REFLECT : logiciel de restitution des réflectances au sol pour l’amélioration de la qualité de l'information extraite des images satellitales à haute résolution spatiale

RÉSUMÉ - Les images satellitales multispectrales, notamment celles à haute résolution spatiale (plus fine que 30 m au sol), représentent une source d’information inestimable pour la prise de décision dans divers domaines liés à la gestion des ressources naturelles, à la préservation de l’environnement ou à l’aménagement et la gestion des centres urbains. Les échelles d’étude peuvent aller du local (résolutions plus fines que 5 m) à des échelles régionales (résolutions plus grossières que 5 m). Ces images caractérisent la variation de la réflectance des objets dans le spectre qui est l’information clé pour un grand nombre d’applications de ces données. Or, les mesures des capteurs satellitaux sont aussi affectées par des facteurs « parasites » liés aux conditions d’éclairement et d’observation, à l’atmosphère, à la topographie et aux propriétés des capteurs. Deux questions nous ont préoccupé dans cette recherche. Quelle est la meilleure approche pour restituer les réflectances au sol à partir des valeurs numériques enregistrées par les capteurs tenant compte des ces facteurs parasites ? Cette restitution est-elle la condition sine qua non pour extraire une information fiable des images en fonction des problématiques propres aux différents domaines d’application des images (cartographie du territoire, monitoring de l’environnement, suivi des changements du paysage, inventaires des ressources, etc.) ? Les recherches effectuées les 30 dernières années ont abouti à une série de techniques de correction des données des effets des facteurs parasites dont certaines permettent de restituer les réflectances au sol. Plusieurs questions sont cependant encore en suspens et d’autres nécessitent des approfondissements afin, d’une part d’améliorer la précision des résultats et d’autre part, de rendre ces techniques plus versatiles en les adaptant à un plus large éventail de conditions d’acquisition des données. Nous pouvons en mentionner quelques unes : - Comment prendre en compte des caractéristiques atmosphériques (notamment des particules d’aérosol) adaptées à des conditions locales et régionales et ne pas se fier à des modèles par défaut qui indiquent des tendances spatiotemporelles à long terme mais s’ajustent mal à des observations instantanées et restreintes spatialement ? - Comment tenir compte des effets de « contamination » du signal provenant de l’objet visé par le capteur par les signaux provenant des objets environnant (effet d’adjacence) ? ce phénomène devient très important pour des images de résolution plus fine que 5 m; - Quels sont les effets des angles de visée des capteurs hors nadir qui sont de plus en plus présents puisqu’ils offrent une meilleure résolution temporelle et la possibilité d’obtenir des couples d’images stéréoscopiques ? - Comment augmenter l’efficacité des techniques de traitement et d’analyse automatique des images multispectrales à des terrains accidentés et montagneux tenant compte des effets multiples du relief topographique sur le signal capté à distance ? D’autre part, malgré les nombreuses démonstrations par des chercheurs que l’information extraite des images satellitales peut être altérée à cause des tous ces facteurs parasites, force est de constater aujourd’hui que les corrections radiométriques demeurent peu utilisées sur une base routinière tel qu’est le cas pour les corrections géométriques. Pour ces dernières, les logiciels commerciaux de télédétection possèdent des algorithmes versatiles, puissants et à la portée des utilisateurs. Les algorithmes des corrections radiométriques, lorsqu’ils sont proposés, demeurent des boîtes noires peu flexibles nécessitant la plupart de temps des utilisateurs experts en la matière. Les objectifs que nous nous sommes fixés dans cette recherche sont les suivants : 1) Développer un logiciel de restitution des réflectances au sol tenant compte des questions posées ci-haut. Ce logiciel devait être suffisamment modulaire pour pouvoir le bonifier, l’améliorer et l’adapter à diverses problématiques d’application d’images satellitales; et 2) Appliquer ce logiciel dans différents contextes (urbain, agricole, forestier) et analyser les résultats obtenus afin d’évaluer le gain en précision de l’information extraite par des images satellitales transformées en images des réflectances au sol et par conséquent la nécessité d’opérer ainsi peu importe la problématique de l’application. Ainsi, à travers cette recherche, nous avons réalisé un outil de restitution de la réflectance au sol (la nouvelle version du logiciel REFLECT). Ce logiciel est basé sur la formulation (et les routines) du code 6S (Seconde Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre Solaire) et sur la méthode des cibles obscures pour l’estimation de l’épaisseur optique des aérosols (aerosol optical depth, AOD), qui est le facteur le plus difficile à corriger. Des améliorations substantielles ont été apportées aux modèles existants. Ces améliorations concernent essentiellement les propriétés des aérosols (intégration d’un modèle plus récent, amélioration de la recherche des cibles obscures pour l’estimation de l’AOD), la prise en compte de l’effet d’adjacence à l’aide d’un modèle de réflexion spéculaire, la prise en compte de la majorité des capteurs multispectraux à haute résolution (Landsat TM et ETM+, tous les HR de SPOT 1 à 5, EO-1 ALI et ASTER) et à très haute résolution (QuickBird et Ikonos) utilisés actuellement et la correction des effets topographiques l’aide d’un modèle qui sépare les composantes directe et diffuse du rayonnement solaire et qui s’adapte également à la canopée forestière. Les travaux de validation ont montré que la restitution de la réflectance au sol par REFLECT se fait avec une précision de l’ordre de ±0.01 unités de réflectance (pour les bandes spectrales du visible, PIR et MIR), même dans le cas d’une surface à topographie variable. Ce logiciel a permis de montrer, à travers des simulations de réflectances apparentes à quel point les facteurs parasites influant les valeurs numériques des images pouvaient modifier le signal utile qui est la réflectance au sol (erreurs de 10 à plus de 50%). REFLECT a également été utilisé pour voir l’importance de l’utilisation des réflectances au sol plutôt que les valeurs numériques brutes pour diverses applications courantes de la télédétection dans les domaines des classifications, du suivi des changements, de l’agriculture et de la foresterie. Dans la majorité des applications (suivi des changements par images multi-dates, utilisation d’indices de végétation, estimation de paramètres biophysiques, …), la correction des images est une opération cruciale pour obtenir des résultats fiables. D’un point de vue informatique, le logiciel REFLECT se présente comme une série de menus simples d’utilisation correspondant aux différentes étapes de saisie des intrants de la scène, calcul des transmittances gazeuses, estimation de l’AOD par la méthode des cibles obscures et enfin, l’application des corrections radiométriques à l’image, notamment par l’option rapide qui permet de traiter une image de 5000 par 5000 pixels en 15 minutes environ. Cette recherche ouvre une série de pistes pour d’autres améliorations des modèles et méthodes liés au domaine des corrections radiométriques, notamment en ce qui concerne l’intégration de la FDRB (fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle) dans la formulation, la prise en compte des nuages translucides à l’aide de la modélisation de la diffusion non sélective et l’automatisation de la méthode des pentes équivalentes proposée pour les corrections topographiques.

