Exercice 1 : Traitement des données LIDAR ozone stratosphérique de l'OHP ================================================================ L'objectif de cet exercice est de découvrir l'interface graphique à travers un cas simple. 0) Paramètrage de l'exercice ---------------------------- Toutes les actions décrites ici se déroulent dans le **bandeau latéral** de l'application. - Sélectionnez **votre nom** dans la liste. - Choisissez comme fichier de paramètres : **`a_TP_LIDAR.xml`** *(Ce fichier devrait normalement être sélectionné par défaut.)* - La section de **sélection de la date** devrait maintenant être accessible. Sélectionnez la date **14/07/2017** : - Année : `2017` - Mois : `7` (juillet) - Cliquez sur le jour **14**, il doit être affiché en grisé. Une fois la date sélectionnée, elle devrait apparaître sous le calendrier. .. warning:: Le choix du nom d'utilisateur est important : si plusieurs utilisateurs choisissent le même nom en même temps, cela peut provoquer des interférences lors du traitement des données. 1) Traitement du fond de ciel (Background) ------------------------------------------ 1.1) Étude des voies hautes +++++++++++++++++++++++++++ Vous êtes maintenant sur la page de traitement du **fond de ciel** (appelé *background*). Cette section vous permet d’examiner les **voies hautes** du LIDAR, ainsi que les **valeurs de fond de ciel calculées**. À droite, vous pouvez visualiser les **pentes du signal**, c’est-à-dire la dérivée du logarithme du signal, pour les deux voies hautes. Vous y trouverez également un **signal simulé** basé sur une climatologie. Dans le graphique intitulé *Ozone*, vous observez la **mesure d’ozone** déduite de ces deux voies. .. tip:: Les signaux simulés peuvent être affichés ou masqués en cliquant sur leur nom dans la légende des graphiques. Sous les graphiques, vous trouverez les **paramètres de configuration du fond de ciel**, qui permettent de réaliser une régression polynomiale d’ordre 0, 1 ou 2 entre deux altitudes. Il est également possible d’appliquer : - une **pondération par l’erreur** (*weighting*), - une **régression sur le logarithme** du signal. .. admonition:: Question **Q 1.1.1 :** Selon vous, l’impact du fond de ciel sur l’ozone (ou les pentes) sera-t-il le plus important dans les **basses couches** ou dans les **hautes couches** de l’atmosphère ? .. admonition:: Question **Q 1.1.2 :** En activant les **voies simulées**, que pensez-vous qu’elles **ne prennent pas en compte** ? Modifiez maintenant les **paramètres de la voie ON** : - Sélectionnez une **régression polynomiale d’ordre 2**. - Définissez l’**altitude minimale** à `80`. - Cliquez sur le bouton **"Apply new values"**, puis patientez le temps que le traitement s’effectue. De **nouvelles courbes** devraient apparaître sur les graphiques. N’hésitez pas à **désélectionner certaines voies** pour améliorer la lisibilité des résultats. .. admonition:: Question **Q 1.1.3 : ** Expliquez la **forme de la nouvelle courbe de fond de ciel** obtenue pour la voie **background 308H**. Regardez maintenant les graphiques *Slope* et *Ozone*. .. admonition:: Question **Q 1.1.4: ** Quel est l’impact de votre configuration sur les **pentes** et sur l’**ozone** ? Si vous modifiez la valeur d’**altitude minimale**, vous verrez que le champ **"diff"** évolue. Ce terme représente la **différence entre le signal réel et le signal simulé** à cette altitude. > En général, on choisit l’altitude minimale de façon à ce que cette différence soit d’environ **1%**, c’est-à-dire que le signal utile ne représente plus que 1% du bruit (le reste étant considéré comme du fond de ciel). .. admonition:: Question **Q 1.1.5: ** Sur la voie **channel ON**, essayez de trouver l’altitude minimale permettant d’obtenir environ **1% d’erreur**. Quelle est cette altitude ? 