalman filter can also be applied on the aggregation weights; we will discuss how it compares to the minimax filter in this context. The method will be illustrated for the forecast of peak ozone concentration fields over Europe, based on an ensemble of chemistry-transport models.
• Coupling reduced models for optimal motion estimation
  
  • Drifi Karim
  • Herlin Isabelle
  , 2012, pp.2651-2654. The paper discusses the issue of motion estimation by image assimilation in numerical models, based on Navier-Stokes equations. In such context, models' reduction is an attractive approach that is used to decrease cost in memory and computation time. A reduced model is obtained from a Galerkin projection on a subspace, defined by its orthogonal basis. Long temporal image sequences may then be processed by a sliding-window method. On the first sub-window, a fixed basis is considered to define the reduced model. On the next ones, a Principal Order Decomposition is applied, in order to define a basis that is simultaneously small-size and adapted to the studied image data. Results are given on synthetic data and quantified according to state-of-the-art methods. Application to satellite images demonstrates the potential of the approach.
• Assessment of the amount of Cesium-137 released into the Pacific Ocean after the Fukushima accident and analysis of its dispersion in Japanese coastal waters
  
  • Estournel Claude
  • Bosc Emmanuel
  • Bocquet Marc
  • Ulses Caroline
  • Marsaleix Patrick
  • Winiarek Victor
  • Osvath Iolanda
  • Nguyen Cyril
  • Duhaut Thomas
  • Lyard Florent
  • Michaud Eloïse
  • Auclair Francis
  Journal of Geophysical Research. Oceans, Wiley-Blackwell, 2012, 117 (C11014), pp.n/a-n/a. Numerical modeling was used to provide a new estimate of the amount of 137Cs released directly into the ocean from the Fukushima Daiichi nuclear power plant (NPP) after the accident in March 2011 and to gain insights into the physical processes that led to its dispersion in the marine environment during the months following the accident. An inverse method was used to determine the time-dependent 137Cs input responsible for the concentrations observed at the NPP's two liquid discharge outlets. The method was then validated through comparisons of the simulated concentrations with concentrations measured in seawater at different points in the neighborhood of the plant. An underestimation was noticed for stations located 30 km offshore. The resulting bias in the release inventory was estimated. Finally, the maximum 137Cs activity released directly to the ocean was estimated to lie between 5.1 and 5.5 PBq (Peta Becquerel = 1015 Bq) but uncertainties remain on the amount of radionuclides released during the first few days after the accident. This estimate was compared to previous ones and differences were analyzed further. The temporal and spatial variations of the 137Cs concentration present in the coastal waters were shown to be strongly related to the wind intensity and direction. During the first month after the accident, winds blowing toward the south confined the radionuclides directly released into the ocean to a narrow coastal band. Afterwards, frequent northward wind events increased the dispersion over the whole continental shelf, leading to strongly reduced concentrations. (10.1029/2012JC007933)
  DOI : 10.1029/2012JC007933
• Divergence-Free Motion Estimation
  
  • Herlin Isabelle
  • Béréziat Dominique
  • Mercier Nicolas
  • Zhuk Sergiy
  , 2012, 7575, pp.15-27. This paper describes an innovative approach to estimate motion from image observations of divergence-free flows. Unlike most state-of-the-art methods, which only minimize the divergence of the motion field, our approach utilizes the vorticity-velocity formalism in order to construct a motion field in the subspace of divergence free functions. A 4DVAR-like image assimilation method is used to generate an estimate of the vorticity field given image observations. Given that vorticity estimate, the motion is obtained solving the Poisson equation. Results are illustrated on synthetic image observations and compared to those obtained with state-of-the-art methods, in order to quantify the improvements brought by the presented approach. The method is then applied to ocean satellite data to demonstrate its performance on the real images. (10.1007/978-3-642-33765-9_2)
  DOI : 10.1007/978-3-642-33765-9_2
• Non Linear Observation Equation For Motion Estimation
  
