# Le site instrumenté CO-PDD dédié à la surveillance de l'atmosphère

Jean-Luc Baray, Laurent Deguillaume

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Jean-Luc Baray, Laurent Deguillaume. Le site instrumenté CO-PDD dédié à la surveillance de l'atmosphère. La Météorologie, 2022, 118, pp.045. 10.37053/lameteorologie-2022-0060. hal-03898615

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# Le site instrumenté CO-PDD dédié à la surveillance de l'atmosphère

### Jean-Luc Baray, Laurent Deguillaume

Laboratoire de météorologie physique, Université Clermont-Auvergne / CNRS / OPGC, Clermont-Ferrand

J-Luc.BARAY@uca.fr

Laurent.Deguillaume@uca.fr

(reçu le 10 mars 2022 ; accepté le 22 avril 2022)

Le vingtième siècle a vu une modification importante de la composition chimique de l'atmosphère, provoquée par une industrialisation massive et une urbanisation intensive ainsi que l'essor de l'agriculture et des trafics routier, maritime et aérien. Les activités anthropiques ont conduit à une augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère dont le forçage radiatif modifie à son tour la température de la plante (IPCC, 2021). La projection à long terme de l'évolution de l'atmosphère repose sur des modèles climatiques, mais il est crucial de maintenir et développer des sites instrumentés à la pointe de la connaissance et des technologies. Ces observatoires permettent de surveiller sur le long terme l'évolution de la composition de la troposphère, de caractériser les processus complexes liant gaz, aérosols,

nuages et précipitations aux différentes échelles spatiales et temporelles et d'estimer l'impact des modifications anthropiques en termes climatique (rayonnement) et météorologique (précipitations) (figure 1). C'est précisément la raison d'être du site instrumenté Cézeaux-Aulnat Opme Puy de Dôme (CO-PDD), une plateforme d'observation hébergée par l'Université Clermont-Auvergne, qui fournit des séries d'observations de plus de 70 paramètres atmosphériques (figure 2) pouvant servir à la calibration et à la validation des observations spatiales. En outre, certains de ces paramètres sont assimilés dans les modèles globaux.

Le site est labellisé par l'Institut national des sciences de l'univers du CNRS, soutenu par le Cnes pour la validation spatiale et très impliqué

## Résumé

Le site instrumenté Cézeaux-Aulnat Opme Puy de Dôme (CO-PDD) est une plateforme d'observation de l'atmosphère labellisée à l'échelle nationale par le CNRS et le Cnes, impliquée dans des réseaux internationaux pour le climat tels que GAW (Global Atmospheric Watch) et dans des infrastructures de recherche telles que Actris (Aerosol Cloud and Trace gases Research Infrastructure) ou Icos (Integrated Carbon Observation System). Composé de quatre stations de mesures in situ et par télédétection dans la région clermontoise, il produit sur le long terme des mesures de la composition atmosphérique gazeuse et particulière, des nuages et des précipitations en incluant la dimension verticale. Sa localisation géographique lui permet d'échantillonner des masses d'air présentant des origines très diverses, dans des conditions d'ennuagement très fréquentes. Cela en fait un site exceptionnel pour caractériser la variabilité environnementale de la composition atmosphérique.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1. Composants et processus liant gaz, aérosols, nuages, précipitations et dynamique atmosphériques étudiés à partir des données produites par le site instrumenté CO-PDD.</figcaption></figure>
# Abstract

## The instrumented site CO-PDD for the survey of the atmosphere

The instrumented site Cézeaux-Aulnat Opme Puy de Dôme (CO-PDD) is an atmosphere observation platform labeled at the national level by CNRS and CNES institutes and involved in international climate networks such as GAW (Global Atmospheric Watch) and in research infrastructures such as ACTRIS (Aerosol Cloud and Trace gas Research Infrastructure) or ICOS (Integrated Carbon Observation System). Composed of four *in situ* and remote sensing measurement points around the city of Clermont-Ferrand, it produces long-term measurements of gaseous and aerosol atmospheric composition, clouds and precipitation, including the vertical dimension. Its geographical location allows various origin air masses to be sampled, in very frequent cloudy conditions. This makes it an exceptional site for characterizing the environmental variability of the atmospheric composition.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2. Localisation des différents points de mesures composant le site CO-PDD. Crédit : Jean-Luc Baray.</figcaption></figure>

dans des infrastructures de recherche européennes telles que Icos<fnref n="1" /> pour les gaz à effet de serre et Actris<fnref n="2" /> pour l'observation et l'exploration des aérosols, des nuages, des gaz réactifs et de leurs interactions. Le site instrumenté CO-PDD est composé de plusieurs stations, équipées d'instruments complémentaires permettant des mesures *in situ* et par télédétection, et, de ce fait, fournissant de l'information à différentes échelles spatiales, verticales et horizontales. La station du puy de Dôme est un lieu unique pour l'étude des nuages, du fait de sa localisation géographique exceptionnelle à l'interface entre la couche limite sous influence des émissions locales et la troposphère libre, plus représentative d'une maille climatique à une échelle régionale. Elle reçoit majoritairement des masses d'air d'origine océanique, auxquelles la chaîne des puys oppose une barrière orographique favorisant la formation des nuages. C'est pour ces raisons que le puy de Dôme a été le premier site en France à recevoir le label GAW<fnref n="3" /> en 2015. Ce label est décerné par l'Organisation météorologique mondiale à une trentaine de stations scientifiques de référence dans le monde.