1.2) Etude des voies basses +++++++++++++++++++++++++++ Utilisez le **bouton situé en haut de l'écran** permettant de changer de voie, et sélectionnez les **voies basses**. .. admonition:: Question **Q1.2.1** : En observant les graphiques et en les comparant avec ceux des voies hautes, **quelle différence** remarquez-vous entre les **voies hautes** et les **voies basses** ? Le graphique *Ozone* affiche désormais les profils d’ozone issus à la fois des **voies hautes** et des **voies basses**. .. admonition:: Question **Q1.2.2** : Selon vous, **à quoi sert** d’avoir à la fois des voies hautes et des voies basses dans un LIDAR ? .. admonition:: Question **Q1.2.3** : D’après vos observations, **quelle voie** semble la plus importante pour le **calcul du fond de ciel** ? Justifiez votre réponse. 1.3) Étude des voies Raman ++++++++++++++++++++++++++ Revenez au **sélecteur de voies** en haut de l’interface et choisissez les **voies Raman**. .. admonition:: Question **Q1.3.1** : En observant les graphiques et en les comparant aux précédents, **quelle est la différence** entre les **voies Raman** et les **voies Rayleigh** ? Quel est leur **impact** sur les pentes et sur la mesure de l’ozone ? 2) Désaturation --------------- Dans cette section, vous allez étudier les effets de **saturation du signal** sur les différentes voies, et apprendre à les corriger. Dans le **bandeau latéral**, cliquez sur **"Saturation"**. Le principe est le suivant : - On **désature d’abord les voies basses** à l’aide des voies Raman (non saturées). - Puis, on **désature les voies hautes** à partir des voies basses corrigées. 2.0) Désaturation des voies raman (332 et 387) ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ En arrivant sur cette page, vous êtes positionné sur la **voie Raman 387**. Les **signaux Raman** ne sont généralement **pas assez intenses** pour provoquer une saturation des détecteurs. Par conséquent, la **correction appliquée n’a aucun effet visible**. Vous pouvez constater que **toutes les courbes se superposent**, quelle que soit la valeur du paramètre de désaturation. Même principe pour la voie **332** : aucune correction n’est appliquée car le signal est trop faible pour saturer. 2.1) Désaturation de la voie 355B +++++++++++++++++++++++++++++++++ Vous êtes maintenant sur la voie **355B**, pour laquelle la désaturation est significative. - Le **signal noir pointillé** représente la **pente théorique** issue d’une climatologie. - Le **signal rouge** est la **pente de la voie Raman**, que l’on considère comme **référence**. - Les **autres courbes** représentent les **pentes du signal corrigé** pour différentes valeurs du paramètre de désaturation (par ex. 60, 70, 80…). À gauche, vous pouvez configurer : - le **modèle de désaturation** (nommé ici *Pelon*), - une **valeur minimale**, une **valeur maximale**, - et un **pas** d’intervalle. Dans cet exemple, les valeurs varient de **60 à 120** par **pas de 10**. L’objectif est de déterminer **la meilleure valeur de désaturation**, c’est-à-dire celle qui aligne au mieux le signal corrigé avec la référence. .. admonition:: Question **Q2.1.1** : En observant les profils générés, sur **quelle partie du signal** la saturation a-t-elle un effet visible ? Appuyez-vous sur les **valeurs brutes** observées dans la section *Background*. .. admonition:: Question **Q2.1.2** : D’après votre analyse, **quelle valeur de désaturation** semble être la plus adaptée dans ce cas ? .. admonition:: Question **Q2.1.3** : En sélectionnant uniquement les courbes **model**, **ref**, **70**, **80** et **90** : Faut-il, selon vous, **descendre en dessous d’un pas de 10** pour trouver une meilleure valeur ? Justifiez. .. admonition:: Question **Q2.1.4** : Estimez un **intervalle de valeurs** (min, max) dans lequel la désaturation semble correcte. Quelle est l’**erreur** associée à votre estimation de la valeur optimale ? .. admonition:: Question **Q2.1.5** : Comparez la voie Raman se trouvant dans l'onglet **332**, et la voie de référence en rouge (qui est également la voie 332). Pourquoi est-elle différente ? Attention, pour répondre à cette question, une connaissance de l'équation lidar est nécessaire. 