Développement de méthodes d’analyse directe de polluants organiques volatils à l’état de traces dans l’air et les biogaz

Il est reconnu que le benzène, le toluène, l’éthylbenzène et les isomères du xylène, composés organiques volatils (COVs) communément désignés BTEX, produisent des effets nocifs sur la santé humaine et sur les végétaux dépendamment de la durée et des niveaux d’exposition. Le benzène en particulier est classé cancérogène et une exposition à des concentrations supérieures à 64 g/m3 de benzène peut être fatale en 5–10 minutes. Par conséquent, la mesure en temps réel des BTEX dans l’air ambiant est essentielle pour détecter rapidement un danger associé à leur émission dans l’air et pour estimer les risques potentiels pour les êtres vivants et pour l’environnement. Dans cette thèse, une méthode d’analyse en temps réel des BTEX dans l’air ambiant a été développée et validée. La méthode est basée sur la technique d’échantillonnage direct de l’air couplée avec la spectrométrie de masse en tandem utilisant une source d’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI-MS/MS directe). La validation analytique a démontré la sensibilité (limite de détection LDM 1–2 μg/m3), la précision (coefficient de variation CV < 10%), l’exactitude (exactitude > 95%) et la sélectivité de la méthode. Des échantillons d’air ambiant provenant d’un site d’enfouissement de déchets industriels et de divers garages d’entretien automobile ont été analysés par la méthode développée. La comparaison des résultats avec ceux obtenus par la technique de chromatographie gazeuse on-line couplée avec un détecteur à ionisation de flamme (GC-FID) a donné des résultats similaires. La capacité de la méthode pour l’évaluation rapide des risques potentiels associés à une exposition aux BTEX a été prouvée à travers une étude de terrain avec analyse de risque pour la santé des travailleurs dans trois garages d’entretien automobile et par des expériences sous atmosphères simulées. Les concentrations mesurées dans l’air ambiant des garages étaient de 8,9–25 µg/m3 pour le benzène, 119–1156 µg/m3 pour le toluène, 9–70 µg/m3 pour l’éthylbenzène et 45–347 µg/m3 pour les xylènes. Une dose quotidienne environnementale totale entre 1,46 10-3 et 2,52 10-3 mg/kg/jour a été déterminée pour le benzène. Le risque de cancer lié à l’exposition environnementale totale au benzène estimé pour les travailleurs étudiés se situait entre 1,1 10-5 et 1,8 10-5. Une nouvelle méthode APCI-MS/MS a été également développée et validée pour l’analyse directe de l’octaméthylcyclotétrasiloxane (D4) et le décaméthylcyclopentasiloxane (D5) dans l’air et les biogaz. Le D4 et le D5 sont des siloxanes cycliques volatils largement utilisés comme solvants dans les processus industriels et les produits de consommation à la place des COVs précurseurs d’ozone troposphérique tels que les BTEX. Leur présence ubiquitaire dans les échantillons d’air ambiant, due à l’utilisation massive, suscite un besoin d’études de toxicité. De telles études requièrent des analyses qualitatives et quantitatives de traces de ces composés. Par ailleurs, la présence de traces de ces substances dans un biogaz entrave son utilisation comme source d’énergie renouvelable en causant des dommages coûteux à l’équipement. L’analyse des siloxanes dans un biogaz s’avère donc essentielle pour déterminer si le biogaz nécessite une purification avant son utilisation pour la production d’énergie. La méthode développée dans cette étude possède une bonne sensibilité (LDM 4–6 μg/m3), une bonne précision (CV < 10%), une bonne exactitude (> 93%) et une grande sélectivité. Il a été également démontré qu’en utilisant cette méthode avec l’hexaméthyl-d18-disiloxane comme étalon interne, la détection et la quantification du D4 et du D5 dans des échantillons réels de biogaz peuvent être accomplies avec une meilleure sensibilité (LDM ~ 2 μg/m3), une grande précision (CV < 5%) et une grande exactitude (> 97%). Une variété d’échantillons de biogaz prélevés au site d’enfouissement sanitaire du Complexe Environnemental de Saint-Michel à Montréal a été analysée avec succès par cette nouvelle méthode. Les concentrations mesurées étaient de 131–1275 µg/m3 pour le D4 et 250–6226 µg/m3 pour le D5. Ces résultats représentent les premières données rapportées dans la littérature sur la concentration des siloxanes D4 et D5 dans les biogaz d’enfouissement en fonction de l’âge des déchets.