# Historique

L'histoire de l'observation de l'atmosphère en Auvergne est très ancienne, puisque c'est le 19 septembre 1648 que Blaise Pascal et Florin Perrier font l'expérience de la pesanteur et de la pression atmosphérique au sommet du

puy de Dôme et jettent les bases des études atmosphériques. La destruction de la flotte française par une tempête pendant la guerre de Crimée en 1854 ayant sensibilisé les pouvoirs politiques de l'époque sur l'importance de l'étude de la météorologie en France, Émile Alluard (1815-1908), alors professeur de physique à la Faculté des sciences de Clermont-Ferrand, porte le projet d'installer un premier observatoire de météorologie de montagne au sommet du puy de Dôme, à 1 465 mètres d'altitude. La construction commence en 1872 et s'achève en 1876. L'Observatoire du puy de Dôme (alors nommé « station supérieure ») est complété d'une station de plaine (appelée « station inférieure ») installée au centre de Clermont-Ferrand, rue Rabanesse, à 300 mètres d'altitude, puis déplacée avenue des Landais en 1913 (figure 3).

L'observatoire était alors équipé d'appareils pour le suivi météorologique de haute technicité pour l'époque, tels que thermomètres, anémomètres, baromètre enregistreur à mercure, thermo-hygrographe de Hasler, pluviomètre et hygromètre à condensation (figure 4). Ces instruments étaient opérés par un gardien de l'observatoire vivant sur place avec sa famille.

Les mesures de météorologie ont été complétées par des mesures de gaz réactifs tels que l'ozone et de particules

<footnote n="1">1. https://icos-france.fr/</footnote>

<footnote n="2">2. https://www.actris.fr/</footnote>

<footnote n="3">3. https://gawsis.meteoswiss.ch/GAWSIS/#/</footnote>
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>(b)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>(c)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>(d)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

Figure 3. (a) Station de plaine rue de Rabanesse à Clermont-Ferrand. (b) Observatoire du puy de Dôme derrière l'habitation du gardien à la fin du XIXᵉ siècle. (c) Terrasse instrumentée (radar en bande X et lidar) du site universitaire des Cézeaux (photo : Jean-Luc Baray). (d) Station actuelle du puy de Dôme devant l'antenne de Télédiffusion de France (photo : Jean-Luc Baray).

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>(b)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

Figure 4. (a) Hygromètre d'Alluard permettant de quantifier le taux d'humidité de l'air ambiant à partir de la température et du point de rosée (photo : Vincent Moncorgé). (b) Instrumentation actuellement déployée sur le site des Cézeaux pour la mesure du rayonnement solaire et des colonnes intégrées d'aérosols (photo : Jean-Luc Baray).
d'aérosols (carbone suie) à partir de 1995, de gaz à effet de serre à partir de 1999 et de nombreuses autres mesures atmosphériques (radioactivité, micro- physique et biochimie du nuage, etc.) depuis les années 2000. Le site urbain des Cézeaux (Université Blaise-Pascal, puis Clermont-Auvergne à partir de 2017) héberge des instruments de me- sure par télédétection active (radar de- puis 2006 et lidar depuis 2009). Le site rural d'Opme a été instrumenté à par- tir de 1999 afin d'héberger le profileur de vent stratosphère-troposphère (en bande VHF), dont l'imposante antenne ne pouvait plus être déployée sur le site des Cézeaux. En 2012, le site d'Aul- nat, près de l'aéroport de Clermont- Ferrand, a également été instrumenté en 2012 pour accueillir le profileur de vent basse troposphère en bande UHF. Divers instruments de mesures des précipitations complètent le dispositif à Opme, aux Cézeaux et à Aulnat.

La température au sommet du puy de Dôme est un paramètre dont on détient les séries les plus longues et dont les premières valeurs remontent à la créa- tion de l'observatoire à la fin du XIXe siècle (figure 5). La température la plus élevée, +30,1 °C, a été mesurée le 27 juin 2019 alors qu'une vague de chaleur exceptionnelle impactait toute l'Europe de l'Ouest. La température la plus basse, -27,2 °C, a été relevée le 10 février 1956, deux ans après l'hiver 1954 et l'appel de l'abbé Pierre.

