Acquisition de données de détection de CH4 embarquées et algorithme d'inversion de télédétection satellitaire de haute précision du CH4

Afin d'obtenir des informations sur la distribution spatio-temporelle et la variation de la concentration de CH4 près de la surface, la technologie de détection spatiale du CH4 par infrarouge à ondes courtes a connu un développement rapide ces dernières années. De nombreux satellites de détection par infrarouge à ondes courtes ont été lancés, tant au niveau national qu'international, menant une série d'études sur la détection du CH4 et ses applications connexes, et permettant ainsi la détection spatiale du CH4. Les satellites scientifiques expérimentaux lancés durant cette période ont favorisé le développement d'algorithmes d'inversion pour la télédétection satellitaire du CH4 et d'algorithmes d'inversion de flux, jetant les bases technologiques nécessaires à l'amélioration des capacités de détection spatiale, à la production de données et à leur application directe. De plus, ils ont démontré le potentiel d'application de la détection par infrarouge à ondes courtes pour l'estimation du bilan global sources-puits de CH4, du point de vue de la précision des données de détection et de l'estimation du flux.

Acquisition de données de détection du CH4 embarquées

L'acquisition précise de données de détection du CH4 par satellite nécessite le recours à des algorithmes d'inversion de haute précision pour la télédétection satellitaire du CH4. La qualité des données de CH4 détectées par satellite dépend généralement du choix des instruments de détection et des paramètres d'inversion. La détection infrarouge à ondes courtes présente l'avantage d'être sensible aux variations de concentration du CH4 près de la surface, mais les spectres d'absorption infrarouges à ondes courtes sont facilement affectés par des paramètres atmosphériques et de surface tels que les gaz interférents, la température, les nuages ​​et les aérosols, ce qui introduit des erreurs importantes. L'objectif des algorithmes d'inversion de haute précision est de réduire l'influence des facteurs interférents et d'obtenir les informations de concentration du gaz cible à partir des informations spectrales exploitables. À l'échelle internationale, diverses méthodes d'inversion pour la télédétection satellitaire des gaz à effet de serre ont été mises au point à partir des méthodes de détection spectrale des satellites SCIAMACHY et GOSAT. Parmi celles-ci, les plus utilisées sont l'algorithme d'inversion par modèle entièrement physique, la méthode d'inversion par proxy et la méthode d'inversion WFM-DOAS.

Algorithme proxy

L'algorithme Proxy utilise généralement des composants atmosphériques stables, tels que le CO₂, comme représentants pour corriger l'influence des nuages ​​et des aérosols sur le trajet optique dans la bande de détection du CH₄, extrayant ainsi des informations efficaces sur la concentration de CH₄. Ceci requiert que l'influence des nuages ​​et des aérosols sur le trajet optique soit comparable dans les bandes où se situent le gaz cible et le gaz représentatif. Par conséquent, il est généralement applicable uniquement à la détection satellitaire couvrant simultanément les bandes d'absorption du CO₂ et du CH₄ à 1,6 μm. Le produit de données GOSAT obtenu par l'algorithme UoL-Proxy, développé par l'Université de Leicester (Royaume-Uni), a été validé par TCCON, avec une précision de détection ponctuelle de 13,72 ppb et un biais global d'environ 9,06 ppb. Des études montrent que la précision de XCH₄ extraite par la méthode Proxy est fortement influencée par la précision du gaz représentatif XCO₂, le trajet optique et les corrections d'erreurs systématiques, la précision de l'extraction variant d'environ 0,6 % à 2 %.

Algorithme WFM-DOAS

L'algorithme WFM-DOAS repose sur la spectroscopie d'absorption différentielle classique, utilisant une fonction de pondération de la quantité totale de la colonne de gaz cible au lieu de la section efficace d'absorption pour ajuster le spectre d'absorption différentielle. Initialement basé sur la spectroscopie de détection de SCIAMACHY, l'algorithme WFM-DOAS a permis l'inversion de diverses concentrations de colonnes de gaz ; il a maintenant été appliqué à l'inversion de XCH4 et XCO dans Tropomi, produisant des données très cohérentes avec les résultats de l'algorithme entièrement physique. Les résultats de validation au sol montrent que l'erreur aléatoire de XCH4 obtenue par l'algorithme WFM-DOAS est de 14,0 ppb (0,8 %) et l'erreur systématique de 4,3 ppb (0,2 %). L'algorithme d'inversion WFM-DOAS est relativement peu exigeant en termes de résolution spectrale, mais très exigeant quant à la précision de l'étalonnage spectral et des paramètres auxiliaires tels que les champs météorologiques (par exemple, les profils de température et d'humidité, la pression), et est fortement affecté par la couverture nuageuse.