Étude des gènes d'Actinobacillus pleuropneumoniae exprimés en conditions d'infection

Actinobacillus pleuropneumoniae est l’agent étiologique de la pleuropneumonie porcine. La bactérie se transmet par voies aériennes et contacts directs. Plusieurs facteurs de virulence ont été identifiés, nommément les polysaccharides capsulaires, les lipopolysaccharide, les exotoxines ApxI à IV et de nombreux mécanismes d’acquisition du fer. Aucun vaccin efficace contre tous les sérotypes de la bactérie n’a encore été élaboré. Afin de mieux comprendre de quelle façon A. pleuropneumoniae régule la transcription de ses nombreux facteurs de virulence et de découvrir de nouvelles cibles potentielles pour l’élaboration de vaccins efficaces, le profil transcriptomique de la bactérie a été étudié dans des conditions simulant l’infection ainsi qu’à la suite d’une infection naturelle aiguë chez l’animal. Des biopuces de première et de seconde génération (AppChip1 et AppChip2) comportant respectivement 2025 cadres de lecture ouverts (ORF) de la version préliminaire du génome d’A. pleuropneumoniae sérotype 5b souche L20 et 2033 ORF de la version finale annotée du même génome ont été utilisées. Dans un premier temps, des expériences réalisées dans des conditions de concentration restreinte en fer ont permis d’identifier 210 gènes différentiellement exprimés, dont 92 étaient surexprimés. Plusieurs nouveaux mécanismes d’acquisition du fer ont pu être identifiés, incluant un système homologue au système YfeABCD de Yersinia pestis, impliqué dans l’acquisition du fer chélaté, ainsi que des gènes homologues aux composantes du système HmbR de Neisseria meningitidis impliqué dans l’acquisition du fer à partir de l’hémoglobine. Dans des conditions de culture permettant la formation de biofilms, les gènes tadC et tadD d’un opéron tad (« tight adherence locus ») putatif, les gènes pgaBC impliqués dans la synthèse d’un polysaccharide de la matrice du biofilm ainsi que deux gènes présentant de fortes homologies avec un gène codant pour l’adhésine auto-transporteur Hsf retrouvée chez Haemophilus influenzae ont montré une surexpression significative. Plusieurs de ces gènes ont également été retrouvés lors d’expériences réalisées avec des cellules épithéliales d’origine pulmonaire en culture, qui ont permis d’identifier 170 gènes différentiellement exprimés après la croissance planctonique au-dessus des cellules, et 131 autres suite à l’adhésion à ces cellules. Parmis les gènes surexprimés, les gènes tadB et rcpA de l’opéron tad putatif, les gènes pgaBC ainsi que le gène codant pour l’homologue d’Hsf ont été retrouvés. En présence de liquide de lavage broncho-alvéolaire (BALF), 156 gènes ont montré un profil d’expression modifié, et le gène apxIVA, identifié comme étant surexprimé, a pu être détecté pour la première fois dans des conditions de croissance in vitro. Finalement, des expériences visant à déterminer les gènes utilisés directement chez l’animal en phase aiguë de la pleuropneumonie porcine ont permis d’identifier 150 gènes qui étaient différentiellement exprimés. En plus d’identifier des gènes d’un possible opéron codant pour un fimbriae de type IV, 3 des 72 gènes surexprimés sont conservés chez tous les sérotypes d’A. pleuropneumoniae et codent pour des protéines ou lipoprotéines de surface. Nos expériences ont permis d’identifier plusieurs nouveaux facteurs de virulence potentiels chez A. pleuropneumoniae ainsi que plusieurs nouvelles cibles potentielles pour l’élaboration de vaccins efficaces contre tous les sérotypes.

