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Thèse sur l'assimilation de IASI pour la composition de l'atmosphère (H/F)

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Informations générales

Référence : UMR5318-EMAEMI-001
Lieu de travail : TOULOUSE
Date de publication : jeudi 8 novembre 2018
Nom du responsable scientifique : Emanuele Emili
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 31 janvier 2019
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 1 768,55 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Les pics d'ozone estivaux et les épisodes de transport de poussières désertiques sur le bassin Méditerranéen et le continent Européen représentent un enjeu majeur pour des raisons environnementales et de santé publique. Ces deux types de phénomène auront tendance à augmenter dans les décennies à venir en raison de l'augmentation de température globale et de la désertification. La surveillance et la prévision de la composition de l'atmosphère à l'échelle régionales deviennent donc des outils de grande importance.
Le Centre National d'Études Spatiales développe depuis plus d'une décade les sondeurs infrarouges IASI, à bord des satellites météorologiques polaires METOP de l'Agence Spatiale Européenne. Chaque capteur IASI mesure le spectre infrarouge de l'atmosphère deux fois par jour entre 650 et 2700 cm-1 avec une résolution horizontale de 12 km. Bien que cet instrument ait été principalement conçu pour fournir des profils verticaux de température et vapeur d'eau pour les modèles de prévisions du temps, sa bonne résolution spectrale et stabilité radiométrique ont permis des nombreuse applications pour la chimie de l'atmosphère, y compris la restitution de l'ozone et des poussières désertiques. IASI s'inscrit dans le succès de la filière satellitaire Française, qui, en partenariat avec un des principaux acteurs privés du secteur en Occitanie (Airbus Defence & Space), assurera la mise en orbite de IASI et de ses successeurs (IASI-NG) jusqu'en 2040.
Les modèles de prévision de la composition de l'atmosphère, aussi appelés modèles de chimie-transport, peuvent intégrer les observations satellitaires par une procédure mathématique appelée 'assimilation de données'. Cette technique permet de compléter l'information parfois ponctuelle des satellites (par exemple à cause de la présence de nuages) et obtenir des champs 3D complets de concentration des espèces chimiques à fréquence horaire (surveillance). A partir du résultat de l'assimilation, les modèles peuvent être réinitialisés pour produire une prévision significativement améliorée d'ozone ou de poussières à courte échéance (12-24 heures). Les sondeurs IASI, du fait de leur importante résolution spatiale et fréquence de mesure (jusqu'à 6 fois par jour avec le lancement du troisième satellite prévu pour fin 2018), constituent une contrainte idéale pour les modèles de chimie-transport.
Le CECI développe depuis 2003 un outil d'assimilation pour le modèle de chimie-transport MOCAGE (CNRM/Météo-France), qui permet des applications à l'échelle globale ou régionale, concernant le climat ou la qualité de l'air. Ce système fournit les analyses et les prévisions de qualité de l'air pour le principal projet Européen sur la composition de l'atmosphère (CAMS, http://atmosphere.copernicus.eu). Le CECI étudie l'assimilation des produits IASI de Niveau 2 (N2, concentration des espèces chimique) depuis 2008, des aérosols depuis 2012 et on a récemment introduit la possibilité d'assimiler directement les luminances satellitaires (Niveau 1) dans le modèle. Cette nouvelle approche est censée résoudre plusieurs problématiques liées à l'utilisation des produits de N2, surtout dans le cas ou plusieurs espèces ont une contribution non négligeable dans la fenêtre spectrale utilisée. Or, les poussières désertiques ont une influence significative dans la région du spectre IASI utilisée pour restituer l'ozone (1025-1075 cm-1) et vice-versa. La non prise en compte de ces effets peut dégrader fortement la qualité des restitutions N2 et, par conséquence, les résultats de leur assimilation dans les modèles.
On propose dans ce travail de thèse de développer et analyser les bénéfices d'une assimilation couplée ozone - poussières désertiques à partir des luminances IASI. Le travail sera effectué en s'appuyant sur le système d'assimilation variationnel existant et le code de transfert radiatif opérationnel RTTOV (ECMWF, Météo-France, Met-Office). Les travaux concernant le transfert radiatif et le code RTTOV bénéficieront d'une collaboration avec Météo-France Lannion pour la prise en compte des aérosols dans RTTOV et avec le Laboratoire d'Aérologie, qui développe depuis plusieurs années l'algorithme SOFRID, basé sur RTTOV, pour la restitution des données de CO et d'O3 de IASI. L'objectif principal de ce travail est de démontrer le potentiel d'une nouvelle approche synergique pour la surveillance et la prévision en temps quasi-réel de l'ozone et des poussières désertiques sur l'Europe. La méthodologie développée, s'appliquant directement aux luminances satellitaires, pourra s'étendre facilement à d'autres sondeurs courants et futurs (IASI-NG) ou employée dans les études concernant la conception des nouveaux capteurs mesurant dans l'infrarouge-visible.
Cette activité se situe à l'interface entre la modélisation de l'atmosphère, le traitement de données satellitaires et les mathématiques appliquées. Le doctorant développera donc de fortes compétences en chimie de l'atmosphère, calcul scientifique à hautes performances (HPC) et traitement de grandes masses de données spatiales.

Contexte de travail

Le Cerfacs est un centre de recherche fondamentale et appliquée, spécialisé dans la modélisation et la simulation numérique. Par ses moyens et savoir-faire en calcul haute performance, le Cerfacs traite des grands problèmes scientifiques et techniques de recherche publique et industrielle.
Les équipes du Cerfacs réunissent des physiciens, des mathématiciens appliqués, des analystes numériques, des informaticiens qui conçoivent et développent des méthodes et solutions logicielles innovantes répondant aux besoins des secteurs de l'aéronautique, du spatial, du climat, de l'énergie et de l'environnement.
Impliqué dans des projets d'envergure nationale et internationale, le Cerfacs travaille en forte interaction avec ses sept associés : Airbus Group, Cnes, EDF, Météo France, Onera, Safran et Total. Il a en outre noué des partenariats avec le CNRS (Unité de recherche associée), l'Irit (laboratoire commun), le CEA et l'Inria (accords de coopération).
La thèse s'effectuera à Toulouse au sein de l'equipe Global Change (GlobC) du CERFACS, qui regroupe les membres de l'unité de recherche CECI du CNRS.

Informations complémentaires

Le candidat doit posséder un parcours universitaire en Sciences de la Terre, Science physique, Mathématiques appliquées aux geosciences ou similaires. Des bonnes compétences en informatique (Fortran, Unix, Python) seront considérés favorablement, ainsi qu'une expérience précédente dans le domaine des Sciences de l'atmosphère.
Un CV, une lettre de recommandation et une lettre de motivation sont demandées pour l'évaluation de candidature.

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