Avantages de la surveillance de la composition de l’atmosphère et de l’échange international de données

La composition de l’atmosphère et ses variations ont de multiples incidences sur nos vies et sur l’environnement. Par exemple, l’augmentation des concentrations de gaz à effet de serre engendre un réchauffement de la planète qui intensifie les phénomènes météorologiques extrêmes et entraîne une acidification des océans. La hausse des niveaux de pollution atmosphérique représente une menace pour la santé humaine, les écosystèmes et la production agricole. Pour comprendre l’état de l’air que nous respirons, son évolution, les effets qui en résultent et les éléments qui en sont responsables, les observations de la composition de l’atmosphère sont indispensables, de même que l’échange ouvert des données ainsi obtenues dans tous les secteurs. La nouvelle politique unifiée de l’OMM en matière de données devrait contribuer à renforcer et à élargir davantage cet échange. Le texte relatif à cette politique envisage, pour la première fois, les données sur la composition de l’atmosphère comme un domaine disciplinaire essentiel pour les activités de l’OMM et établit une politique organisationnelle pour leur échange. La nature symbiotique de la recherche et des activités opérationnelles ainsi que le caractère mutuellement bénéfique de l’échange de données entre les deux communautés y sont aussi clairement reconnus.

La Veille de l’atmosphère globale (VAG) de l’OMM aide les États Membres et les territoires à observer la composition de l’atmosphère et à partager des données d’observation. Toutefois, les données sur la composition de l’atmosphère sont produites par différents organismes au sein et en dehors des Services météorologiques et hydrologiques nationaux (SMHN), y compris des organismes nationaux et infranationaux de protection de l’environnement, des universités et le secteur privé. Le partage des données sur la composition de l’atmosphère a donc lieu bien au-delà de la communauté de l’OMM, la nouvelle politique de l’OMM en matière de données revêtant ainsi un grand intérêt et une grande importance pour la VAG.

Pour atteindre l’objectif de l’Accord de Paris, qui consiste à limiter le réchauffement de la planète nettement en dessous de 2 °C, de nombreux pays se sont engagés à s’orienter vers la réduction à zéro des émissions nettes de gaz à effet de serre. À défaut d’accès aux données d’observation de l’atmosphère et à défaut d’échange de ces dernières, nous ne serions pas informés de l’augmentation des concentrations de gaz à effet de serre depuis l’industrialisation et nous ne serions pas en mesure de suivre à l’avenir les progrès réalisés dans ce domaine ou d’identifier les points chauds de pollution atmosphérique pour y remédier.

Figure 1. Observation de l’ozone à Ushuaïa (Argentine). Les sondes pour l’ozone mesurent les variables météorologiques et de l’ozone à différentes altitudes tout au long de l’ascension de la sonde, jusqu’à l’éclatement du ballon. (Source: Lino Condori)

Applications importantes des données sur la composition de l’atmosphère

Les mesures atmosphériques à longue échéance sont importantes pour éclairer et appuyer les politiques – et en définitive pour démontrer le bien-fondé de toutes mesures. Ainsi, les données sur la composition de l’atmosphère à longue échéance témoignent du début de la reconstitution de la couche d’ozone – un véritable succès environnemental. La raréfaction de l’ozone stratosphérique est l’un des problèmes environnementaux qui ont conduit à la signature, en 1987, du Protocole de Montréal visant à éliminer progressivement les substances appauvrissant la couche d’ozone. La réussite du Traité se mesure à l’aune du rétablissement de la couche d’ozone à un rythme de 1 à 3 % par décennie depuis l’an 2000 dans les régions de la haute stratosphère situées en dehors des pôles (OMM, 2018a). Les observations des substances appauvrissant la couche d’ozone, de l’ozone stratosphérique et du rayonnement ultraviolet (UV) fournissent des preuves observationnelles à l’appui du Protocole. Les observations sont réalisées depuis le sol et l’espace à l’aide d’une diversité de techniques et d’instruments. Le profil vertical de l’ozone est mesuré au moyen d’une sonde pour l’ozone. Un exemple de sonde pour l’ozone lors de la phase préparatoire à son lancement est présenté à la figure 1. L’analyse des observations à longue échéance et à la qualité contrôlée des émissions de chlorofluorocarbone CFC-11 a mis en évidence un ralentissement de la baisse de sa concentration dans l’atmosphère après 2012, à associer à une augmentation des émissions mondiales en provenance de l’Asie de l’Est (Montzka et al., 2018; OMM, 2018b).

