LES SPÉCIFICATIONS TECHNIQUES DU SERVICE COPERNICUS DE SURVEILLANCE DE L'ATMOSPHÈRE
1. CHAMP D'APPLICATION
Le service Copernicus de surveillance de l'atmosphère (CAMS) fournit des informations fondées sur des données satellitaires afin de faciliter la surveillance de la composition de l'atmosphère terrestre. Il développe également sa propre capacité de surveillance permanente de la composition chimique de l'atmosphère terrestre à l'échelle mondiale et régionale à partir de moyens enrichis en données satellitaires. Ce service comprend la description de la situation actuelle de l'atmosphère (analyse), la prédiction de la situation quelques jours à l'avance (prévisions) et la fourniture de relevés de données rétrospectives cohérentes pour les dernières années (réanalyse). Il génère des produits géophysiques qui peuvent servir de point de départ à des traitements techniques plus poussés, ainsi que des informations de haut niveau sous diverses formes pour d'autres évaluations d'experts destinées à soutenir les décideurs. Les produits sont soumis à des contrôles de la qualité rigoureux visant à garantir le plus haut niveau de qualité.
Le CAMS soutient de nombreuses applications élaborées par des parties prenantes dans une pluralité de domaines dont la santé, la surveillance environnementale, les énergies renouvelables, la météorologie et la climatologie. Il fournit des informations quotidiennes sur la composition atmosphérique mondiale d'après les données satellitaires traitées et grâce à la surveillance et à la prédiction de composants tels que les gaz à effet de serre (dioxyde de carbone et méthane), les gaz réactifs et les aérosols, notamment les pollens dans toute l'Europe.
Le CAMS doit être perfectionné afin de pouvoir répondre aux besoins en données et en informations traitées liés aux préoccupations environnementales. Le CAMS propose des inventaires d'émissions et des estimations de flux nets de CO2, de CH4 et de N2O à la surface de la Terre. Le CAMS entend promouvoir la participation à la communauté du FAIRMODE en vue de favoriser l'harmonisation de la modélisation régionale.
2. EXIGENCES DES UTILISATEURS ET PRINCIPAUX DOMAINES D'APPLICATION
Le CAMS fournit différents services répartis en cinq catégories thématiques, regroupant les données et/ou produits d'information en fonction de leurs principaux domaines d'application:
a) qualité de l'air et composition atmosphérique: ces produits caractérisent la composition chimique de l'atmosphère et fournissent des informations sur les gaz à effet de serre, les gaz réactifs et les aérosols. Les produits sont fournis à l'échelon mondial et couvrent la totalité de l'atmosphère, avec une résolution horizontale affinée et sur un domaine régional comprenant l'Union et les régions alentour, notamment les États membres de l'EEE. Les produits incluent, en particulier, les espèces chimiques pertinentes pour les règles européennes et nationales ainsi que pour les traités internationaux;
b) forçage climatique: des produits spécialisés sont fournis pour quantifier l'incidence sur le système terrestre du forçage causé par les changements de la composition atmosphérique qui sont eux-mêmes provoqués par l'activité humaine;
c) couche d'ozone et rayons UV: des informations sur le rayonnement ultraviolet et les composants particulièrement importants pour la couche d'ozone stratosphérique sont fournies;
d) rayonnement solaire: le domaine couvre des produits sur le rayonnement importants dans le contexte de l'énergie solaire;
e) émissions et flux de surface: le CAMS fournit également des informations sur les sources de surface et les puits des principaux gaz à effet de serre.
Les domaines ne sont pas exclusifs les uns des autres et certains produits peuvent apparaître dans différents domaines.
3. ARCHITECTURE DU SERVICE
La conception de l'architecture du service doit être cohérente avec la vision générale et la stratégie de développement de Copernicus.
