“ La géoscience au service de tous ”

  • Multi-scale time dependent correlation between synchronous measurements of ground-level ozone and meteorological parameters in the Caribbean Basin [Plocoste et al (2019)]

    L'ozone troposphérique (O₃) est un polluant atmosphérique secondaire majeur fortement lié aux conditions météorologiques. Il est donc crucial d’améliorer la compréhension des variations de l’O₃ en fonction des conditions climatiques. En partenariat avec l’Université des Antilles, le laboratoire KaruSphère a réalisé une étude des corrélations locales entre O₃ et les conditions météorologies (le rayonnement solaire, la température, l'humidité relative et la vitesse du vent) en utilisant une méthode innovante de corrélation croisée multi-échelle. L'impact des conditions météorologiques (sécheresse, précipitations, période venteuse) a été observé localement sur la formation d'O₃ pour toutes les échelles de temps étudiées.

  • Spectral Observations of PM10 Fluctuations in the Hilbert Space [Plocoste and Calif (2019)]

    Dans la zone caribéenne, la qualité de l’air est fortement dégradée épisodiquement par les brumes de sable provenant des côtes africaines. Ces dernières sont à l’origine de nombreuses maladies respiratoires. Pour cela, il est donc crucial d’améliorer la compréhension des fluctuations des particules fines dont le diamètre est inférieur à 10 µm (PM10) afin d’élaborer des stratégies et de construire des outils permettant de prévoir ces épisodes de poussière. Une première étape consiste à caractériser les propriétés dynamiques des fluctuations de PM10. En partenariat avec l’Université des Antilles, le laboratoire KaruSphère a réalisé une analyse spectrale des PM10 dans l'espace d'Hilbert et de Fourier. Ces premiers résultats montrent la possibilité d'effectuer une analyse dynamique approfondie des concentrations de PM10 dans la zone des Caraïbes afin de quantifier de manière plus précise l'origine et le seuil de cette pollution.

  • Temporal scaling study of particulate matter (PM10) and solar radiation influences on air temperature in the Caribbean basin using a 3D joint multifractal analysis [Plocoste and Pavón-Domínguez (2020)]

    De nombreuses études ont mis en évidence l'impact sanitaire des poussières africaines. À notre connaissance, peu d'entre elles ont analysé l'impact des brumes de sable sur le climat du bassin caribéen en utilisant une approche multifractale. En partenariat avec l’Université de Cadix, le laboratoire KaruSphère a réalisé une analyse multifractale conjointe pour trois variables coexistant dans le même support géométrique afin de décrire l'influence des aérosols désertiques (PM10) et du rayonnement solaire sur la température de l'air. Nos résultats ont clairement mis en évidence la forte influence des PM10 et de l'intensité du rayonnement solaire sur la valeur de la température atmosphérique. Outre l’aspect sanitaire, la présence de ces brumes aura donc un effet non négligeable sur la consommation énergétique.

  • Assessment of a new detection threshold for PM10 concentrations linked to African dust events in the Caribbean Basin [Euphrasie-Clotilde et al (2020)]

    Pour la protection de la santé, les recommandations de l’Organisation Mondiale de la Santé et les directives Européennes (directive 2008/50/EC) préconisent de ne pas dépasser plus de 35 fois par an la valeur limite journalière des PM10 : 50 µg/m³. De nombreuses études réalisées dans la zone caribéenne, utilisent ce seuil comme indicateur de présence des brumes de sable Africaines. En partenariat avec l’Université des Antilles et l’Université de Valladolid, le laboratoire KaruSphère a évalué un nouveau seuil PM10 de détection des poussières, soit 35 µg/m³. Pour la première fois, 10 ans de données photométriques optiques et de mesures in Situ de PM10 ont été couplées et analysées simultanément dans 3 îles de la Caraïbe : Guadeloupe, Martinique et Porto Rico. Ce travail a permis de caractériser la circulation atmosphérique dans la zone Atlantique et de mettre en évidence les périodes de transition entre la haute et la basse saison des poussières. Cette étude démontre clairement que le seuil de détection des brumes de sable généralement pris en compte, 50 µg/m³, est inadapté pour le bassin caribéen. En effet, dans les Petites Antilles, 55% des évènements poussiéreux se produisent avec des concentrations PM10 inférieures à 50 µg/m³.