Les concentrations de gaz à effet de serre sont également bien documentées par des mesures à longue échéance effectuées dans le monde entier. L’analyse mondiale de ces observations, présentée dans le Bulletin annuel de l’OMM sur les gaz à effet de serre (voir la figure 2), montre que le dioxyde de carbone (CO₂) a dépassé le seuil des 400 parties par million (ppm) dans l’ensemble des stations VAG de l’hémisphère Nord en 2014. Le Bulletin a signalé en 2016 que des sites éloignés de l’hémisphère Sud, comme la station mondiale VAG du cap Grim en Tasmanie, ont également franchi ce seuil. En 1989, lorsque la VAG a été lancée, la concentration moyenne mondiale de CO₂ était de 353 ppm.

Les polluants atmosphériques (aérosols et gaz réactifs) sont responsables de la mauvaise qualité de l’air, qui est à l’origine chaque année d’environ 7 millions de décès prématurés dans le monde (Organisation mondiale de la Santé (OMS), 2016). Les données sur les aérosols et les gaz réactifs sont importantes pour déterminer les menaces aiguës pesant sur la santé et sont utilisées dans les estimations de la charge mondiale de morbidité (Shaddick et al., 2021). Les observations sont également utilisées pour contrôler le respect des réglementations sur la qualité de l’air et pour suivre l’évolution de l’abondance des polluants compte tenu des politiques mises en œuvre (CEE-ONU, 2016). La fourniture de ces données en temps quasi réel est essentielle pour améliorer la précision des prévisions pour les systèmes d’alerte précoce et pour décider des mesures à prendre en matière d’atténuation.

Figure 3. Dommages causés aux cultures par l’ozone. Les dommages augmentent lorsque l’exposition à l’ozone se poursuit: au début, le niveau des dommages est faible (à gauche), puis les symptômes s’aggravent (au centre et à droite). (Source: K. Sharps, PIC-Végétation)

Outre ses incidences sur la santé, la pollution atmosphérique a un impact considérable sur l’agriculture en raison des dépôts excessifs de constituants azotés et soufrés et d’ozone. L’ozone troposphérique est l’un des principaux polluants atmosphériques nuisant au rendement des cultures, les pertes mondiales pour les cultures de base (blé, riz, maïs et soja) étant estimées entre 3 et 16 %, soit l’équivalent de 14 à 26 milliards de dollars É.-U. par an (Avnery et al., 2011; Mills et al., 2018). Les mécanismes par lesquels l’ozone nuit aux plantes et aux cultures sont qualitativement bien compris mais mal quantifiés. La figure 3 illustre les dommages causés aux cultures par l’ozone.

Un certain nombre de polluants à courte durée de vie ont également des incidences sur le climat, comme l’ozone et les aérosols. Parmi les différents effets observés, ils contribuent au forçage radiatif. Par exemple, les aérosols émis par les fumées de feux de forêt ont une incidence sur le rayonnement et, par là même, sur les prévisions météorologiques (comme il est démontré dans le Bulletin de l’OMM sur les aérosols (OMM, 2021b). Pour mieux comprendre leurs différents effets sur le système climatique, les observations des polluants à courte durée de vie sont également de la plus haute importance.