Épidémiologie du syndrome reproducteur et respiratoire porcin dans deux régions de densités porcines différentes au Québec

Le virus du syndrome reproducteur et respiratoire porcin (SRRP) est actuellement l’une des principales menaces pour la santé des troupeaux porcins. Les multiples voies de transmission complexifient l’épidémiologie de l’infection et en font une maladie particulièrement difficile à contrôler. L’objectif général de ce projet de recherche était de déterminer les facteurs associés au statut SRRP des sites de production afin de mieux comprendre l’épidémiologie de cette maladie au sein de deux régions du Québec ayant des densités porcines différentes. Les stratégies d’introduction des cochettes de remplacement ont d’abord été examinées. Des lacunes importantes ont été identifiées représentant un risque potentiel pour l’introduction du virus ou pour la recirculation d’une souche endémique au sein d’un troupeau reproducteur. Ainsi, appliquée à titre de stratégie de contrôle, l’acclimatation s’est révélée particulièrement problématique. Les principes de base étaient peu respectés, pouvant donc avoir un impact négatif considérable sur la circulation virale au sein du troupeau et potentiellement sur le voisinage immédiat. La fréquence de plusieurs mesures de biosécurité externe a ensuite été évaluée, permettant d’identifier certains problèmes dont ceux touchant principalement les mesures d’hygiène relatives au protocole d’entrée. Des différences de fréquence entre les régions et les types de production ont également été notées, ce qui peut orienter les interventions de rehaussement. Une classification multivariée a permis de grouper les sites en différents patrons de biosécurité pour constituer par le fait même un index de biosécurité. Cette étape a permis d’évaluer l’association entre certaines caractéristiques de l’élevage et le niveau de biosécurité indiqué par l’index. La distribution géographique des patrons au sein des deux régions, couplée à la détection d’agrégats spatiaux de sites ayant un patron similaire, a également permis de cibler davantage les interventions en fonction de la localisation des sites. Suite à l’investigation du statut SRRP des sites, une prévalence apparente très élevée a été obtenue pour les deux régions, complexifiant le contrôle de la maladie. L’étude de facteurs de risque dans la région de densité modérée a mis en évidence quatre facteurs associés au statut SRRP positif des sites, soit un inventaire important, la proximité du site porcin immédiat, l’absence de douche ainsi que le libre accès au site par l’équarrisseur. Une action préventive intégrant des mesures de biosécurité spécifiques peut donc être entreprise directement à la ferme au regard des deux derniers facteurs. Le fait d’utiliser un index de biosécurité plutôt que des mesures de biosécurité spécifiques a également été évalué. Les résultats ne supportent pas l’index global dans l’évaluation de l’association entre la biosécurité et le statut SRRP des sites de production. Finalement, la corrélation entre les distances génétique, euclidienne et temporelle des souches de SRRP, considérant également l’appartenance au même ou à des propriétaires différents, a été évaluée au sein de la région de haute densité. Une corrélation positive entre la distance génétique et euclidienne observée jusqu’à 5 km a souligné l’importance de la propagation régionale impliquant les aérosols, les insectes, d’autres espèces animales ou les objets inanimés. De plus, les souches génétiquement similaires appartenaient davantage à des sites ayant le même propriétaire, ce qui sous-tend des mécanismes de transmission impliquant une source commune d’animaux, d’employés, d’équipement, voire de véhicules.

Influence de la taille de départ, de l’état d’agglomération et de la dose de nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) inhalées sur la réponse pulmonaire chez le rat

En raison de leur petite taille, les nanoparticules (NP) (< 100 nm) peuvent coaguler très rapidement ce qui favorise leur pénétration dans l’organisme sous forme d’agglomérats. L’objectif de cette recherche est d’étudier l’influence de l’état d’agglomération de NP de dioxyde de titane (TiO2) de trois tailles de départ différentes, 5, 10-30 ou 50 nm sur la toxicité pulmonaire chez le rat mâle (F344) exposé à des aérosols de 2, 7 ou 20 mg/m3 pendant 6 heures. Dans une chambre d’inhalation, six groupes de rats (n = 6 par groupe) ont été exposés par inhalation aiguë nez-seulement à des aérosols ayant une taille primaire de 5 nm, mais produits sous forme faiblement (< 100 nm) ou fortement (> 100 nm) agglomérée à 2, 7 et 20 mg/m3. De façon similaire, quatre autres groupes de rats ont été exposés à 20 mg/m3 à des aérosols ayant une taille primaire de 10-30 et 50 nm. Les différents aérosols ont été générés par nébulisation à partir de suspensions ou par dispersion à sec. Pour chaque concentration massique, un groupe de rats témoins (n = 6 par groupe) a été exposé à de l’air comprimé dans les mêmes conditions. Les animaux ont été sacrifiés 16 heures après la fin de l’exposition et les lavages broncho-alvéolaires ont permis de doser des marqueurs d’effets inflammatoires, cytotoxiques et de stress oxydant. Des coupes histologiques de poumons ont également été analysées. L’influence de l’état d’agglomération des NP de TiO2 n’a pu être discriminée à 2 mg/m3. Aux concentrations massiques de 7 et 20 mg/m3, nos résultats montrent qu’une réponse inflammatoire aiguë est induite suite à l'exposition aux aérosols fortement agglomérés. En plus de cette réponse, l’exposition aux aérosols faiblement agglomérés à 20 mg/m3 s’est traduite par une augmentation significative de la 8-isoprostane et de la lactate déshydrogénase. À 20 mg/m3, les effets cytotoxiques étaient plus importants suite à l’exposition aux NP de 5 nm faiblement agglomérées. Ces travaux ont montré dans l'ensemble que différents mécanismes de toxicité pulmonaire peuvent être empruntés par les NP de TiO2 en fonction de la taille de départ et de l’état d’agglomération.