2.2) Désaturation de la voie 308B +++++++++++++++++++++++++++++++++ Passez maintenant à la voie **308B** et examinez les figures. .. admonition:: Question **Q2.2.1** : Quelle est la **différence principale** entre les courbes observées ici et celles de la voie **355B** ? 3) Filtrage des données ----------------------- Dans cette section, vous allez étudier les **effets du filtre** appliqué sur les différentes voies. Dans le **bandeau latéral**, cliquez sur **"Filtering"**. Les 4 graphiques affichés représentent (de gauche à droite, de haut en bas) : - Le **nombre de points du filtre** en fonction de l’altitude. - La **résolution du filtre**, selon trois méthodes de calcul différentes : - **NDACC_DF** : calcul via la fonction de transfert selon la méthodologie NDACC, - **NDACC-IR** : calcul basé sur la **réponse impulsionnelle**, - **Origin** : méthode originelle de calcul. - L’**erreur du signal** avant correction. - L’**erreur sur le profil d’ozone**. Dans le panneau latéral droit, vous pouvez configurer : - le **nom du filtre** (ici : *Savitsky-Golay dérivatif*), - le **mode de calcul de la régression**, - et les **différents paramètres** associés au filtre. 3.1) Filtrage des données 308H ++++++++++++++++++++++++++++++ Assurez-vous d’être sur la voie **308H**, puis examinez les graphiques. .. tip:: Le filtre est appliqué **par couple de voies**, c’est pourquoi seules les voies **ON** sont affichées. Par exemple, le filtre appliqué à la voie **355H** est identique à celui de la **308H**. .. admonition:: Question **Q3.1.1** : En vous basant sur les deux premiers graphiques, **quel lien** observez-vous entre le **nombre de points du filtre** et sa **résolution** ? .. admonition:: Question **Q3.1.2** : Comment interprétez-vous une **résolution de 5 km** à **40 km d’altitude** ? .. admonition:: Question **Q3.1.3** : Quel est, selon vous, le **lien entre le nombre de points** du filtre et son **impact sur l’erreur du signal** ? .. admonition:: Question **Q3.1.4** : Sur le dernier graphique, comment **varie l’erreur** entre **18 km et 40 km** ? Comment expliquez-vous ce comportement, sachant que le **nombre de points du filtre augmente avec l’altitude** ? Changer le paramètre **ncan2**, le mettre à **11** puis tester ce nouveau paramètre en appuyant sur le bouton jaune **Check Param**. Cela correspond à avoir 23 points pour le filtre (11*2+1) à l'indice d'altitude 300, c'est-à-dire ici 45.8km. .. admonition:: Question **Q3.1.5** : Quel est l'impact sur les différents graphiques ? Changer le paramètre **ncan2**, le mettre à **80** puis tester ce nouveau paramètre en appuyant sur le bouton jaune **Check Param**. Cela correspond à avoir 161 points pour le filtre (80*2+1) à l'indice d'altitude 300, c'est-à-dire ici 45.8km. .. admonition:: Question **Q3.1.6** : On voit que l'erreur est fortement réduite, mais est-il pour autant plus intéressant de **trop** filtrer le signal ? Selon vous, quels seraient les problèmes qui pourraient affecter le signal ? 3.2) Filtrage des données 308H ++++++++++++++++++++++++++++++ Passez maintenant à la voie **308B** et examinez les figures. .. admonition:: Question **Q3.2.1** : Quels **changements** remarquez-vous entre la voie **308H** et la voie **308B** ? 