Institut Pierre-Simon Laplace

Climate Sciences

Regional site for observation of the atmosphere and development of instruments

Qualair is an experimental research platform installed in the centre of Paris to observe the chemical and dynamic variability of the atmospheric column. The research carried out, climatological analyses and process studies, fall within the broader themes of the impact of urban pollution on a regional scale, and the relationships between city, health and the environment.

Favouring measurements of vertical profiles, this station is also intended to serve as an urban satellite validation site, a place for the development of new instruments or for instrumental synergies. Finally, it participates in networks of regional, national or international measures.

Manager : François Ravetta (PR LATMOS)

Staff Involved

LATMOS : Jacques Pelon (DR CNRS), Gérard Ancellet (DR CNRS), Richard Wilson (MCF UPMC), Andrea Pazmino (Phys. Adj.), Cathy Clerbaux (DR CNRS), Pascal Genau (IE CNRS)

As part of the IPSL, the platform hosts instruments from LSCE and LERMA.

OSU-Ecce Terra : Cristelle Cailteau-Fischbach, technical coordinator of the platform, also responsible for the technical development of lidars.

Description (instruments, observables, PI)

Profiles

  • MILAN backscattering lidar: lidar dedicated to the continuous monitoring of the height of the boundary layer and the backscattering profile of aerosols (PI F. Ravetta & J. Pelon)
  • ALTO ozone lidar: regular measurements of the ozone profiles - continuous measurements in dedicated campaigns (PI G. Ancellet & F. Ravetta)
  • Curie Radar: continuous measurements of wind profiles and estimation of turbulence in the boundary layer (PI R. Wilson)

Integrated Measurements

  • Zenithal observing spectrometer (SAOZ): continuous measurements of the integrated content of ozone and nitrogen dioxide (PI A. Pazmino)
  • Cimel photometer: regular measurements of the optical thickness of aerosols (PI J. Pelon & F. Ravetta)

Annual Budget (operational)

The cost of running the Qualair platform amounts to around €15k per year. This covers consumables and small repairs. Its operation is ensured thanks to the continued support of LATMOS as well as that of OSU Ecce Terra.

Investments / improvements (upgrades) made since 2012, specifying whether OSU funding

  • Renewal of backscattering lidar for an amount of 70 kE (42 kE European project, 28 kE OSU)
  • Improvement of ozone lidar and development of a 60 kE microlidar (40 kE DIM Analytics, 20 kE OSU)

Data management

The photometer data is disseminated via the Aeronet network. SAOZ data is available online. Raw data from the new lidar will be provided to the national ACTRIS network.

Integration into national and international networks

Integration underway into the ACTRIS / Earlinet network.

Activity report of the platform (2012-2017)

From an instrumental point of view, the following facts are worth highlighting:

  • A MILAN lidar was acquired to replace the old backscattering lidar. Observations are now carried out at two wavelengths, with the polarisation being measured. This makes it possible to better characterise the aerosols and strengthen the synergy with the photometer;
  • A low path for the ALTO ozone lidar was developed which was previously blind below 800 meters.

In terms of scientific exploitation, studies have first focused on statistical analyses or variability analyses: characterisation of the ozone profile (Klein, 2017); carbon dioxide flux (Xueref, 2016); link between surface measurements and the integrated nitrogen dioxide column (Dieudonné, 2013); variability in the height of the boundary layer (Pal, 2012). Two intensive observation campaigns, involving French and American colleagues, were also organised (Végilot-2014 and ParisDarkNight-2016) to study the ventilation processes  of the boundary layer as well as nocturnal chemistry. They are currently being analysed.

Medium term Project

The platform will continue with scientific advances along four major guiding axes:

  1. Innovative Instrumentation

Continuous measurement of the ozone profile is proving crucial to a better understanding of the reciprocal influences between photochemical pollution at the local scale and transport at the regional scale. The DEMOM project (Development and implementation of microlidars), funded by DIM Analytics, will test the concept of ozone microlidar, along with the ALTO lidar, which can only be implemented sporadically. Through this microlidar sector, the Qualair platform supports research and development activity with challenges that extend beyond the Paris region (Equipex IAOOS, CNES Stratéole2 project).

  1. Instrumental synergies

The Qualair platform consolidates a significant number of instruments. Their joint application makes it possible not only to carry out well-documented observation campaigns, but also to improve the inversion algorithms by merging the data. In the coming years, priority will be given to links with satellite measurements. In particular, it is important to focus on the ability of satellites to observe and characterise the boundary layer in urban areas  which is the source of numerous emissions and the horizontal variability of observations in the centre of Paris. Two missions have already been identified: IASI to better characterise the ozone profile (in connection with the backscattering lidar, the Picarro of the LSCE, and the LERMA infrared spectrometer in NDACC mode; and, Calipso (in connection with the lidar backscattering and the photometer for better characterisation of aerosols).

  1. Scientific exploitation

The analyses of the Végilot-2014 and ParisDarkNigh-2016 campaigns will continue. They will allow a better understanding of:

  • the impact of early-morning boundary layer development on urban photochemistry
  • the influence of nocturnal jets on regional pollution
  • the importance of night-time chemistry on the balance of nitrogen oxides and ozone.