Effets des changements climatiques sur la santé et la sécurité des travailleurs au Québec

Les impacts des changements climatiques sur la population sont nombreux et ont été relativement bien documentés, ce qui n’est pas le cas de ces impacts sur la santé et la sécurité des travailleurs. L’objectif de cette thèse est de documenter les effets négatifs des changements climatiques sur la santé et la sécurité des travailleurs dans une région d’un pays industrialisé à climat tempéré, comme le Québec. Pour y arriver, deux approches ont été utilisées : a) les dangers et les effets sanitaires ont été identifiés par une revue de la littérature validée par des experts nationaux et internationaux, et des priorités de recherche ont été établies à l’aide d’une méthode de consultation itérative, b) des modèles statistiques, utiles à l’estimation des impacts sanitaires des changements climatiques, ont été développés pour apprécier les associations entre la survenue de lésions professionnelles et l’exposition des travailleurs aux chaleurs estivales et à l’ozone troposphérique, deux problématiques préoccupantes pour le Québec. Le bilan des connaissances a mis en évidence cinq catégories de dangers pouvant affecter directement ou indirectement la santé et la sécurité des travailleurs au Québec (vagues de chaleur, polluants de l’air, rayonnements ultraviolets, événements météorologiques extrêmes, maladies vectorielles transmissibles et zoonoses) et cinq conditions pouvant entraîner des modifications dans l’environnement de travail et pouvant ultimement affecter négativement la santé et la sécurité des travailleurs (changements dans les méthodes agricoles et d’élevage, altérations dans l’industrie de la pêche, perturbations de l’écosystème forestier, dégradation de l’environnement bâti et émergence de nouvelles industries vertes). Quant aux modélisations, elles suggèrent que les indemnisations quotidiennes pour des maladies liées à la chaleur et pour des accidents de travail augmentent avec les températures estivales, et que ces associations varient selon l’âge des travailleurs, le secteur industriel et la catégorie professionnelle (manuelle vs autre). Des associations positives statistiquement non significatives entre les indemnisations pour des atteintes respiratoires aiguës et les concentrations d’ozone troposphérique ont aussi été observées. Dans l’ensemble, cette thèse a permis de dégager douze pistes de recherche prioritaires pour le Québec se rapportant à l’acquisition de connaissances, à la surveillance épidémiologique et au développement de méthodes d’adaptation. Selon les résultats de cette recherche, les intervenants en santé au travail et les décideurs devraient déployer des efforts pour protéger la santé et la sécurité des travailleurs et mettre en place des actions préventives en vue des changements climatiques.

Stratosphere Troposphere Interactions Associated With the Dynamical Processes in the Atmosphere

The aim of the present study is to understand the biennial scale stratosphere-troposphere interactions over India, and synoptic to interannual timescale meridional stratosphere-troposhere exchanges caused by upper tropospheric/lower stratospheric longwaves using NCEP/NCAR reanalysis data and satellite measured total ozone data. The biennial timescale interaction between lower stratosphere and troposphere over Thumba is analysed using high-resolution radiosonde data. The results suggest that TBO and QBO are two different phenomena with nearly biennial periodicity. Interannual timescale meridional stratosphere-troposphere exchanges caused by the newly documented Asia Pacific Wave (APW) were analysed using ozone as tracer of atmospheric motion. Synoptic timescale meridional stratosphere-troposhere exchanges caused by subtropical upper tropospheric long waves over Asia were studied using global total ozone measurements from TOMS. This research work can be extended to study the influence of decadal scale epochal nature in Indian summer monsoon activity on the APW generated total ozone anomalies around the globe and the trend estimates in total ozone

Characteristics of Upper Troposphere and Lower Stratosphere in Relation to Asian Summer Monsoon

The present work is an attempt to understand the characteristics of the upper troposphere and lower stratosphere over the Asian summer monsoon region, more specifically over the Indian subcontinent. Mainly three important parameters are taken such as zonal wind, temperature and ozone over the UT/LS of the Asian summer monsoon region. It made a detailed study of its interannual variability and characteristics of theses parameters during the Indian summer monsoon period. Monthly values of zonal wind and temperature from the NCEP/NCAR reanalysis for the period 1960-2002 are used for the present study. Also the daily overpass total ozone data for the 12 Indian stations (from low latitude to high latitudes) from the TOMS Nimbus 7 satellite for the period 1979 to 1992 were also used to understand the total ozone variation over the Indian region. The study reveals that if QBO phases in the stratosphere is easterly or weak westerly then the respective monsoon is found to be DRY or below Normal . On the other hand, if the phase is westerly or weak easterly the respective Indian summer monsoon is noted as a WET year. This connection of stratospheric QBO phases and Indian summer monsoon gives more insight in to the long-term predictions of Indian summer monsoon rainfall. Wavelet analysis and EOF methods are the two advanced statistical techniques used in the present study to explore more information of the zonal wind that from the smaller scale to higher scale variability over the Asian summer monsoon region. The interannual variability of temperature for different stratospheric and tropospheric levels over the Asian summer monsoon region have been studied. An attempt has been made to understand the total ozone characteristics and its interannual variablilty over 12 Indian stations spread from south latitudes to north latitudes. Finally it found that the upper troposphere and lower stratosphere contribute significantly to monsoon variability and climate changes. It is also observed that there exists a link between the stratospheric QBO and Indian summer monsoon