Sources et besoins en matière de données sur la composition de l’atmosphère

Comme indiqué précédemment, les données sur la composition de l’atmosphère sont produites à l’intérieur et à l’extérieur des SMHN. Normalement, les observations relatives aux polluants réglementés sont effectuées par les agences de protection de l’environnement. Les observations de haute qualité menées à des fins de recherche, notamment dans le cadre de campagnes de mesures limitées dans le temps, sont réalisées par des institutions de recherche et des universités. Les mesures opérées au sol in situ sont complétées par des mesures in situ depuis des aéronefs (par exemple, par le système d’observation IAGOS), ainsi que par télédétection, à la fois au sol et par satellite. Récemment, de nouvelles sources de données liées aux sciences participatives ont vu le jour, et ces données sont de plus en plus souvent générées à l’aide de dispositifs de détection à faible coût (OMM, 2021a).

Les données d’observation doivent être collectées de telle sorte que les données provenant de différentes sources soient comparables, et ce, afin d’obtenir des produits cohérents au niveau mondial et de comprendre les variations spatiales et temporelles de la composition de l’atmosphère. À cette fin, la VAG fournit des lignes directrices en matière de mesure et d’outils d’assurance qualité et de contrôle qualité. Le résumé des données du Centre mondial de données relatives aux gaz à effet de serre fournit un exemple des informations susceptibles d’être tirées de ces produits cohérents. La figure 4 illustre l’évolution temporelle et la répartition géographique du CO₂. Outre l’augmentation nettement visible du CO₂ au fil du temps, elle montre des concentrations de CO₂ plus faibles dans l’hémisphère Sud ainsi qu’un cycle saisonnier moins prononcé que dans l’hémisphère Nord, en raison de la partie plus réduite des terres émergées et, partant, d’une végétation moins importante.

Figure 4. Variation de la fraction molaire moyenne mensuelle de CO2 par zone. Les fractions molaires moyennes par zone ont été calculées pour chaque zone de 20°. (Source: Centre mondial de données relatives aux gaz à effet de serre (JMA, 2020))

Même si le réseau d’observations de la VAG s’accroît, il subsiste d’importantes lacunes (Laj et al., 2019). Dans de grandes régions du monde, il n’existe aucune infrastructure d’observation. Pour des raisons politiques, commerciales et institutionnelles, ainsi que par manque de capacités, il arrive également que certaines observations ne soient pas partagées avec la communauté internationale. La figure 5 présente le peu de mesures disponibles à l’aide d’une comparaison entre les mesures d’ozone de la VAG et des réanalyses. Un gros effort a été fait dans le cadre du rapport d’évaluation de l’ozone troposphérique pour collecter toutes les données disponibles afin de réaliser une évaluation globale des diverses métriques qui répondent aux besoins des différentes communautés d’utilisateurs (Lewis, 2017). Il s’agit d’une première étape importante pour accroître la disponibilité des données, même si les données brutes ne sont pas mises à disposition, et cela laisse entendre qu’il existe de grandes quantités de données qui ne sont pas pleinement exploitées.

Si la disponibilité des données représente un défi, la qualité des données d’observation en constitue un autre. Certaines observations sont communiquées sans qu’aucune information de qualité ne leur soit associée, ce qui empêche leur pleine exploitation. Les besoins en observations sont fonction de la qualité des produits finals et des services qui en découlent, et ils concernent non seulement la qualité des observations elles-mêmes, mais aussi la rapidité avec laquelle elles sont mises à disposition. Les besoins en matière de données sur la composition de l’atmosphère sont définis au moyen de trois domaines d’application ciblés dans le cadre du processus plus large d’étude continue des besoins de l’OMM et sont inclus dans un certain nombre d’autres applications. Ainsi, le domaine de la surveillance de la composition de l’atmosphère couvre les applications liées à l’évaluation des répartitions et à l’analyse des changements de la composition de l’atmosphère, dans le temps et dans l’espace, à l’échelle régionale et mondiale. Ces applications exigent de très faibles niveaux d’incertitude et une bonne couverture des données à l’échelle mondiale ou régionale, alors que l’on peut faire preuve d’une certaine souplesse au regard du besoin de disposer rapidement des données échangées afin de garantir la haute qualité des observations.

