Mesurer le NO2 en 2 dimensions à partir du sol pour la validation satellitaire

Qualité de l’air
Les observations bidimensionnelles (2-D) MAX-DOAS du dioxyde d'azote (NO2) sont connues et contribuent à une meilleure caractérisation de la distribution horizontale de ce polluant atmosphérique majeur. Le groupe UV-visible de l’IASB a développé une nouvelle stratégie pour la récupération des données concernant les concentrations de NO2 près de la surface et les densités de la colonne verticale de NO2 troposphérique dans différentes directions azimutales et l'a appliquée à la station d'Uccle. Cette recherche contribue à améliorer l'interprétation des observations de la colonne de NO2 par les instruments satellitaires qui mesure la qualité de l'air au nadir au-dessus des régions urbaines.

Une nouvelle stratégie pour la récupération des données locales du NO2

Une nouvelle stratégie pour la récupération des concentrations de NO2 près de la surface et des densités de la colonne verticale troposphérique (VCD) dans différentes directions d'observation azimutales a été développée par l’IASB et appliquée à une année (mars 2018 - mars 2019) d'observations MAX-DOAS 2-D à la station d'Uccle (région de Bruxelles-Capitale, Belgique).

Le mode de mesure 2-D de l'instrument comprend deux sous-modes :

  1. un scan en élévation dans une direction azimutale fixe d'observation principale pointant vers le nord-est d'Uccle
  2. un scan azimutal à un angle d'élévation bas et fixe (2∘ au-dessus de l'horizon).

En appliquant un algorithme d'inversion du profil vertical dans la direction azimutale principale et une technique de paramétrisation dans les autres directions azimutales, les concentrations de NO2 proche de la surface et les VCD ont été inversées dans 10 directions azimutales différentes autour du Pôle Espace d'Uccle.

Validation des concentrations de NO2 proche de la surface à Bruxelles

Dans un premier temps, la performance de la nouvelle stratégie d’inversion a été vérifiée à l'aide de données auxiliaires : par exemple, une comparaison des concentrations de NO2 proche de la surface provenant du spectromètre MAX-DOAS 2-D avec les données des stations in situ du réseau de la qualité de l'air  à Bruxelles a révélé que les données des deux instruments sont fortement corrélés mais que les stations in situ mesurent systématiquement des concentrations de NO2 plus élevées que le MAX-DOAS. La différence de représentativité verticale et horizontale des deux ensembles de données peut expliquer ces résultats.

Ensuite, la variabilité saisonnière des concentrations de NO2 proche de la surface à Bruxelles a été étudiée. Il s'avère que des concentrations de NO2 plus élevées sont observées en automne et en hiver en raison d'émissions plus importantes et de la durée de vie plus longue du NO2 sous des températures plus basses.

Validation des colonnes troposphériques de NO2 de TROPOMI au-dessus de Bruxelles

Dans la deuxième partie de l'étude, 1 an de données de colonnes verticales de NO2 troposphérique mesurées par l’instrument satellitaire Sentinel-5P/TROPOMI au-dessus de Bruxelles ont été validées en utilisant les VCD de NO2 troposphérique MAX-DOAS 2-D. L'utilisation des VCD de NO2 troposphérique MAX-DOAS dans plus d'une direction azimutale améliore la colocalisation spatiale avec les observations S5P/TROPOMI, et par conséquent les résultats de la validation.

Cependant, malgré cette amélioration, on constate que S5P/TROPOMI continue à sous-estimer systématiquement les colonnes de NO2 troposphérique MAX-DOAS. La capacité de l'instrument MAX-DOAS à fournir des informations sur les profils verticaux de NO2 en plus de la meilleure caractérisation de la distribution horizontale a révélé que cette sous-estimation par l’instrument S5P/TROPOMI est due à l'utilisation d'une forme de profil vertical de NO2 inadéquate dans l’algorithme d’inversion des données satellitaires au-dessus de régions urbaines comme Bruxelles.

Reference:

Dimitropoulou, E., Hendrick, F., Pinardi, G., Friedrich, M.M., Merlaud, A., Tack, F., De Longueville, H., Fayt, C., Hermans, C., Laffineur, Q., Fierens, F., and Van Roozendael, M. (2020). Validation of TROPOMI tropospheric NO₂ columns using dual-scan multi-axis differential optical absorption spectroscopy (MAX-DOAS) measurements in Uccle, Brussels. Atmospheric Measurement Techniques, 13(10), 5165-5191. https://doi.org/10.5194/amt-13-5165-2020 Open Access Logo

NO2 Bruxelles Max-Doas versus Tropomi
Cette figure illustre les segments horizontaux de la ligne de visée dans les différentes directions d'observation azimutale échantillonnés par le système MAX-DOAS 2-D. Ces segments sont superposés sur les pixels au sol de TROPOMI, tels que mesurés au-dessus de Bruxelles le 6 juin 2018. Plusieurs pixels coïncident avec une direction azimutale du système MAX-DOAS, ce qui montre la haute résolution spatiale de TROPOMI et les difficultés liées à sa validation. Les valeurs de la colonne verticale de NO2 sont indiquées par l'échelle de couleur dans le coin inférieur droit de la figure.
Système MaxDoas Bruxelles ligne de visée
Cette figure illustre la configuration expérimentale 2-D de l'instrument BIRA-IASB MAX-DOAS à Uccle, en Belgique (panneau de gauche). Les lignes représentent les directions de visée 2-D MAX-DOAS, qui sont codées par couleur selon les deux sous-modes du balayage de mesure complet. Les panneaux de droite montrent l'instrument 2-D BIRA-IASB MAX-DOAS, installé sur le toit de l'Institut Royal Météorologique (IRM) à Uccle, en Belgique.