## Les gaz traces réactifs

L'atmosphère est composée majori- tairement de diazote et de dioxygène, ainsi que d'un grand nombre de gaz traces, en concentrations beaucoup plus faibles, mais néanmoins de grande importance pour la qualité de l'air et pour le bilan radiatif de l'atmosphère. Certains gaz réactifs à courte durée de vie sont associés aux épisodes de pollution. Ils sont mesurés en continu à la station du puy de Dôme : ce sont l'ozone au moyen d'analyseurs UV depuis 1995, le dioxyde de soufre au moyen d'analyseurs par fluorescence depuis 1995 et les oxydes d'azote (NO, NOₓ) au moyen d'analyseurs par chimi- luminescence à l'ozone depuis 2003.

Différents composés organiques vola- tils (COV) émis par des sources anthro- piques ou biogéniques sont également mesurés au puy de Dôme. Les gaz sont piégés dans des cartouches et sont

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 5. Compilation des jeux de données historiques et actuels de température mesurée au sommet du puy de Dôme. Les températures horaires sont en noir, les moyennes mensuelles en bleu et la régression linéaire en rouge, dont l'encadré superposé aux moyennes annuelles montre une pente de +1,4 ± 0,7 °C par siècle.</figcaption></figure>

ensuite analysés par chromatographie en phase gazeuse/spectrométrie de masse (GC-MS, Gas Chromatography Mass Spectrometry) depuis 2010 de

façon hebdomadaire. Un système de mesure en ligne utilisant également la chromatographie GC-FID (Gas Chromatography – Flame Ionization

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 6. (a) Instrumentation dédiée à la mesure des gaz traces réactifs au puy de Dôme (photo : Jean-Luc Baray). (b) Série temporelle entre 2003 et 2021 des mesures de dioxyde de soufre montrant une diminution de 0,23 ± 0,05 partie par billion en volume (ppbv) par décade depuis le début des mesures.</figcaption></figure>
Detector), est opérationnel depuis 2018 et permet le suivi en continu de certains composés organiques volatils qui sont des traceurs des sources de pollution.

L'analyse des mesures a montré une diminution de la concentration de certains de ces gaz réactifs liés aux activités humaines, d'une part pour des raisons locales (accès au sommet des visiteurs par le train panoramique et fermeture de la route au trafic automobile en 2012), d'autre part du fait du durcissement des normes antipollution à l'échelle européenne. Par exemple, le dioxyde de soufre peut être produit par de multiples petites sources, telles que les installations de chauffage domestique ou les véhicules à moteur diesel..., ou par des sources ponctuelles plus importantes, telles que les centrales de production électrique, certaines usines ou chaufferies urbaines. Ce polluant a vu sa concentration fortement baisser au sommet du puy de Dôme depuis le début des mesures (figure 6).

## Les gaz à effet de serre

Les gaz à effet de serre ont une durée de vie dans l'atmosphère beaucoup plus longue que les gaz réactifs et ont un pouvoir réchauffant de l'atmosphère en absorbant les rayonnements infrarouges émis par la surface terrestre. Le dioxyde de carbone (CO₂), le méthane (CH₄) et le protoxyde d'azote (N₂O) font partie des principaux gaz à effet de serre.

Ces gaz sont prélevés sur une base hebdomadaire dans des bouteilles analysées a posteriori. Ces prélèvements sont complétés depuis 2011 par des mesures en continu par spectroscopie (instrument Picarro) dont le fonctionnement est sous la responsabilité de l'équipe de l'équipe Ramces/Icos du Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE/IPSL)<fnref n="4" />. Depuis la révolution industrielle, les activités humaines émettent de plus en plus de gaz à effet de serre, ce qui entraîne une augmentation globale de la température terrestre, comme en témoigne le dernier rapport du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (Giec)<fnref n="5" />. Les mesures de CO₂ du puy de Dôme montrent une augmentation régulière à l'instar des mesures effectuées dans d'autres observatoires (figure 7). Récemment, une étude basée sur des observations à l'échelle européenne et intégrant celles du puy de Dôme a permis de mettre

<figure><img src="image_13.png" /></figure>

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 7. (a) Instrumentation dédiée à la mesure des gaz à effet de serre au puy de Dôme (photo : Jean-Luc Baray). (b) Série temporelle entre 2001 et 2021 des mesures de dioxyde de carbone montrant une augmentation de 20,2 ± 1,7 parties par million en volume (ppmv) par décade depuis le début des mesures.</figcaption></figure>

en évidence une relation entre vagues de sécheresse et de chaleur, telles que celle de l'été 2018, et l'évolution des concentrations de CO₂ atmosphérique (Ramonet et al., 2020). Les auteurs suggèrent une baisse du piégeage du CO₂ par la biosphère subissant ces épi-sodes extrêmes.