En revanche, le domaine de la prévision de l’évolution de la composition de l’atmosphère et de ses effets sur l’environnement couvre des applications allant de l’échelle mondiale à l’échelle régionale, avec des résolutions horizontales similaires à celles de la prévision numérique du temps à l’échelle mondiale (d’une résolution d’environ 10 km et plus faible) et des exigences strictes concernant le délai de communication (en temps quasi réel). L’incertitude des observations échangées à cette fin peut être plus élevée que pour la surveillance. Ce type d’applications est, par exemple, utile en cas d’alertes de tempêtes de sable et de poussière, de prévision de brume et de brouillard et de prévision chimiométéorologique. On trouvera à la figure 6 un exemple de validation de prévision en temps quasi réel. Un ensemble très particulier d’exigences en termes d’incertitude, d’actualité, de représentation spatiale et de densité s’impose aux applications urbaines qui visent les mégapoles et les grands ensembles urbains. Ces applications nécessitent des résolutions horizontales de quelques kilomètres ou plus fines et, dans certains cas, sont soumises à des exigences strictes au regard du délai de disponibilité des données. Une caractéristique distinctive de cette catégorie d’applications tient au fait qu’elle met l’accent sur la recherche à l’appui de services opérationnels, comme la prévision de la qualité de l’air, qui utilisent des approches telles que les projets pilotes et les démonstrations de faisabilité. Outre les domaines mentionnés ici, de nombreuses autres applications bénéficient indirectement des données sur la composition de l’atmosphère. Par exemple, les données sur la composition de l’atmosphère améliorent l’estimation du forçage radiatif dans la prévision numérique du temps et les projections climatiques (OMM, 2021b).

Figure 6. Validation en temps quasi réel de la prévision d’ozone de surface du service Copernicus de surveillance de l’atmosphère (CAMS) avec les données de la station de la VAG d’Ushuaia (Argentine). Le CAMS utilise les données d’ozone de 15 stations de la VAG pour la validation en temps quasi réel (Eskes et al., 2021). (Source: Évaluation des prévisions mondiales par le: CEPMMT/CAMS)

Gestion et échange de données sur la composition de l’atmosphère

L’approche du partage des données sur la composition de l’atmosphère dépend en grande partie de deux facteurs: l’agence qui a produit les données et les politiques nationales en matière de partage des données. Les observations réalisées par les institutions gouvernementales au moyen de fonds publics sont souvent assujetties à des politiques de données ouvertes, dans le cadre desquelles les données sont librement disponibles sur les portails gouvernementaux. Cela inclut les données sur la pollution en vue de respecter les règlements nationaux et internationaux sur la qualité de l’air au regard des obligations en matière de rapports.

Pour la communauté des chercheurs, les données constituent une propriété intellectuelle et elles ne sont souvent mises à disposition qu’à l’issue de la publication d’articles pertinents, ce qui peut avoir lieu longtemps après que les mesures ont été prises. Les données recueillies par les universités, les instituts de recherche et d’autres organismes le sont d’ordinaire sur une période limitée. Dans l’ensemble, ces données apportent une contribution importante à la communauté opérationnelle de l’OMM, même si, très souvent, il ne s’agit pas de l’objectif premier de la collecte des données. La communauté qui travaille autour de la composition de l’atmosphère a généralement adopté les principes FAIR (selon lesquels les données doivent être faciles à trouver, accessibles, interopérables et réutilisables) en matière de partage. Cependant, les principes FAIR ne promeuvent pas explicitement l’accès ouvert et sans restriction, et si nécessaire, de telles dispositions doivent être explicitement formulées: les données doivent être à la fois techniquement ouvertes (c’est-à-dire disponibles dans un format standard lisible par une machine et pouvant être traité par une application informatique) et légalement ouvertes (sous licence explicite pour permettre leur utilisation et leur réutilisation commerciales et non commerciales sans restrictions).