To establish trends, it would be useful to rely on the Curie radar data to estimate the variability of turbulent mixing in the boundary layer. As this radar can now switch to operate in the presence of precipitation, it is also now possible to contribute to the study of water cycle disturbances within the urban heat island.

  1. Data dissemination

The provision of the observations made at the level of the platform to the scientific community must continue through participation in regional, French, European and international measurement networks. An overhaul of the Qualair database in order to facilitate access and enhance results would be beneficial.

In addition, the station regularly welcomes students (from M2 OACOS & SPE) and the general public (science festival, teacher training). Unfortunately, the station's potential for training remains limited given the small size of the premises and the uniqueness of the instruments deployed. The emphasis is therefore on raising awareness of the challenges of observation and on presenting measurement techniques.

The needs of the platform are therefore the following: an assistant engineer for the daily monitoring of instruments; the validation and dissemination of data; premises to accommodate the public, especially students; operating funds for maintenance of instruments, the main investments having already been made. The association of the LERMA and LSCE teams with the OSU would make it possible to support their activities and globally enhance the scientific observations made at the measurement station.

Site régional d’observation de l’atmosphère et de développement instrumental

Qualair est une plate-forme de recherche expérimentale installée au centre de Paris pour observer la variabilité chimique et dynamique de la colonne atmosphérique. Les recherches poursuivies, analyses climatologiques et études de processus, s’inscrivent dans les thématiques plus larges de l'impact de la pollution urbaine à l’échelle régionale, et des relations entre ville, santé et environnement.

Privilégiant les mesures de profils verticaux, ou intégrées selon la verticale, cette station a aussi vocation à servir de site urbain de validation satellite, de lieu de développement de nouveaux instruments ou de synergies instrumentales. Elle participe enfin à des réseaux de mesures régionaux, nationaux ou internationaux.

Responsable : François Ravetta (PR LATMOS)

Personnels impliqués

LATMOS : Jacques Pelon (DR CNRS), Gérard Ancellet (DR CNRS), Richard Wilson (MCF UPMC), Andrea Pazmino (Phys. Adj.), Cathy Clerbaux (DR CNRS), Pascal Genau (IE CNRS)

Dans le cadre de l'IPSL, la plate-forme héberge des instruments du LSCE et du LERMA.

OSU-Ecce Terra : Cristelle Cailteau-Fischbach, coordinatrice technique de la plate-forme, également en charge du développement technique des lidars.

Objectifs et missions de la plateforme

Qualair est une plate-forme de recherche expérimentale installée au centre de Paris pour observer la variabilité chimique et dynamique de la colonne atmosphérique. Les recherches poursuivies, analyses climatologiques et études de processus, s’inscrivent dans les thématiques plus larges de l'impact de la pollution urbaine à l’échelle régionale, et des relations entre ville, santé et environnement.

Privilégiant les mesures de profils verticaux, ou intégrées selon la verticale, cette station a aussi vocation à servir de site urbain de validation satellite, de lieu de développement de nouveaux instruments ou de synergies instrumentales. Elle participe enfin à des réseaux de mesures régionaux, nationaux ou internationaux.

Descriptif (instruments, observables, PI)

Profileurs

  • Lidar rétrodiffusion MILAN: lidar dédié au suivi en continu de la hauteur de couche limite et du profil de rétrodiffusion des aérosols (PI F. Ravetta & J. Pelon)
  • Lidar ozone ALTO : mesures régulières du profils d’ozone – mesures en continu lors de campagnes dédiées (PI G. Ancellet & F. Ravetta)
  • Radar Curie : mesures en continu du profil de vent et estimation de la turbulence dans la couche limite (jouvence en cours) (PI R. Wilson)

Mesures intégrées

  • Spectromètre à observation zénithale (SAOZ): mesures en continu du contenu intégré en ozone et en dioxyde d'azote (PI A. Pazmino)
  • Photomètre Cimel : mesures régulières de l'épaisseur optique des aérosols (PI J. Pelon & F. Ravetta)

Budget annuel (fonctionnement)

Le coût de fonctionnement de la plate-forme Qualair s'élève à environ 15k€ par an. Cela couvre les consommables et les petites réparations. Le fonctionnement est assuré grâce au soutien récurrent du LATMOS ainsi qu'à celui de l'OSU Ecce Terra.

Investissements/améliorations(upgrade) faits depuis 2012 en précisant si financement OSU

  • Renouvellement du lidar rétrodiffusion pour un montant de 70 kE (42 kE projet européen, 28 kE OSU)
  • Amélioration du lidar ozone et développement d'un microlidar 60 kE (40 kE DIM Analytics, 20 kE OSU)

Gestion des données

Les données du photomètre sont diffusées via le réseau Aeronet. Les données du SAOZ sont disponibles en ligne. Les données brutes du nouveau lidar seront fournies au réseau national Actris.