La vapeur d'eau est également un gaz à effet de serre qui présente plusieurs spécificités : naturellement présente dans l'atmosphère, elle est un élément du cycle de l'eau atmosphérique et participe à la formation des nuages et des précipitations. Elle présente un très fort gradient vertical (la plus grande partie de la vapeur d'eau atmosphérique est près du sol et sa concentration diminue avec l'altitude) et, de ce fait, elle peut être utilisée comme traceur des masses d'air et particulièrement des mouvements verticaux, tels que les échanges entre la stratosphère et la troposphère ou entre la couche limite et la troposphère libre. La vapeur d'eau bénéficie

donc d'une attention toute particulière. Outre les mesures in situ par capteur d'humidité et par le Picarro du puy de Dôme, des profils verticaux de vapeur d'eau sont mesurés par télédétection avec l'instrument lidar des Cézeaux et des colonnes verticales intégrées sont obtenues avec les stations GPS implantées sur les différents sites de CO-PDD.

## Les particules d'aérosol

L'atmosphère est constituée majoritairement de gaz, mais elle contient également des particules solides d'aérosol en suspension dans l'air. Ces poussières ont des effets importants sur le climat et la qualité de l'air. Elles sont émises par voies naturelles (végétation, océan,

<footnote n="4">4. https://www.lsce.ipsl.fr/</footnote>

<footnote n="5">5. https://www.ipcc.ch/languages-2/francais/</footnote>
volcans...) et anthropiques (trafics rouler, industries...). La station du puy de Dôme est équipée d'instruments permettant de déterminer leur concentration en nombre (entre quelques centaines et quelques milliers de particules par centimètre cube d'air) et en masse (quelques microgrammes par mètre cube d'air), leur taille (entre 1 nano- mètre et une dizaine de micromètres), leurs propriétés d'absorption et de diffusion du rayonnement solaire, leur composition chimique et leur capacité à former des gouttelettes (noyaux de condensation).

Une instrumentation spécifique (Wibs-DMT, Wideband Integrated Bioaerosol Sensor by Droplet Measurement Technologies<fnref n="6" />) a été acquise récemment pour l'analyse des bioaérosols (pollens, bactéries, champignons, etc.). Le principe repose sur la mesure de la fluorescence pour en déduire la

présence de matériel biologique dans les particules. L'analyse fournit des données détaillées sur la taille, la mesure relative de la forme et les propriétés fluorescentes pour permettre leur classification. De même que pour les gaz réactifs, la tendance à la diminution de la concentration en particules atmosphériques est liée à l'évolution du contexte local (fermeture de la route d'accès aux véhicules) et global (diminution des rejets industriels et du trafic routier) (figure 8).

En complément des observations in situ en altitude au puy de Dôme, les aérosols sont également mesurés par télédétection active (lidar) et passive (photomètre) sur le site des Cézeaux. La diversité des mesures des aérosols atmosphériques déployées sur le site a permis de nombreuses études de climatologie (Freney et al., 2011) et de processus microphysiques en lien, par

exemple, avec la formation de nouvelles particules (Rose et al., 2015) ou à l'interface couche limite-troposphère libre (Farah et al., 2021).

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 8. (a) Instrumentation dédiée à la mesure des aérosols au puy de Dôme (photo : Jean-Luc Baray). (b) Série temporelle entre 2001 et 2021 du nombre de particules montrant une diminution de $9 \pm 5 \times 10^2 \text{ cm}^{-3}$ par décade depuis le début des mesures.</figcaption></figure>

## Les nuages

La chaîne des puys est fréquemment soumise à un flux d'ouest apportant des masses d'air d'origine océanique, car il n'y a pas de relief marqué jusqu'à l'océan Atlantique. L'air humide arrivant de l'océan s'élève en altitude au contact de la chaîne des puys, se refroidit et sa vapeur d'eau condense sur les volcans aboutissant à la formation de nuages orographiques ; des systèmes nuageux formés en amont de la chaîne des puys peuvent également rencontrer le sommet des volcans, particulièrement le puy de Dôme dont l'altitude est la plus élevée. Une analyse automatisée des images de la webcam du puy de Dôme a montré que l'observatoire est dans les nuages jusqu'à 60 % du temps en hiver (Baray et al., 2019). Cela en fait un site privilégié pour l'étude in situ des nuages ; il s'agit d'ailleurs du seul endroit en France où les nuages sont collectés et analysés régulièrement depuis le début des années 2000. Les gouttelettes nuageuses sont collectées sous forme liquide grâce à un collecteur de nuages permettant ensuite des mesures de paramètres chimiques et microbiologiques. Ce site est le seul en Europe à caractériser le contenu en micro-organismes du nuage et pour cette motivation, le chalet est équipé d'une salle de microbiologie pour travailler en conditions stériles (figure 9). L'étude du développement microbien sur milieu riche (le milieu gélatineux déposé sur une boîte de Pétri) permet le comptage des colonies qui se développent, mais aussi l'identification des micro-organismes (bactéries, champignons, levures...) présents dans l'eau nuageuse. Un poste de sécurité microbiologique permet de travailler en conditions stériles, notamment pour le traitement des échantillons d'eau nuageuse.

Ces activités au sein du site instrumenté ont permis d'étudier la variabilité environnementale des nuages et de proposer une classification sur la base de leur composition chimique (Deguillaume et al., 2014). Les nuages sont également analysés plus en détail en laboratoire afin de caractériser la matière organique (Bianco et al., 2018) et la biodiversité (Amato et al., 2017).