  • Béréziat Dominique
  • Herlin Isabelle
  , 2012, pp.1521-1524. The paper addresses the estimation of motion on an image se­quence by data assimilation methods. The core of the study concerns the definition of the data term, or observation equa­tion, that links images to the underlying motion field. In the image processing literature, the optical flow equation is usually chosen to characterize these links. It expresses the Lagrangian constancy of grey level values in time. How­ever, this optical flow equation is obtained by linearization and is no more valid in case of large displacements. The paper discusses the improvement obtained with the original non-linear transport equation of the image brightness by the velocity field. A 4D-Var data assimilation method is applied that solves the evolution equation of motion and the observation equation in its non-linear and linear forms. The com­parison of results obtained with both observation equations is quantified on synthetic data and discussed on oceanographic Sea Surface Temperature images. (10.1109/ICIP.2012.6467161)
  DOI : 10.1109/ICIP.2012.6467161
• Caractérisation des aérosols organiques à Beyrouth, Liban
  
  • Waked Antoine
  , 2012. La connaissance des sources primaires (combustion des énergies fossiles, combustion de la biomasse, éruptions des volcans, etc.) et secondaires (oxydation des composés organiques volatils (COV) suivie de la condensation formant des composés organiques particulaires) de l'aérosol organique ainsi que la caractérisation et la quantification de sa composition chimique restent un défit majeur, en particulier dans la région du Moyen Orient où les études de caractérisation de l'aérosol organique n'existent pas jusqu'à présent. Le Liban, un pays du Moyen Orient qui se situe au bord du bassin méditerranéen, représente un bon exemple pour la caractérisation des aérosols organiques dans cette région. Les travaux menés durant cette thèse s'inscrivent dans un objectif de l'étude de la qualité de l'air à Beyrouth (la capitale du Liban) en se concentrant plus spécifiquement sur les aérosols organiques. Tout d'abord, cette thèse a permis le développement d'un inventaire des émissions pour les gaz et les particules pour le Liban avec une résolution spatiale de 5 km x 5 km et pour la capitale Beyrouth avec une résolution spatiale de 1 km x 1 km. Les résultats obtenus indiquent que le transport routier est la source majoritaire responsable des émissions de monoxyde de carbone (CO), d'oxydes d'azote (NOX) et de composés organiques volatils non méthaniques (COVNM), tandis que les industries et les centrales électriques sont les principaux émetteurs des émissions de dioxyde de souffre (SO2) et des particules primaires. Ensuite, afin de caractériser les concentrations des polluants et plus spécialement la fraction organique des particules, deux campagnes de mesures intensives de 15 jours chacune ont été menées sur un site semi-urbain situé dans la banlieue de Beyrouth. Une première campagne estivale s'est déroulée en juillet 2011 et une deuxième campagne hivernale en février 2012. Ces campagnes, qui s'inscrivent dans le cadre du projet ECOCEM (Emission and Chemistry of Organic Carbon in East Mediterranean Beirut) ont permis une spéciation moléculaire et une catégorisation des sources en été et en hiver de l'aérosol organique au site de mesures où les campagnes ont été menées. En été, les précurseurs biogéniques tels que les monoterpènes et les sesquiterpènes qui aboutissent à la formation des aérosols organiques secondaires biogéniques sont la principale source à cause de l'insolation intensive et les températures élevées qui favorisent les émissions et les réactions de photo-oxydations. En hiver, la combustion de la biomasse est la principale source en raison de la combustion du bois dans le secteur résidentiel pour le chauffage. Enfin, les concentrations ambiantes des polluants à Beyrouth ont été simulées durant le mois de juillet 2011 à partir de données de l'inventaire des émissions développé dans le cadre de cette thèse en utilisant le modèle de chimie-transport Polyphemus/Polair3D. Les concentrations de polluants simulées avec le modèle ont été comparées aux concentrations mesurées durant la campagne estivale afin d'évaluer le modèle. Les résultats obtenus révèlent que le modèle est capable de simuler de manière satisfaisante les concentrations d'ozone (O3), de NOX et la plupart des composés présents dans les particules fines. Les différences entre le modèle et les mesures peuvent résulter des incertitudes dans les données d'entrée qui ont une très grande influence sur les sorties du modèle. Pour cela, une réduction des incertitudes engendrées par les données d'entrée et plus spécifiquement celles liées à l'inventaire des émissions est nécessaire. Par ailleurs, des mesures chimiques sur plusieurs sites sont aussi nécessaires dans le futur afin de mieux évaluer les simulations des concentrations de polluants (10.70675/30ad4effz3007z48fcz878bz60fc9b0c83f4)
  DOI : 10.70675/30ad4effz3007z48fcz878bz60fc9b0c83f4
• Minimax optical flow estimation from a sequence of 2D images
  