Intégration dans les réseaux nationaux et internationaux

Intégration en cours dans le réseau Actris/Earlinet

Bilan d'activité de la plateforme (2012-2017)

Lors de cette période, la plate-forme Qualair a d'une part poursuivi le développement et la consolidation de son parc instrumental, d'autre part valorisé scientifiquement les données disponibles.

D'un point de vue instrumental les faits suivants méritent d'être soulignés :

  • acquisition du lidar MILAN en remplacement de l'ancien lidar rétrodiffusion. Les observations sont désormais réalisées à deux longueurs d'onde, avec mesure de la polarisation. Cela permettra de mieux caractériser les aérosols et de renforcer la synergie avec le photomètre ;
  • développement d'une voie basse pour le lidar ozone ALTO, auparavant aveugle en deçà de 800 mètres de portée.

Du point de vue de l'exploitation scientifique, les études se sont en premier lieu focalisées sur des analyses statistiques ou des analyses de variabilité : caractérisation du profil d'ozone (Klein, 2017), flux de dioxyde de carbone (Xueref, 2016), lien entre les mesures de surface et la colonne intégrée de dioxyde d'azote (Dieudonné, 2013), variabilité de la hauteur de la couche limite (Pal, 2012). Deux campagnes d'observation intensives, impliquant des collègues français et américains, ont par ailleurs été organisées (Végilot-2014) et en (ParisDarkNight-2016) pour étudier les processus de ventilation de la couche limite ainsi que la chimie nocturne. Elles sont en cours d'analyse.

Projet à moyen terme

La plate-forme va poursuivre son développement scientifique selon quatre grands axes directeurs :

  1. Instrumentation innovante

La mesure en continu du profil d'ozone s'avère cruciale pour mieux comprendre les influences réciproques entre la pollution photochimique à l'échelle locale et le transport à l'échelle régionale. Le projet DéMOM (Développement et mise en œuvre de microlidars), financé par le DIM Analytics, va permettre de tester le concept de microlidar ozone, en complément du lidar ALTO, qui ne peut être mis en œuvre que de façon sporadique. Au travers de cette filière microlidar, la plate-forme Qualair soutient une activité de recherche et développement dont les enjeux dépassent la région parisienne (Equipex IAOOS, projet CNES Stratéole2).

  1. Synergies instrumentales

La plate-forme Qualair rassemble un nombre significatif d'instruments. Leur opération conjointe permet non seulement de réaliser des campagnes d'observation très documentées, mais aussi d'améliorer les algorithmes d'inversion en combinant les données. Dans les années qui viennent la priorité sera donnée au lien avec les mesures satellites. Il importe en particulier de mieux caractériser la capacité des satellites à observer la couche limite en milieu urbain, source de nombreuses émissions, ainsi que la variabilité horizontale des observations au centre de Paris. Deux missions sont d'ores et déjà identifiées : IASI pour une meilleure caractérisation du profil d'ozone (en lien avec le lidar rétrodiffusion, le Picarro du LSCE, et le spectromètre infrarouge en mode NDACC du LERMA ; Calipso (en lien avec le lidar rétrodiffusion et le photomètre pour une meilleure caractérisation des aérosols).

  1. Exploitation scientifique

Les analyses des campagnes Végilot-2014 et ParisDarkNigh-2016 vont se poursuivre. Elles permettront en particulier de mieux comprendre :

  • l'impact du développement matinal de la couche limite sur la photochimie urbaine
  • l'influence des jets nocturnes sur la pollution à l'échelle régional
  • l'importance de la chimie nocturne sur le bilan des oxydes d'azote et de l'ozone.

Du point de vue des tendances, il serait certainement utile de s'appuyer sur les données du radar Curie pour estimer la variabilité du mélange turbulent dans la couche limite. Ce radar pouvant désormais commuter pour fonctionner en présence de précipitations, il devient par ailleurs possible de contribuer à l'étude des perturbations du cycle de l'eau au sein de l'îlot de chaleur urbain.

  1. Diffusion des données

La mise à disposition de la communauté scientifique des observations réalisées au niveau de la plate-forme doit se poursuivre, en particulier via la participation à des réseaux de mesures régionaux, français, européens et internationaux. Une refonte de la base de données Qualair en vue de faciliter leur accès et de valoriser ses résultats ne pourrait par ailleurs qu'être bénéfique.

Par ailleurs, la station accueille régulièrement des étudiants (M2 OACOS & SPE) et le grand public (fête de la science, formation d'enseignants). Malheureusement, le potentiel de formation de la station demeure limité compte tenu de l'exiguïté des locaux et du caractère unique des instruments déployés. L'accent est donc mis sur une sensibilisation aux enjeux de l'observation et sur une présentation des techniques de mesures.

Les besoins de la plate-forme sont donc les suivants : un assistant ingénieur pour le suivi au quotidien des instruments, la validation et la diffusion des données, des locaux pour accueillir du public, en particulier des étudiants, des crédits de fonctionnement pour la maintenance des instruments, les principaux investissements ayant déjà été réalisés. L'association des équipes du LERMA et du LSCE à l'OSU permettrait de soutenir leurs activités et de valoriser globalement les observations scientifiques réalisées au niveau de la station de mesures.