<footnote n="6">6. https://www.dropletmeasurement.com/product/wideband-integrated-bioaerosol-sensor/</footnote>
<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Figure 9. Aspirateur à nuage (à gauche), poste de sécurité microbiologique (en haut à droite) et carte d'identité de l'eau de nuage du puy de Dôme indiquant les concentrations moyennes mesurées. Photo : Laurent Deguillaume.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Figure 10. Soufflerie de l'observatoire du puy de Dôme. L'entrée (1) est implantée face au vent dominant sur la façade ouest du bâtiment, au premier étage. L'air est aspiré dans une veine de mesure (2) équipée d'instruments permettant de caractériser la physique du nuage (eau liquide, cristaux de glace...) par un ventilateur centrifuge, couplé à un moteur électrique qui permet d'aspirer jusqu'à 17 m³ d'air par seconde (3). Photo : Christophe Gourbeyre.</figcaption></figure>

Les paramètres physiques des nuages (nombre et diamètre des gouttelettes) sont mesurés sur la terrasse, sur le toit du chalet de l'observatoire, par spectrophotomètre laser à diffusion directe (Particulate Volume Monitor Gerber). Un radar nuage (polarimétrique Doppler à 35 GHz) est aujourd'hui en campagne longue durée sur le site d'Aydat, situé une dizaine de kilomètres au sud-ouest de Clermont-Ferrand, dans le cadre d'un projet interdisciplinaire qui vise à étudier la biologie du lac d'Aydat au regard des conditions

atmosphériques et de pluviométrie. Il permet de fournir des profils verticaux de réflectivité et de spectres Doppler, à partir desquels des informations sur les nuages et les précipitations peuvent être déduites (altitude et épaisseur des nuages, vitesses de chute des gouttes de pluie, etc.). Il est prévu qu'il intègre le parc instrumental CO-PDD à l'issue du projet, probablement sur le site d'Opme. Il apportera alors des informations importantes complémentaires aux prélèvements d'eau nuageuse effectués à l'observatoire du puy de Dôme.

## La soufflerie

En 2010, la réhabilitation du chalet de l'Observatoire de physique du globe de Clermont-Ferrand (OPGC) a permis d'y inclure une nouvelle soufflerie, dessinée à l'IUT d'Allier, avec pour ambition de mettre en place un centre d'essais fonctionnant en conditions atmosphériques naturelles, nuageuses ou non.

Selon le type d'application, deux veines de mesures interchangeables peuvent être utilisées : l'une dite « grande veine » dans laquelle la vitesse maximum est de 200 km h⁻¹, l'autre appelée « petite veine » où la vitesse maximum est de 430 km h⁻¹, soit Mach 0,35 (figure 10).

La soufflerie est utilisée pour des projets à caractère scientifique ('étude des cristaux de glace par exemple), technologique (intercomparaison de capteurs microphysiques [Guyot et al., 2015] ou pour la réalisation de tests et de validation d'instruments qui seront déployés sur les avions de recherche atmosphérique) et industriel (certification en conditions givrantes notamment).

## Les précipitations

Le site instrumenté CO-PDD dispose d'une configuration géographique propice à l'étude des précipitations au moyen d'un ensemble d'instruments adaptés : radar en bande X, Micro-Rain Radar (MRR) en bande K, pluviomètres et disdromètres optiques pour la détermination du spectre dimensionnel des gouttes au sol (figure 11). Cette suite instrumentale a permis de nombreuses études de l'hétérogénéité des précipitations et de processus microphysiques de la pluie, la détermination des relations entre la réflectivité radar et les cumuls de précipitation ou l'utilisation des mesures de vapeur d'eau comme prédicteur des précipitations à très court terme (Labbouz et al., 2015).

Un collecteur de pluie automatique Eigenbrodt est en opération à Opme depuis 2015 en collaboration avec une équipe de l'Institut de chimie de Clermont-Ferrand. Cet appareil permet l'analyse séquentielle de la composition chimique de la pluie et en particulier la teneur en noyaux de glaciation (INP, Ice Nuclei Particles).
<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Figure 11. Instrumentation dédiée à la mesure des paramètres microphysiques des précipitations en opération sur le site d'Opme. (a) Disdromètre optique, un pluviomètre optique qui mesure au sol les spectres vitesse-diamètres des gouttes de pluie. (b) Micro-Rain Radar, un radar vertical à haute résolution en temps et en altitude permettant de surveiller la genèse des cristaux de glace, la zone de fusion (bande brillante) et la formation de gouttes de pluie. Photos : Cyril Fresillon.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_19.png" /></figure>