Elle comprend quatre principaux éléments de service:
a) acquisition et prétraitement des données d'entrée, essentiellement les observations (obtenues grâce aux instruments satellitaires et in situ) et les données auxiliaires nécessaires à l'estimation des émissions de polluants et à l'analyse des concentrations de polluants dans l'atmosphère;
b) traitement mondial: traitement passant par trois modes opératoires pour assurer la fourniture des produits requis par les utilisateurs:
1) production quotidienne pour les prévisions et analyses en temps quasi réel;
2) production quotidienne pour les prévisions et analyses en mode différé;
3) flux de production de réanalyses générant des jeux de données pluriannuels et cohérents avec un système d'assimilation/modèle gelé;
c) traitement régional: cet élément de service bénéficie d'une résolution spatiale supérieure et soutient notamment les activités de modélisation plus en aval pour les sous-régions, à une échelle plus précise encore, ainsi que les activités nationales de surveillance et de prévision de la qualité de l'air et des pollens;
d) services complémentaires: ils concernent le traitement des demandes, ainsi que les produits et services fondés sur ou intégrés dans les principaux résultats du traitement à l'échelle mondiale et à l'échelle régionale de l'Union.
Les quatre fonctions transversales portent sur les éléments suivants:
a) assurance et contrôle de la qualité;
b) archivage;
c) diffusion des produits;
d) formation, communication et interaction des utilisateurs.
4. PORTEFEUILLE DE SERVICES TECHNIQUES
Les produits du CAMS sont fournis gratuitement aux utilisateurs inscrits par le biais d'un catalogue interactif disponible sur le portail web du CAMS.
Le portefeuille de produits du CAMS est organisé en quatre catégories principales et en treize gammes de produits.
1) Produits régionaux
Les produits régionaux sont fournis par un ensemble de modèles de qualité de l'air (comptant jusqu'à dix membres) pour le domaine européen et pour plusieurs espèces chimiques, notamment: épisodes et concentrations ambiantes d'O3, de NO2, de NO, de CO, de SO2, de NH3, de NPA, de COV, de PM2,5, de PM10 et de pollens (principaux allergènes).
Les services comprennent les éléments suivants:
a) prévisions et analyses quotidiennes en temps quasi réel;
b) réanalyses intermédiaires quotidiennes en mode différé fondées sur des observations in situ lors du stade intermédiaire de validation;
c) réanalyses annuelles fondées sur des observations in situ entièrement validées.
2) Produits mondiaux
Les produits mondiaux sont fournis en utilisant le système de prévision intégré (IFS) du CEPMMT, qui sert également aux activités de prédiction météorologique numérique du centre. Les services consistent à effectuer des prévisions et des analyses quotidiennes en temps quasi réel et en mode différé, ainsi que des réanalyses, couvrant la période depuis 2003. Les espèces chimiques comprennent les aérosols, les gaz réactifs (seul un sous-ensemble de ces derniers est directement limité par les observations), le CO2 et le CH4. Les produits mondiaux couvrent la troposphère et la stratosphère.
3) Produits complémentaires
Les produits complémentaires sont fondés sur ou intégrés dans les produits mondiaux et régionaux.
Les produits de soutien aux politiques se composent de rapports d'évaluation commentant les données des réanalyses régionales en vue d'une utilisation par les experts techniques qui conseillent les décideurs, de scénarios quotidiens de prédiction des épisodes de pollution visant à évaluer l'efficacité des stratégies de réduction des émissions à court terme, et de calculs source-récepteur fournissant des informations sur l'origine des épisodes de pollution atmosphérique:
a) rapports d'évaluation intermédiaires fondés sur les réanalyses européennes intermédiaires;
b) rapports d'évaluation fondés sur les réanalyses européennes exécutées au moyen de données validées;
c) prévisions quotidiennes de «scénarios verts» avec un niveau réduit d'émissions anthropiques;
d) calculs source-récepteur nationaux, à la demande;
e) calculs source-récepteur régionaux quotidiens (répartition entre pollution locale et pollution transportée pour un grand nombre de conurbations européennes).
Les produits sur le rayonnement solaire incluent les prévisions mondiales de rayonnements ultraviolets utilisés dans le secteur de la santé ainsi que les bases de données d'irradiations solaires par temps clair et plein ciel utilisées dans le secteur de l'énergie solaire et d'autres secteurs:
a) prévisions de l'indice de rayonnement UV solaire dans le monde;
b) irradiations solaires par temps clair dans le monde;
c) irradiations solaires plein ciel (au-dessus des zones couvertes par des satellites géostationnaires).