Les données de recherche sont généralement stockées dans des dépôts de données spéciaux ou des archives en nuage. En raison des liens unissant une même infrastructure de recherche à de multiples projets, initiatives et programmes, la duplication des fonds de données entre de multiples dépôts soulève un grave problème qui fait actuellement l’objet de discussions au sein de la communauté. Les dépôts de métadonnées permettant l’association de données avec plusieurs projets et réseaux sont considérés comme des solutions possibles pour éviter des transmissions multiples (voir la figure 7). La maintenance de ces dépôts pose aussi un problème au regard du financement et de la gestion de volumes de données en rapide augmentation. On constate également une large mise en œuvre d’identifiants d’objets numériques (DOI) qui facilitent la transparence, la traçabilité et l’attribution, notamment entre les communautés opérationnelles, de recherche et d’application. D’autres évolutions technologiques liées à l’apposition de licences qui devraient permettre de reconnaître l’origine et la propriété des données aideront les chercheurs à partager des données aussi librement que possible. Il est reconnu que les licences et restrictions personnalisées peuvent conduire à une «superposition» complexe de licences.

Figure 7 - Multiple associations with observing programmes/networks are considered by the WMO-sponsored metadata portals OSCAR/Surface and GAWSIS. A similar concept is implemented by the Norwegian Institute of Air Research (NILU). Among multiple frameworks NILU hosts the GAW World Data Centres for Aerosols and Reactive Gases. Data can be affiliated with multiple frameworks to avoid multiple submissions. (Source: NILU)

L’accès aux données commerciales et des sciences participatives est beaucoup moins structuré et peut même être restreint par abonnement. Les projets des sciences participatives disposent généralement de sites Web particuliers. Toutefois, une distinction est souvent faite entre le partage des données brutes et celui des données traitées (produits, graphiques), ces dernières étant généralement partagées d’une manière beaucoup plus ouverte que les données brutes. Cette différence peut effectivement limiter le potentiel d’évaluation de la qualité des données brutes sous-jacentes.

Les données des stations d’observation de la VAG sont collectées, contrôlées en termes de qualité et publiées par des centres mondiaux de données thématiques particuliers. Il existe également un certain nombre de centres de données participants qui fournissent les données des réseaux contributeurs. Les métadonnées sont disponibles dans le Système d’information sur les stations de la VAG (GAWSIS), qui fait partie d’OSCAR Surface. Ces centres de données travaillent à l’harmonisation des procédures relatives aux données en termes de transmission et d’accès et poursuivront ces efforts autour de la vision commune d’un système fédéré de gestion des données de la VAG qui permettra un accès totalement interopérable à toutes les données de la VAG. Un exemple d’information sur les données disponibles auprès du Centre mondial des données sur l’ozone et le rayonnement ultraviolet (WOUDC) est présenté à la figure 8. La VAG continuera d’assurer la liaison avec les autres acteurs concernés (réseaux contributeurs et de recherche, agences spatiales, agences pour l’environnement et autres) afin d’harmoniser les métadonnées et les formats de données et de faciliter ainsi l’utilisation des données de la VAG et d’autres données dans diverses applications (OMM, 2017).

Figure 8. Informations sur les données disponibles sur le site Web de recherche et de téléchargement de données du Centre mondial des données sur l’ozone et le rayonnement ultraviolet. (Source: WOUDC)

L’enregistrement et l’attribution sont des conditions qui ne restreignent ni l’accès ni la réutilisation, mais qui peuvent s’avérer essentielles pour inciter la communauté des chercheurs à partager leurs données. Sans citations de données ou preuves documentées de leur utilisation, il est difficile pour la communauté des chercheurs de démontrer à leurs organismes de financement la valeur des données ainsi créée. Les droits de propriété intellectuelle peuvent être garantis par l’octroi de licences de données, qui en fixe les droits d’utilisation et assure une sécurité juridique à leurs utilisateurs. Cela permet aux utilisateurs du monde universitaire et du secteur privé d’élaborer des cas d’utilisation et des modèles commerciaux viables basés sur des droits d’utilisation concrets.