## Les variables météorologiques, les radionucléides et le contexte dynamique

La connaissance du contexte dynamique et météorologique, de l'origine des masses d'air et de la hauteur de la couche limite sont des éléments fondamentaux pour analyser et interpréter la composition atmosphérique mesurée sur les différents sites de COPDD. Pour cela, des stations météorologiques sont en opération en continu aux Cézeaux, à Opme et au puy de Dôme. Des calculs de rétrotrajectoires systématiques fondées sur les dernières réanalyses ERA-5 du CEPMMT (Centre européen de prévision météorologique à moyen terme) sont disponibles sur l'observatoire virtuel de l'OPGC7 (figure 12). La détermination de la hauteur de la couche limite est une problématique complexe, particulièrement en contexte orographique, nécessitant différentes approches et mesures complémentaires. C'est aujourd'hui une question scientifique d'intérêt pour la communauté du réseau Actris. Il a néanmoins été établi que le puy de Dôme, du fait de son altitude de 1 465 m, était souvent proche de la limite entre la couche limite et la troposphère libre, au-dessus ou en dessous selon l'heure de la journée et selon la saison. Cette situation d'altitude intermédiaire permet donc d'étudier à la fois les propriétés de la couche limite atmosphérique et les propriétés de la basse troposphère libre, ainsi que les éventuels échanges et zones de mélange entre ces deux portions de l'atmosphère.

La nébulosité sur la région est surveillée au moyen d'une caméra automatique

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Figure 12. Exemple de rétrotrajectoires calculées avec le modèle CAT8 montrant, par exemple, la signature du passage du panache de l'éruption de l'Etna en février 2021 sur les mesures du puy de Dôme. Des statistiques sont fournies sous la figure (nombre et pourcentage de points de trajectoires au-dessus de la mer et du continent, dans les différents secteurs géographiques).</figcaption></figure>

plein ciel, en opération aux Cézeaux depuis 2015 (Baray et al., 2019), et le site a été équipé d'une autre caméra dédiée à l'observation des phénomènes lumineux transitoires entre 2010 et 2021 qui a permis, par exemple, de détailler l'activité électrique liée à des épisodes orageux pendant la campagne Hymex en octobre 2012 (Soula et al., 2015).

Les radionucléides naturels (7Be et $^{210}$Pb) et artificiel ($^{137}$Cs) sont mesurés dans les eaux nuageuses (puy de Dôme) et de pluie (Opme), et la mesure de la radioactivité des aérosols est effectuée par des échantillonneurs haut volume au puy de Dôme depuis 2005 et à Opme depuis 2006. Ces mesures sont effectuées dans le cadre du programme Opera-AIR de l'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN)9. Les isotopes du césium ($^{134}$Cs et $^{137}$Cs) sont directement liés aux accidents nucléaires ; des signatures de leurs concentrations mesurées sur les différents sites COPDD ont été relevées lors d'événements spécifiques tels que l'accident de Fukushima en mars 2011 (Masson et al., 2016) ou plus

récemment les incendies de forêt dans la région de Tchernobyl en avril 2020 et l'épisode de poussières sahariennes début février 2021.

La nécessité d'étendre sur la verticale les mesures de vent et de la composition atmosphérique (vapeur d'eau, aérosols, nuages) justifie la volonté de poursuivre et développer les mesures par lidar, radar et autres profileurs de vent et fait du site instrumenté COPDD, avec le soutien du Cnes, un point de validation des capteurs embarqués sur satellite et de comparaison des données en fonction de leur représentativité spatiale.

<footnote n="7">7. https://www.opgc.fr/data-center/public/data/copdd/trajectory</footnote>

<footnote n="8">8. L'ensemble des rétrotrajectoires arrivant au sommet du puy de Dôme depuis la réhabilitation du chalet sont disponibles à partir de l'observatoire virtuel de l'OPGC : https://www.opgc.fr/data-center/public/data/copdd/trajectory</footnote>

<footnote n="9">9. https://www.irsn.fr/FR/Larecherche/outils-scientifiques/installations-moyens-experimentaux/Opera/Pages/reseau-Opera-Air.aspx</footnote>
<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Figure 13. Manifestations organisées en 2021 pour les 150 ans de l'OPGC. (a) Équipe universitaire de course à pied, (b) accueil du public pour la fête de la science, (c) cérémonie avec l'accueil du climatologue Jean Jouzel à la station du puy de Dôme, (d) exposition au conseil départemental du photographe Vincent Moncorgé accueilli en résidence d'artiste durant 8 semaines entre janvier et octobre 2021. Photos : Vincent Moncorgé.</figcaption></figure>

## L'accès aux données, les réseaux et infrastructures de recherche

La plupart des données produites par le site sont en libre accès *via* l'observatoire virtuel de l'OPGC<fnref n="10" /> qui est la base de données locale. Les données du site instrumenté seront également accessibles dans le cadre du challenge agro-écosystèmes durables dans un contexte de changement global de l'I-Site clermontois CAP2025¹¹. Un des livrables est la mise en œuvre d'un Cloud Environnemental (Ceba) qui incarne l'ambition de créer un « grand » observatoire de l'environnement en Auvergne. Les mesures seront visibles *via* un portail d'accès regroupant l'ensemble des données environnementales (eau, air, sol) sur la région Auvergne. Beaucoup de mesures du site instrumenté sont intégrées dans des réseaux nationaux et internationaux. Aujourd'hui, les données acquises sont donc archivées sur les bases de données associées à ces réseaux qui proposent également des accès aux mesures des différents instruments du site, avec login/mot de passe ou en accès libre. On peut mentionner Ebas (base de données du centre de recherche norvégien Nilu)<fnref n="12" /> contenant les données horaires de mesures in situ des gaz et des aérosols du puy de Dôme, Aeronet (Aerosol

