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.

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 ?

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.

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.

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).

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.

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.

Question

Q1.2.2 : Selon vous, à quoi sert d’avoir à la fois des voies hautes et des voies basses dans un LIDAR ?

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.

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.

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.

Question

Q2.1.2 : D’après votre analyse, quelle valeur de désaturation semble être la plus adaptée dans ce cas ?

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.

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 ?

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.

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.

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 ?

Question

Q3.1.2 : Comment interprétez-vous une résolution de 5 km à 40 km d’altitude ?

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 ?

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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”.

Question

Q6.1 : Commentez les graphiques du haut ?

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”.

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.