  • Herlin Isabelle
  • Nakonechnyi Olexander
  • Zhuk Sergiy
  , 2012. Apparent motion estimation, from an image sequence, is one crucial issue for the Image Processing community in a wide range of applicative domains. When dealing with environmental applications, it allows to study the tracking of clouds on satellite meteorological data and the surface circulation on ocean acquisitions. During the last twenty years, many authors investigated the issue of fluid flow motion estimation, see for instance [4] for a detailed survey.
• Monitoring surface currents from uncertain image observations
  
  • Herlin Isabelle
  • Huot Etienne
  , 2012. No abstract
• Road traffic impact on water quality in an urban catchment (Grigny, France): a step towards integrated traffic, air and stormwater modelling
  
  • Fallahshorshani Masoud
  • Bonhomme Céline
  • Petrucci Guido
  • André Michel
  • Seigneur Christian
  , 2012. Methods for simulating air quality due to vehicles and the associated effects on stormwater runoff quality in an urban environment and their coupling are examined. To achieve this aim, the models (traffic, emission, atmospheric dispersion, and stormwater) must be carefully selected according to the special requirements and the level of details needed for the integrated system. The present study focuses on the interface between the air quality and stormwater models. The development of this interface raises questions concerning the processes treated to represent mass transfer between the atmosphere and stormwater. Moreover, other pollutant sources are added to road pollutants in an urban context: the evaluation of this new modelling chain with observations needs to distinguish between pollutants linked to traffic emissions and other pollutants. To assess the contamination of water runoff induced by traffic, concentrations of cadmium (Cd), lead (Pb), and zinc (Zn) in the Grigny catchment in France were simulated using typical pollutant deposition fluxes measured at roadside. The highest simulated concentrations of Cd, Pb, and Zn at the outlet were 2.12, 284.61, and 1757 µg L-1 respectively. These results show that pollutant concentrations are increased up to three times with an explicit description of road contaminant sources. Therefore, an exhaustive knowledge of the spatial distribution of roads with heavy traffic is important to predict water quality in urban areas.
• Correction to "Estimation of errors in the inverse modeling of accidental release of atmospheric pollutant: Application to the reconstruction of the cesium-137 and iodine-131 source terms from the Fukushima Daiichi power plant
  
  • Winiarek Victor
  • Bocquet Marc
  • Saunier Olivier
  • Mathieu Anne
  Journal of Geophysical Research: Atmospheres, American Geophysical Union, 2012, 117 (D18118). Correction to "Estimation of errors in the inverse modeling of accidental release of atmospheric pollutant: Application to the reconstruction of the cesium-137 and iodine-131 source terms from the Fukushima Daiichi power plant, (10.1029/2012JD018107)
  DOI : 10.1029/2012JD018107
• Learning reduced models for motion estimation on long temporal image sequences
  
  • Herlin Isabelle
  • Drifi Karim
  , 2012, pp.248-251. This paper describes a sliding windows assimilation method, that allows estimating motion on long temporal image sequences, thanks to data assimilation techniques. The method splits the initial temporal window in sub-windows, on which reduced models are computed that allow to process images in quasi-real time. The method is quantified with twin experiments to demonstrate its potential for processing long-term satellite data. The main perspective is to replace the bases Ψξ of the reduced models, which are obtained with a Principal Order Decomposition, by a fixed basis. In that case, even the first sub-window could be processed by a reduced model, in order to further reduce the computational requirements. Moreover, this fixed basis should be defined as satisfying optimality criteria, which translate properties on motion fields and image data. In that way, the method will be able to process long satellite sequences acquired over a full basin, as the Black Sea. (10.1109/IGARSS.2012.6351591)
  DOI : 10.1109/IGARSS.2012.6351591
• Multilayer snowpack backscattering model and assimilation of TERRASAR-X satellite data
  