Robotic Network)<fnref n="13" /> qui fournit les mesures photométriques des aérosols aux Cézeaux, Earlinet (European Aerosol Research Lidar Network)<fnref n="14" /> qui fournit des données lidar du site, Icos<fnref n="15" /> qui fournit les mesures de gaz à effet de serre, E-Profile<fnref n="16" /> qui fournit les mesures des profileurs de vent. La base de données Resif/Renag (réseau national GNSS permanent)<fnref n="17" /> met à disposition les mesures de colonne de vapeur d'eau par GPS sur les différents sites CO-PDD.

Une volonté de structurer et rationaliser ces différentes bases de données est aujourd'hui menée au niveau national avec la mise en place du pôle de données pour l'atmosphère Aeris dont le portail contient un certain nombre de paramètres mesurés sur les différents sites CO-PDD. En particulier, le pôle Aeris fournit les données couvrant le domaine de l'infrastructure de recherche Actris (aérosols, nuages, gaz traces réactifs) et propose également des liens vers d'autres bases de données d'observation atmosphérique.

Le site CO-PDD est pleinement impliqué dans les infrastructures de recherche Actris/Actris-FR et Icos/ Icos-FR. Au niveau national, la structuration dans le cadre d'Actris-FR a permis de développer des liens avec les autres sites instrumentés français tels que le Site instrumental de recherche par télédétection

atmosphérique (Sirta)<fnref n="18" />, la plateforme pyrénéenne d'observation atmosphérique (P2OA)<fnref n="19" />, l'Observatoire de Haute-Provence (OHP)<fnref n="20" /> ou l'Observatoire de physique de l'atmosphère de La Réunion (Opar)<fnref n="21" />. Au niveau européen, la station du puy de Dôme a vocation à devenir une station importante (national facility) de l'infrastructure de recherche européenne Actris, susceptible d'accueillir des campagnes de mesures d'envergure européenne dans le cadre du projet Atmo-Access<fnref n="22" />. Cette implication dans l'infrastructure de recherche Actris permet une émulation scientifique au niveau de l'utilisation et de la visibilité des données du site, mais également une élévation du niveau d'exigence en termes d'équipements en fonctionnement, de protocoles de mesures et de traitements de données dans le cadre de groupes de travail thématiques (topical centers).

<footnote n="10">10. http://www.wobs.univ-bpclermont.fr/vobs/index.php</footnote>

<footnote n="11">11. https://www.uca.fr/universite/grands-projets/projet-i-site-cap-20-25</footnote>

<footnote n="12">12. http://ebas Nilu.no/</footnote>

<footnote n="13">13. http://aeronet.gsfc.nasa.gov/</footnote>

<footnote n="14">14. https://www.earlinet.org/</footnote>

<footnote n="15">15. https://data.icos-cp.eu/</footnote>

<footnote n="16">16. http://www.eumetnet.eu/activities/observations-programme/current-activities/e-profile/radar-wind-profilers/</footnote>

<footnote n="17">17. http://renag.resif.fr/fr/</footnote>

<footnote n="18">18. https://sirta.ipsl.fr/</footnote>

<footnote n="19">19. https://p2oa.aeris-data.fr/#</footnote>

<footnote n="20">20. http://www.obs-hp.fr/</footnote>

<footnote n="21">21. https://opar.univ-reunion.fr/</footnote>

<footnote n="22">22. https://www.atmo-access.eu/</footnote>
## L'ouverture au public et l'enseignement universitaire

Le site instrumenté CO-PDD est un lieu d'observation majeur pour la surveillance de la composition atmosphérique et du climat. Il a fait récemment l'objet d'une publication de synthèse exhaustive dans le journal *Atmospheric Measurement Techniques* (Baray et al., 2020). Il est ouvert à la communauté scientifique pour des collaborations et l'accueil d'instruments ou d'équipes extérieures pour des campagnes d'intercomparaison. Il est également ouvert au public périodiquement à l'occasion d'événements tels que la fête du patrimoine ou la fête de la science. En outre, des classes de collège et de lycée sont régulièrement accueillies pour visiter la station.

C'est également un lieu d'enseignement universitaire. Un TP intitulé « échantillonner l'atmosphère » y est

organisé sur plusieurs jours permettant aux étudiants du master sciences de l'atmosphère et du climat de l'Université Clermont-Auvergne de venir utiliser les instruments de haute technicité présents sur le site et analyser les mesures acquises.