Studies on the Characteristics of Vertical Circulation and Equatorial Waves using Indian MST Radar

The aim of the present study is to understand the characteristics and properties of different wave modes and the vertical circulation pattern in the troposphere and lower stratosphere over Indian region using data obtained from the Indian Mesosphere-Stratosphere Troposphere (MST) radar, National Center for Environmental Prediction/National Centres of Atmospheric Research (NCEP/NCAR) reanalysed data and radiosonde observations.Studies on the vertical motion in monsoon Hadley circulation are carried out and the results are discussed . From the analysis of MST radar data, an overall picture of vertical motion of air over Indian region is explained and noted that there exists sinking motion both during winter and summer. Besides, the study shows that there is an anomalous northerly wind in the troposphere over the southern peninsular region during southwest monsoon season.The outcome of the study on intrusion of mid-latitude upper tropospheric trough and associated synoptic-scale vertical velocity over the tropical Indian latitudes are reported and discussed . It shows that there is interaction between north Indian latitudes and tropical easterly region, when there is an eastward movement of Western Disturbance across the country. It explains the strengthening of westerlies and a change of winter westerlies into easterlies in the tropical troposphere and lower stratosphere. The divergence field computed over the MST radar station shows intensification in the downward motion in association with the synoptic systems of the northwest Indian region.

Propagation of Microwaves in the Troposphere with Potential Application to GPS based Navigation and Meteorology with emphasis on Indian region

Global Positioning System (GPS), with its high integrity, continuous availability and reliability, revolutionized the navigation system based on radio ranging. With four or more GPS satellites in view, a GPS receiver can find its location anywhere over the globe with accuracy of few meters. High accuracy - within centimeters, or even millimeters is achievable by correcting the GPS signal with external augmentation system. The use of satellite for critical application like navigation has become a reality through the development of these augmentation systems (like W AAS, SDCM, and EGNOS, etc.) with a primary objective of providing essential integrity information needed for navigation service in their respective regions. Apart from these, many countries have initiated developing space-based regional augmentation systems like GAGAN and IRNSS of India, MSAS and QZSS of Japan, COMPASS of China, etc. In future, these regional systems will operate simultaneously and emerge as a Global Navigation Satellite System or GNSS to support a broad range of activities in the global navigation sector.Among different types of error sources in the GPS precise positioning, the propagation delay due to the atmospheric refraction is a limiting factor on the achievable accuracy using this system. The WADGPS, aimed for accurate positioning over a large area though broadcasts different errors involved in GPS ranging including ionosphere and troposphere errors, due to the large temporal and spatial variations in different atmospheric parameters especially in lower atmosphere (troposphere), the use of these broadcasted tropospheric corrections are not sufficiently accurate. This necessitated the estimation of tropospheric error based on realistic values of tropospheric refractivity. Presently available methodologies for the estimation of tropospheric delay are mostly based on the atmospheric data and GPS measurements from the mid-latitude regions, where the atmospheric conditions are significantly different from that over the tropics. No such attempts were made over the tropics. In a practical approach when the measured atmospheric parameters are not available analytical models evolved using data from mid-latitudes for this purpose alone can be used. The major drawback of these existing models is that it neglects the seasonal variation of the atmospheric parameters at stations near the equator. At tropics the model underestimates the delay in quite a few occasions. In this context, the present study is afirst and major step towards the development of models for tropospheric delay over the Indian region which is a prime requisite for future space based navigation program (GAGAN and IRNSS). Apart from the models based on the measured surface parameters, a region specific model which does not require any measured atmospheric parameter as input, but depends on latitude and day of the year was developed for the tropical region with emphasis on Indian sector.Large variability of atmospheric water vapor content in short spatial and/or temporal scales makes its measurement rather involved and expensive. A local network of GPS receivers is an effective tool for water vapor remote sensing over the land. This recently developed technique proves to be an effective tool for measuring PW. The potential of using GPS to estimate water vapor in the atmosphere at all-weather condition and with high temporal resolution is attempted. This will be useful for retrieving columnar water vapor from ground based GPS data. A good network of GPS could be a major source of water vapor information for Numerical Weather Prediction models and could act as surrogate to the data gap in microwave remote sensing for water vapor over land.

Sea Surface Temperature-Convection Relationship in Tropical Oceans with Special Emphasis to Intraseasonal Variability of Indian Summer Monsoon