Algorithme d'inversion physique complet

Les algorithmes d'inversion entièrement physiques utilisent la modélisation directe pour simuler le processus de transfert radiatif atmosphérique des signaux, réduisant considérablement les erreurs dues aux incertitudes du trajet optique liées à la diffusion lors du transfert radiatif et atteignant généralement une précision d'inversion élevée. Parmi les principaux algorithmes d'inversion internationaux pour la télédétection des gaz à effet de serre par satellite, on trouve l'algorithme standard GOSAT NIES-FP, l'algorithme standard OCO-2 de la NASA ACOS, l'algorithme UoL-FP de l'Université de Leicester, l'algorithme standard TROPOMI RemoTeC et l'algorithme standard chinois pour le satellite de mesure du carbone IAPCAS. Ces algorithmes permettent d'obtenir des données atmosphériques XCH4 et XCO2 de haute précision à partir des spectres infrarouges à ondes courtes satellitaires. Face à une analyse approfondie des erreurs d'inversion et aux exigences croissantes en matière de précision des produits, ces algorithmes sont continuellement mis à jour et optimisés. Actuellement, la précision des inversions de XCH4 à l'aide de TROPOMI et GOSAT a été considérablement améliorée. La précision d'inversion de XCH4 pour TROPOMI, obtenue grâce à l'algorithme RemoTeC amélioré, atteint −3,4 ± 5,6 ppb. L'acquisition de données XCH4 de haute précision constitue un fondement essentiel pour l'estimation du bilan atmosphérique de CH4. L'algorithme IAPCAS a été développé pour l'exploitation des données du satellite chinois TanSat. Grâce à cet algorithme, il est possible d'obtenir des données XCO2 de haute précision (1,47 ppm) à partir du spectre de la sonde TanSat. Il permet également d'obtenir des données XCH4 et XCO2 à partir du spectre GOSAT. La mise au point de cet algorithme et son application réussie à l'inversion multi-satellites ont posé les bases algorithmiques des missions satellitaires ultérieures en Chine.

méthodes d'estimation des flux

L'estimation des bilans de CH4 à l'échelle mondiale et régionale contribue à une meilleure compréhension de la distribution des sources et des puits de CH4 et fournit des éléments de référence pour la lutte contre le changement climatique. Les méthodes actuelles d'estimation des flux se divisent principalement en deux approches : ascendante et descendante. L'approche ascendante, basée sur les inventaires d'émissions, les flux observés en station ou les données de flux simulées à l'échelle de la grille, effectue une extrapolation spatiale et constitue une méthode classique d'estimation du bilan carbone. Cependant, en raison de la faible actualité des données, les résultats des calculs sont généralement retardés et ne permettent pas de saisir en temps réel les variations dynamiques des sources et des puits. L'approche descendante repose principalement sur les données de concentration des composants atmosphériques et les données d'inventaire des émissions obtenues par observation, en utilisant des modèles de transport chimique atmosphérique et des méthodes d'assimilation de données pour estimer les flux. Les recherches existantes montrent que l'utilisation de données d'observation satellitaire pour l'estimation des flux peut réduire l'incertitude d'environ 85 % par rapport à l'utilisation exclusive d'observations au sol. Toutefois, cette méthode est très exigeante quant à la précision des données d'observation ; un biais systématique de seulement 1 %, corrélé régionalement ou temporellement, peut affecter la validité des résultats de l'inversion des flux. S’appuyant sur des modèles de transport chimique atmosphérique et des données satellitaires XCH4 de haute précision, plusieurs équipes ont mené des recherches sur l’estimation des flux de CH4. De nombreuses études ont démontré que l’utilisation de données satellitaires pour l’estimation des flux permet de réduire significativement l’incertitude de cette estimation dans différentes régions, fournissant ainsi des données de validation importantes pour les inventaires d’émissions de CH4 et les modèles d’émissions des zones humides. Actuellement, les données GOSAT sont largement utilisées pour l’estimation des flux de CH4 en surface, contribuant à l’analyse de la distribution et de l’évolution des sources et des puits de CH4 aux échelles mondiale et régionale. Elles fournissent des données fiables pour évaluer la contribution des différents secteurs aux émissions de CH4 et pour mieux comprendre l’évolution de la distribution des sources et des puits de CH4 et leur impact sur le climat. TROPOMI, avec sa haute résolution spatio-temporelle et des volumes de données et une précision bien supérieurs à ceux de GOSAT, excelle dans l’estimation fine des flux. Ces résultats de recherche apportent un soutien scientifique aux bilans mondiaux du méthane et contribuent à une meilleure compréhension de l’évolution des sources et des puits de CH4.

Les données satellitaires à haute résolution spatio-temporelle sur le CH4 reflètent directement les processus d'émission anthropiques de ce gaz. TROPOMI a démontré son avantage en matière de détection spatio-temporelle continue pour la surveillance et l'estimation des émissions de CH4. Ses capacités de détection de haute précision permettent également la surveillance et la quantification des émissions régionales de CH4 provenant de sources diffuses. Combinées aux données de concentration atmosphérique de CO₂ mesurées simultanément, ces données permettent d'évaluer la stabilité des émissions locales de CH4 indépendamment des modèles de transport atmosphérique. La série de satellites commerciaux GHGSat, à haute résolution spatiale, est conçue pour acquérir les émissions ponctuelles de CH4 issues de la production industrielle. Grâce à l'identification des panaches d'émission de CH4 à fine échelle, ces satellites sont largement utilisés pour la surveillance et l'estimation des émissions locales.

Source des documents de référence :

Analyse de l'état actuel et des tendances de développement des satellites d'observation du méthane atmosphérique visant la neutralité carbone et le pic de carbone dans mon pays