C'est enfin un lieu historique de l'observation atmosphérique ; c'est, avec le pic du Midi (2 876 m, Hautes-Pyrénées), le premier observatoire de montagne français dont nous avons fêté en 2021 les 150 ans. De multiples actions ont donc été organisées dans ce cadre (vidéo historique, course à pied entre Clermont-Ferrand et le sommet du puy de Dôme, projets pédagogiques, concours artistique, exposition de photographies...) visibles sur un site internet dédié²³ (figure 13).

## Remerciements

Nous remercions l'ensemble des personnels techniques et scientifiques en charge de l'opération au quotidien des

instruments de mesure de CO-PDD, du traitement et de la mise à disposition des données pour la communauté scientifique. Le site instrumenté CO-PDD est opéré sous la responsabilité de l'Observatoire de physique du globe de Clermont-Ferrand (OPGC, UAR 833) et du Laboratoire de météorologie physique (Lamp, UMR 6016). Son fonctionnement récurrent est soutenu par le CNRS, le Cnes et l'Université Clermont-Auvergne. Certains instruments ont été financés par l'IRSN ; le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), les Régions Auvergne et Auvergne-Rhône-Alpes, le Conseil départemental du Puy-de-Dôme, Clermont Métropole. Le site a également bénéficié de financements de la Fédération des recherches en environnement (FRE) de l'Université Clermont-Auvergne à travers les crédits CPER (Contrat de plan État-Région, Région Auvergne Rhône-Alpes), Actris, l'Equipex Obs4Clim et les fonds Feder (Europe-Région).

23. https://150ans.opgc.uca.fr/

## Bibliographie

* Amato P. et al., 2017. Active microorganisms thrive among extremely diverse communities in cloud water. *PLoS ONE*, 12, e0182869. doi: 10.1371/journal.pone.0182869

* Baray J.-L. et al., 2019. Cloud occurrence frequency at Puy de Dôme (France) deduced from an automatic camera image analysis: Method, validation, and comparisons with larger scale parameters. *Atmosphere*, 10, 808. doi: 10.3390/atmos10120808

* Baray J.-L. et al., 2020. Cézeaux-Aulnat-Opme-Puy de Dôme: a multi-site for the long-term survey of the tropospheric composition and climate change. *Atmos. Meas. Tech.*, 13, 3413-3445. doi: 10.5194/amt-13-3413-2020

* Bianco A. et al., 2018. Molecular characterization of cloud water samples collected at the Puy de Dôme (France) by Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. *Environ. Sci. Technol.*, 52, 18, 10275-10285. doi: 10.1021/acs.est.8b01964

* Deguillaume L. et al., 2014. Classification of clouds sampled at the puy de Dôme (France) based on 10 yr of monitoring of their physicochemical properties. *Atmos. Chem. Phys.*, 14, 1485-1506. doi: 10.5194/acp-14-1485-2014

* Farah A. et al., 2021. Altitude aerosol measurements in Central France: Seasonality, sources and free troposphere/boundary layer segregation. *Earth and Space Science*, 8, e01018.

* Freney E.J. et al., 2011. Seasonal variations in aerosol particle composition at the puy-de-Dôme research station in France. *Atmos. Chem. Phys.*, 11, 13047-13059. doi: 10.5194/acp-11-13047-2011

* Guyot G. et al., 2015. Quantitative evaluation of seven optical sensors for cloud microphysical measurements at the Puy-de-Dôme Observatory, France. *Atmos. Meas. Tech.*, 8, 4347-4367. doi: 10.5194/amt-8-4347-2015

* IPCC, 2021. Climate change 2021. The physical science basis working group I. Contribution to the sixth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. https://www.ipcc.ch/report/sixth-assessment-report-working-group-i/

* Labbouz L. et al., 2015. Investigation of the links between water vapor field evolution and rain rate based on 5 years of measurements at a midlatitude site. *Geophys. Res. Lett.*, 42. doi: 10.1002/2015GL066048

* Masson O. et al., 2016. Variation in airborne ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, particulate ¹³¹I and 7Be maximum activities at high-altitude European locations after the arrival of Fukushima-labeled air masses. *J. Environ. Radioact.*, 162-163, 14-22. doi: 10.1016/j.jenvrad.2016.05.004

* Ramonet M. et al., 2020. The fingerprint of the Summer 2018 drought in Europe on ground-based atmospheric CO₂ measurements. *Phil. Trans. R. Soc.*, B 375, 20190513. doi: 10.1098/rstb.2019.0513

* Rose C. et al., 2015. Major contribution of neutral clusters to new particle formation at the interface between the boundary layer and the free troposphere. *Atmos. Chem. Phys.*, 15, 3413-3428. doi: 10.5194/acp-15-3413-2015

* Soula S. et al., 2015. Time and space correlation between sprites and their parent lightning flashes for a thunderstorm observed during the HyMeX campaign. *J. Geophys. Res. Atmos.*, 120, 11,552-11,574. doi: 10.1002/2015JD023894