The SST convection relation over tropical ocean and its impact on the South Asian monsoon is the first part of this thesis. Understanding the complicated relation between SST and convection is important for better prediction of the variability of the Indian monsoon in subseasonal, seasonal, interannual, and longer time scales. Improved global data sets from satellite scatterometer observations of SST, precipitation and refined reanalysis of global wind fields have made it possible to do a comprehensive study of the SST convection relation. Interaction of the monsoon and Indian ocean has been discussed. A coupled feedback process between SST and the Active-Break cycle of the Asian summer monsoon is a central theme of the thesis. The relation between SST and convection is very important in the field of numerical modeling of tropical rainfall. It is well known that models generally do very well simulating rainfall in areas of tropical convergence zones but are found unable to do satisfactory simulation in the monsoon areas. Thus in this study we critically examined the different mechanisms of generation of deep convection over these two distinct regions.The study reported in chapter 3 has shown that SST - convection relation over the warm pool regions of Indian and west Pacific oceans (monsoon areas) is in such a way that convection increases with SST in the SST range 26-29 C and for SST higher than 29-30 C convection decreases with increase of SST (it is called Waliser type). It is found that convection is induced in areas with SST gradients in the warm pool areas of Indian and west Pacific oceans. Once deep convection is initiated in the south of the warmest region of warm pool, the deep tropospheric heating by the latent heat released in the convective clouds produces strong low level wind fields (Low level Jet - LLJ) on the equatorward side of the warm pool and both the convection and wind are found to grow through a positive feedback process. Thus SST through its gradient acts only as an initiator of convection. The central region of the warm pool has very small SST gradients and large values of convection are associated with the cyclonic vorticity of the LLJ in the atmospheric boundary layer. The conditionally unstable atmosphere in the tropics is favorable for the production of deep convective clouds.

Spatio-temporal Variability of Atmospheric Ozone over Indian Subcontinent and its Relation to Meteorological Parameters

Ozone present in the atmosphere not only absorbs the biologically harmful ultraviolet radiation but also is an important ingredient of the climate system. The radiative absorption properties of ozone make it a determining factor in the structure of the atmosphere. Ozone in the troposphere has many negative impacts on humans and other living beings. Another significant aspect is the absorption of outgoing infrared radiation by ozone thus acting as a greenhouse gas. The variability of ozone in the atmosphere involves many interconnections with the incoming and outgoing radiation, temperature circulation etc. Hence ozone forms an important part of chemistry-climate as well as radiative transfer models. This aspect also makes the quantification of ozone more important. The discovery of Antarctic ozone hole and the role of anthropogenic activities in causing it made it possible to plan and implement necessary preventive measures. Continuous monitoring of ozone is also necessary to identify the effect of these preventive steps. The reactions involving the formation and destruction of ozone are influenced significantly by the temperature fluctuations of the atmosphere. On the other hand the variations in ozone can change the temperature structure of the atmosphere. Indian subcontinent is a region having large weather and climate variability which is evident from the large interannual variability of monsoon system over the region. Nearly half of Indian region comprises the tropical region. Most of ozone is formed in the tropical region and transported to higher latitudes. The formation and transport of ozone can be influenced by changes in solar radiation and various atmospheric circulation features. Besides industrial activities and vehicular traffic is more due to its large population. This may give rise to an increase in the production of tropospheric ozone which is greenhouse gas. Hence it becomes necessary to monitor the atmospheric ozone over this region. This study probes into the spatial distribution and temporal evolution of ozone over Indian subcontinent and discusses the contributing atmospheric parameters.

Role of sea-surface wind and transport on enhanced aerosol optical depth observed over the Arabian Sea

The objective of this study is to understand the reasons for the enhancement in aerosol optical depth (AOD) over the Arabian Sea observed during June, July and August. During these months, high values of AOD are found over the sea beyond 10◦ N and adjacent regions. The Arabian Sea is bounded by the lands of Asia and Africa on its three sides. So the region is influenced by transported aerosols from the surroundings as well as aerosols of local origin (marine aerosols). During the summer monsoon season in India, strong surface winds with velocities around 15 m s−1 are experienced over most parts of the Arabian Sea. These winds are capable of increasing sea spray activity, thereby enhancing the production of marine aerosols. The strong winds increase the contribution of marine aerosols over the region to about 60% of the total aerosol content. The main components of marine aerosols include sea salt and sulphate particles. The remaining part of the aerosol particles comes from the western and northern land masses around the sea, of which the main component is transported dust particles. This transport is observed at higher altitudes starting from 600 m. At low levels, the transport occurs mainly from the Indian Ocean and the Arabian Sea itself, indicating the predominance of marine aerosols at these levels. The major portion of the total aerosol loading was contributed by coarse-mode particles during the period of study. But in the winter season, the concentration of coarse-mode aerosols is found to be less. From the analysis, it is concluded that the increase in marine aerosols and dust particles transported from nearby deserts results in an increase in aerosol content over the Arabian Sea during June, July and August.

Effects of Air Pollution Control on Climate

Urban air pollution and climate are closely connected due to shared generating processes (e.g., combustion) for emissions of the driving gases and aerosols. They are also connected because the atmospheric lifecycles of common air pollutants such as CO, NOx and VOCs, and of the climatically important methane gas (CH4) and sulfate aerosols, both involve the fast photochemistry of the hydroxyl free radical (OH). Thus policies designed to address air pollution may impact climate and vice versa. We present calculations using a model coupling economics, atmospheric chemistry, climate and ecosystems to illustrate some effects of air pollution policy alone on global warming. We consider caps on emissions of NOx, CO, volatile organic carbon, and SOx both individually and combined in two ways. These caps can lower ozone causing less warming, lower sulfate aerosols yielding more warming, lower OH and thus increase CH4 giving more warming, and finally, allow more carbon uptake by ecosystems leading to less warming. Overall, these effects significantly offset each other suggesting that air pollution policy has a relatively small net effect on the global mean surface temperature and sea level rise. However, our study does not account for the effects of air pollution policies on overall demand for fossil fuels and on the choice of fuels (coal, oil, gas), nor have we considered the effects of caps on black carbon or organic carbon aerosols on climate. These effects, if included, could lead to more substantial impacts of capping pollutant emissions on global temperature and sea level than concluded here. Caps on aerosols in general could also yield impacts on other important aspects of climate beyond those addressed here, such as the regional patterns of cloudiness and precipitation.