Avantages de la politique unifiée de l’OMM en matière de données

La mise en œuvre à grande échelle de la politique unifiée de l’OMM en matière de données est essentielle au succès de la prestation de multiples services liés à la composition de l’atmosphère. À l’instar d’autres cas présentés à l’article 2 et à l’article 9, l’amélioration de la prévision en temps voulu des phénomènes météorologiques extrêmes ainsi que le soutien à la politique de l’environnement nécessitent un échange de données international ouvert. La mise en œuvre de la politique unifiée en matière de données peut faciliter les avancées de multiples applications, allant de l’amélioration des prévisions de la qualité de l’air au soutien des mécanismes de transparence mis en place dans le cadre de la Convention-cadre des Nations  Unies sur les changements climatiques (CCNUCC). Afin d’utiliser efficacement les données pour des applications spécifiques, il convient de connaître la qualité des données. Une évaluation approfondie de l’incertitude des données fournit de précieuses informations supplémentaires sur l’utilité des données pour des services particuliers. La disponibilité des données en temps quasi réel est importante pour certaines applications telles que les prévisions et les alertes qui doivent être émises en temps voulu. Pour d’autres domaines d’application, par exemple la réanalyse et l’analyse des tendances, l’échange des données en temps voulu est moins important.

L’adoption de cette politique par de multiples agences au sein des Membres, au delà des SMHN, fera en sorte que les avancées en matière de politique et de services environnementaux soient mises en œuvre de manière globale et rentable.

Il est nécessaire d’améliorer l’échange de données entre la communauté opérationnelle de l’OMM et la communauté des chercheurs. Les projets de recherche nécessitent souvent l’accès à des données et à des services environnementaux externes, notamment des informations sur les prévisions et des enregistrements de données d’observation, de sorte qu’il existe une interdépendance naturelle entre recherche et exploitation. Il arrive que la communauté de la recherche n’ait pas accès aux données opérationnelles (observations et sorties de modèles) ou aux formats de données, ou qu’elle n’ait pas d’influence sur ces éléments, ce qui entrave l’interopérabilité des données, leur interprétation et le progrès scientifique. Il sera souhaitable d’harmoniser les protocoles de partage des données. L’OMM peut proposer à la communauté de la recherche des lignes directrices sur les protocoles de partage des données (norme de métadonnées WIGOS et infrastructure du SIO) afin d’optimiser la valeur des données de recherche, même si les avantages manifestes de cette proposition doivent être présentés à la communauté des chercheurs. En contrepartie, l’OMM devrait permettre à une communauté plus large d’avoir accès aux données opérationnelles, en mettant l’accent sur les avantages mutuels du partage des données pour le monde universitaire comme pour les communautés opérationnelles, afin de faire progresser la compréhension et la connaissance communes du système Terre.

Si la communauté de la recherche connaît bien la politique actuelle de l’OMM, cette communauté souhaite néanmoins disposer d’orientations précises sur les licences ainsi que d’une définition claire de ce qu’il convient d’entendre par les expressions «données fondamentales» et «données recommandées». L’octroi de licences constitue probablement un facteur de réussite essentiel qui facilitera le partage des données entre les Membres de l’OMM au-delà de la communauté traditionnelle des SMHN. La normalisation des licences pour les données de l’OMM pourrait considérablement contribuer à l’adoption de la politique unifiée de l’OMM en matière de données. L’alignement de la politique de l’OMM en matière de données sur les licences existantes (telles que les licences Creative Commons largement utilisées au sein de la communauté des chercheurs) permettrait d’en assurer l’acceptation dans les milieux universitaires et le secteur privé et d’éviter aux utilisateurs des obstacles pratiques.

Quels que soient les besoins au regard de la disponibilité en temps voulu des données ou de leur précision pour une application donnée, le fait que les données puissent être disponibles pour tous est une exigence commune. L’OMM est bien placée pour tirer parti de l’expérience acquise au cours de sa longue histoire en matière d’échange de données opérationnelles et pour l’étendre également aux données sur la composition de l’atmosphère. 

Par Jörg Klausen (MétéoSuisse, Président de l’Équipe d’experts OMM-VAG sur la gestion des données sur la composition de l’atmosphère) et Claudia Volosciuk, Oksana Tarasova et Stoyka Netcheva, Secrétariat de l’OMM

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