3.3) Filtrage des données 332 ++++++++++++++++++++++++++++++ Passez maintenant à la voie **332** et examinez les figures. .. admonition:: Question **Q3.3.1** : Quels **changements** notez-vous entre les voies **308H**, **308B**, et **332** ? En observant plus attentivement la courbe de **résolution du filtre**, vous devriez distinguer **trois courbes différentes**. .. admonition:: Question **Q3.3.2** : Selon vous, la **méthode originelle** de calcul de la résolution semble-t-elle plutôt basée sur laquelle des trois méthodes ? Pourquoi est-il **important de préciser** la méthode utilisée pour calculer la résolution du filtre ? 4) Raccordement des pentes -------------------------- Dans cette section, vous allez étudier le **raccordement des pentes** appliqué aux différentes voies **Rayleigh**. L’objectif est de **raccorder les voies hautes et les voies basses le plus bas possible**, afin de tirer parti des avantages des deux : - Les **voies hautes** sont **moins bruitées** que les voies basses. - Les **voies basses** permettent de mesurer plus bas en altitude. .. tip:: L’erreur sur le signal n’est pas directement visible sur les graphiques, mais elle reste un critère important à considérer. .. tip:: Le **raccordement Rayleigh** est effectué au niveau des **pentes du signal**, tandis que le **raccordement Raman** se fait au niveau du **profil d’ozone**. Dans le **bandeau latéral**, cliquez sur **"Filtering"**. Chaque graphique affiche : - la **voie haute** en **rouge**, - la **voie basse** en **vert**, - la **voie raccordée** en **bleu épais**. .. tip:: N'hésitez pas à **zoomer sur les graphiques** pour observer précisément l'effet du raccordement. En haut à droite de chaque graphique, vous verrez indiquée la **plage d’altitude de raccordement**. Par défaut, cette plage est fixée entre **17 km** et **18 km**. .. admonition:: Question **Q4.1 :** Selon vous, pourquoi prendre une plage d'altitude pour le raccordement plutot qu'une valeur seule ? Pour ettayez votre réponse, ne pas hésitez à zoomer sur la figure pour observer l'effet du raccordement sur les voies .. admonition:: Question **Q4.2 :** Selon vous, le paramètre par défaut est-il bon ? Si non, lequel auriez-vous choisis ? Pourquoi faut-il prendre des altitudes de raccord le plus bas possible ? 5) Présence d'aérosols --------------------- Le **rapport de diffusion** correspond au rapport entre : - la diffusion **Rayleigh + Mie** (diffusion par les **molécules + particules**), - et la diffusion **Rayleigh seule** (diffusion uniquement par les **molécules de l’atmosphère**). Lorsque **ce rapport est égal à 1**, cela signifie qu’il n’y a **pas d’aérosols**. En revanche, en présence d’aérosols, ce rapport devient **supérieur à 1**, car la diffusion Mie s’ajoute. Dans le **bandeau latéral**, cliquez sur **"Aerosols"** pour accéder à la visualisation du **rapport de diffusion**. .. admonition:: Question **Q 5.1** En supposant qu’une **couche d’aérosols** est détectable lorsque le rapport dépasse **1.1**, **pouvez-vous identifier une couche d’aérosols** dans les données affichées ? Si oui, **à quelle(s) altitude(s)** apparaît-elle ? 6) Raccordement des voies Raman ------------------------------ Les voies Rayleigh peuvent être perturbées par des aérosols. Il est alors intéressant d’utiliser les voies Raman à ce moment-là. Sur le bandeau latéral, cliquez sur **"Merge Ozone"**. .. admonition:: Question **Q6.1** : Commentez les graphiques du haut ? .. admonition:: Question **Q6.2** : En fonction de l'analyse réalisée, pensez-vous que les paramètres de raccordement sont bon ? A noter qu'il est possible de ne pas raccorder. 7) Domaine de validité ---------------------- Sur le bandeau latéral, cliquez sur "Domain of Validity". .. admonition:: Question **Q7.1** : Selon vous, en vous aidant des différentes figures, les paramètres par défauts vous semblent-ils bon ? Justifiez les valeurs minimal et maximal.