UV index measurement and model agreement: uncertainties and limitations

En les últimes dècades, l'increment dels nivells de radiació solar ultraviolada (UVR) que arriba a la Terra (principalment degut a la disminució d'ozó estratosfèric) juntament amb l'augment detectat en malalties relacionades amb l'exposició a la UVR, ha portat a un gran volum d'investigacions sobre la radiació solar en aquesta banda i els seus efectes en els humans. L'índex ultraviolat (UVI), que ha estat adoptat internacionalment, va ser definit amb el propòsit d'informar al públic general sobre els riscos d'exposar el cos nu a la UVR i per tal d'enviar missatges preventius. L'UVI es va definir inicialment com el valor màxim diari. No obstant, el seu ús actual s'ha ampliat i té sentit referir-se a un valor instantani o a una evolució diària del valor d'UVI mesurat, modelitzat o predit. El valor concret d'UVI està afectat per la geometria Sol-Terra, els núvols, l'ozó, els aerosols, l'altitud i l'albedo superficial. Les mesures d'UVI d'alta qualitat són essencials com a referència i per estudiar tendències a llarg termini; es necessiten també tècniques acurades de modelització per tal d'entendre els factors que afecten la UVR, per predir l'UVI i com a control de qualitat de les mesures. És d'esperar que les mesures més acurades d'UVI s'obtinguin amb espectroradiòmetres. No obstant, com que els costs d'aquests dispositius són elevats, és més habitual trobar dades d'UVI de radiòmetres eritemàtics (de fet, la majoria de les xarxes d'UVI estan equipades amb aquest tipus de sensors). Els millors resultats en modelització s'obtenen amb models de transferència radiativa de dispersió múltiple quan es coneix bé la informació d'entrada. No obstant, habitualment no es coneix informació d'entrada, com per exemple les propietats òptiques dels aerosols, la qual cosa pot portar a importants incerteses en la modelització. Sovint, s'utilitzen models més simples per aplicacions com ara la predicció d'UVI o l'elaboració de mapes d'UVI, ja que aquests són més ràpids i requereixen menys paràmetres d'entrada. Tenint en compte aquest marc de treball, l'objectiu general d'aquest estudi és analitzar l'acord al qual es pot arribar entre la mesura i la modelització d'UVI per condicions de cel sense núvols. D'aquesta manera, en aquest estudi es presenten comparacions model-mesura per diferents tècniques de modelització, diferents opcions d'entrada i per mesures d'UVI tant de radiòmetres eritemàtics com d'espectroradiòmeters. Com a conclusió general, es pot afirmar que la comparació model-mesura és molt útil per detectar limitacions i estimar incerteses tant en les modelitzacions com en les mesures. Pel que fa a la modelització, les principals limitacions que s'han trobat és la falta de coneixement de la informació d'aerosols considerada com a entrada dels models. També, s'han trobat importants diferències entre l'ozó mesurat des de satèl·lit i des de la superfície terrestre, la qual cosa pot portar a diferències importants en l'UVI modelitzat. PTUV, una nova i simple parametrització pel càlcul ràpid d'UVI per condicions de cel serens, ha estat desenvolupada en base a càlculs de transferència radiativa. La parametrització mostra una bona execució tant respecte el model base com en comparació amb diverses mesures d'UVI. PTUV ha demostrat la seva utilitat per aplicacions particulars com ara l'estudi de l'evolució anual de l'UVI per un cert lloc (Girona) i la composició de mapes d'alta resolució de valors d'UVI típics per un territori concret (Catalunya). En relació a les mesures, es constata que és molt important saber la resposta espectral dels radiòmetres eritemàtics per tal d'evitar grans incerteses a la mesura d'UVI. Aquest instruments, si estan ben caracteritzats, mostren una bona comparació amb els espectroradiòmetres d'alta qualitat en la mesura d'UVI. Les qüestions més importants respecte les mesures són la calibració i estabilitat a llarg termini. També, s'ha observat un efecte de temperatura en el PTFE, un material utilitzat en els difusors en alguns instruments, cosa que potencialment podria tenir implicacions importants en el camp experimental. Finalment, i pel que fa a les comparacions model-mesura, el millor acord s'ha trobat quan es consideren mesures d'UVI d'espectroradiòmetres d'alta qualitat i s'usen models de transferència radiativa que consideren les millors dades disponibles pel que fa als paràmetres òptics d'ozó i aerosols i els seus canvis en el temps. D'aquesta manera, l'acord pot ser tan alt dins un 0.1º% en UVI, i típicament entre menys d'un 3%. Aquest acord es veu altament deteriorat si s'ignora la informació d'aerosols i depèn de manera important del valor d'albedo de dispersió simple dels aerosols. Altres dades d'entrada del model, com ara l'albedo superficial i els perfils d'ozó i temperatura introdueixen una incertesa menor en els resultats de modelització.