  • Phan Xuan Vu
  • Ferro-Famil Laurent
  • Gay Michel
  • Durand Yves
  • Dumont Marie
  • d'Urso Guy
  , 2012, pp.5856-5859. The advantages of the new generation of radar systems with high resolution image, short revisit time provide the possibility of characterization and monitoring the evolution of the cryoshpere. In this paper, we propose an adaptation of the multilayer snow backscattering model based on radiative transfer theory in order to estimate the total backscattering coefficient of high frequency (X-band) electromagnetic wave on snowcover area. Next, from the physical model, we develop the adjoint operator and implement a variational assimilation scheme in order to constrain the snow stratigraphy profiles calculated by CROCUS, a snow metamorphism model used by MeteoFrance. Some tests are carried out with TerraSAR-X image data. The results show that the snow stratigraphy profiles obtained after the data assimilation process have good agreement with the measured profiles, and therefore show the high potential of this method in constraining the snowpack profiles of CROCUS.
• Accounting for representativeness errors in the inversion of atmospheric constituent emissions: application to the retrieval of regional carbon monoxide fluxes
  
  • Koohkan Mohammad Reza
  • Bocquet Marc
  Tellus B - Chemical and Physical Meteorology, Taylor & Francis, 2012, 64 (19047). A four-dimensional variational data assimilation system (4D-Var) is developed to retrieve carbon monoxide (CO) fluxes at regional scale, using an air quality network. The air quality stations that monitor CO are proximity stations located close to industrial, urban or traffic sources. The mismatch between the coarsely discretised Eulerian transport model and the observations, inferred to be mainly due to representativeness errors in this context, lead to a bias (average simulated concentrations minus observed concentrations) of the same order of magnitude as the concentrations. 4D-Var leads to a mild improvement in the bias because it does not adequately handle the representativeness issue. For this reason, a simple statistical subgrid model is introduced and is coupled to 4D-Var. In addition to CO fluxes, the optimisation seeks to jointly retrieve influence coefficients, which quantify each station's representativeness. The method leads to a much better representation of the CO concentration variability, with a significant improvement of statistical indicators. The resulting increase in the total inventory estimate is close to the one obtained from remote sensing data assimilation. This methodology and experiments suggest that information useful at coarse scales can be better extracted from atmospheric constituent observations strongly impacted by representativeness errors. (10.3402/tellusb.v64i0.19047)
  DOI : 10.3402/tellusb.v64i0.19047
• Potential of the International Monitoring System radionuclide network for inverse modelling
  
  • Koohkan Mohammad Reza
  • Bocquet Marc
  • Wu Lin
  • Krysta Monika
  Atmospheric Environment, Elsevier, 2012, 54, pp.557-567. The International Monitoring System (IMS) radionuclide network enforces the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty which bans nuclear explosions. We have evaluated the potential of the IMS radionuclide network for inverse modelling of the source, whereas it is usually assessed by its detection capability. To do so, we have chosen the degrees of freedom for the signal (DFS), a well established criterion in remote sensing, in order to assess the performance of an inverse modelling system. Using a recent multiscale data assimilation technique, we have computed optimal adaptive grids of the source parameter space by maximising the DFS. This optimisation takes into account the monitoring network, the meteorology over one year (2009) and the relationship between the source parameters and the observations derived from the FLEXPART Lagrangian transport model. Areas of the domain where the grid-cells of the optimal adaptive grid are large emphasise zones where the retrieval is more uncertain, whereas areas where the grid-cells are smaller and denser stress regions where more source variables can be resolved. The observability of the globe through inverse modelling is studied in strong, realistic and small model error cases. The strong error and realistic error cases yield heterogeneous adaptive grids, indicating that information does not propagate far from the monitoring stations, whereas in the small error case, the grid is much more homogeneous. In all cases, several specific continental regions remain poorly observed such as Africa as well as the tropics, because of the trade winds. The northern hemisphere is better observed through inverse modelling (more than 60% of the total DFS) mostly because it contains more IMS stations. This unbalance leads to a better performance of inverse modelling in the northern hemisphere winter. The methodology is also applied to the subnetwork composed of the stations of the IMS network which measure noble gases. (10.1016/j.atmosenv.2012.02.044)
  DOI : 10.1016/j.atmosenv.2012.02.044