Les produits sur l'inversion des flux de gaz à effet de serre se composent d'estimations des flux de surface pour quelques-uns des principaux gaz à effet de serre, obtenues par modélisation inverse:
a) flux mensuels de méthane dans le monde (2000 à 2015);
b) flux mensuels d'oxyde d'azote dans le monde (1996 à 2015);
c) flux mensuels de dioxyde de carbone dans le monde (1979 à 2015).
Les éléments de service sur le forçage climatique fournissent des estimations sur l'incidence du forçage climatique des aérosols, d'après la dernière réanalyse mondiale:
a) forçage causé par l'interaction entre aérosols et rayonnements;
b) forçage causé par l'interaction entre aérosols et nuages;
c) forçage causé par le CO2;
d) forçage causé par le CH4;
e) forçage causé par l'ozone stratosphérique;
f) forçage causé par l'ozone troposphérique.
4) Produits sur les émissions
Les produits sur les émissions du CAMS constituent d'importants intrants dans les systèmes d'analyse mondiaux et régionaux. En parallèle, ils sont fournis en tant que produits finis aux utilisateurs. Les produits sur les émissions sont les suivants:
a) émissions anthropiques;
1) émissions anthropiques en Europe;
2) émissions naturelles et anthropiques dans le monde;
b) émissions dues aux incendies et à la combustion de biomasse, d'après les observations satellitaires de l'énergie radiative des incendies.
5. BESOINS EN DONNÉES
L'acquisition et le prétraitement des données constituent l'interface directe avec les composants d'observation spatiale et in situ.
Le CAMS se compose de deux ensembles de critères relatifs à la ponctualité du flux de données d'observation:
a) les composants du CAMS qui sont exploités quotidiennement ont besoin de données accessibles en temps quasi réel (TQR), soit quelques heures après l'observation; par conséquent, les critères de contrôle de la qualité des données correspondants doivent être compatibles avec un tel accès en TQR et un traitement automatique;
b) les composants du CAMS exploités en différé utilisent des données accessibles plusieurs semaines ou plusieurs mois après l'observation.
5. 1. Données d'observation satellitaires
Les systèmes de prévision et d'assimilation des données sont au cœur de la production du CAMS. Le système d'assimilation des données du CAMS utilise les observations des satellites pour ajuster le modèle de prévision afin que les prévisions soient le plus proche possible des conditions atmosphériques réelles. Les modèles sont lancés quotidiennement. Pour cela, les prévisions de la veille sont fusionnées avec les observations afin de générer la meilleure estimation possible des conditions atmosphériques au début de chaque nouvelle prévision.
Les services de prévisions mondiales du CAMS fonctionnent en temps réel, en mode différé et sous la forme de réanalyses, et ils utilisent les données d'observation satellitaires tant pour les observations météorologiques que pour l'analyse de la composition atmosphérique.
Les catégories des observations utilisées comprennent:
a) les observations opérationnelles, qui sont actuellement utilisées dans les systèmes de prévision et d'assimilation des données du CAMS;
b) les observations pré-opérationnelles, dont la capacité d'utilisation opérationnelle est actuellement analysée;
c) les observations programmées, dont la mise en œuvre dans les systèmes du CAMS est actuellement à l'étude.
Le CAMS encourage un traitement ad hoc en temps quasi réel pour certaines observations qui ne sont habituellement pas traitées par l'infrastructure spatiale de Copernicus ou, plus généralement, par les agences spatiales internationales concernant les données satellitaires. Les données issues des missions d'étude atmosphérique Sentinel-5P, Sentinel-4 et Sentinel-5 sont prises en compte pour l'amélioration du CAMS.
5. 2. Données d'observations in situ
Le CAMS n'exploite pas de systèmes d'observation in situ et collecte des observations provenant d'une large palette de fournisseurs de données à des fins d'assimilation et de validation des données. Il utilise les infrastructures de recherche internationales et européennes existantes. Le CAMS ne soutient pas financièrement l'acquisition des données à proprement parler, mais il finance des activités spécifiques visant à améliorer leur traitement dans un contexte opérationnel. Des contrats spécifiques sont élaborés à cette fin avec les institutions et organisations internationales et européennes.