  • The statistical behavior of PM10 events over Guadeloupean archipelago: Stationarity, modelling and extreme events [Plocoste et al (2020)]

    Contrairement aux mégapoles Européennes, Asiatique ou Américaine, les concentrations élevées de particules fines dont le diamètre est inférieur à 10 µm (PM10) en Guadeloupe sont principalement dus aux brumes de sable. En partenariat avec l’Université des Antilles, le laboratoire KaruSphère a étudié le comportement statistique des PM10. Pour la première fois en région caribéenne, la distribution empirique des concentrations journalières des PM10 est modélisée. Dans la littérature, la modélisation statistique de ces concentrations est classiquement réalisée avec des modèles unimodaux par des fonctions de densité de probabilité du type log-normal ou Weibull. Nos résultats ont montré que le modèle de mélange Burr & Weibull est la meilleure distribution avec un premier comportement statistique correspondant à la basse saison des poussières (octobre - avril) et un autre à la haute saison des poussières (mai - septembre). En analysant la statistique des événements extrêmes avec la distribution classique de la loi de puissance, nous observons que le modèle de mélange Burr & Weibull pourrait également améliorer la modélisation de ces événements. En résumé, le modèle de mélange Burr & Weibull convient pour modéliser à la fois les événements classiques et extrêmes.

  • Investigation of local correlations between particulate matter (PM10) and air temperature in the Caribbean basin using Ensemble Empirical Mode Decomposition [Plocoste et al (2020)]

    Dans la littérature de nombreuses études parle de l’impact des aérosols (PM10) sur le climat. Cependant, peut d’entre elles en étudient les effets. En partenariat avec l’Université des Antilles, le laboratoire KaruSphère a étudié l’impact des PM10 sur la température de l’air (T) en utilisant des statiques descriptives et dynamiques. Pour mener à bien cette analyse, 11 années de données journalières de PM10 et T enregistrées en simultanées dans l'archipel guadeloupéen ont été utilisées. Les résultats statistiques ont montré une dépendance entre PM10 et T en particulier pendant la haute saison de poussière, c'est-à-dire de mai à septembre. Après avoir mis en évidence dynamiquement la corrélation globale entre PM10 et T dans le domaine fréquentiel, les corrélations locales sont étudiées de manières multi-échelles en utilisant l’analyse de corrélation intrinsèque dépendante du temps (TDIC) basée sur la décomposition en mode empirique d'ensemble (EEMD). Les résultats obtenus montrent que les PM10 des aérosols africains et marins sont fortement corrélées à T respectivement pour les périodicités grandes et petites. Nous observons également que les événements météorologiques extrêmes tels que les fortes pluies, les ouragans ou la sécheresse induisent une forte anticorrélation.

  • Multifractal Detrended Cross-Correlation analysis of wind speed and solar radiation [Plocoste and Pavón-Domínguez (2020)]

    Le vent est un paramètre météorologique clé dans le domaine des énergies renouvelables et la dispersion des polluants atmosphériques. Pouvoir déterminer et prédire les fluctuations de son intensité est donc un enjeu majeur. En partenariat avec l’Université de Cadix, le laboratoire KaruSphère a effectué une analyse multifractale spatio-temporelle de la vitesse du vent en fonction rayonnement solaire dans l’archipel Guadeloupéen. Les quatre stations sélectionnées pour la vitesse du vent ont été choisies en fonction de la direction des alizés (d'est en ouest), tandis que le rayonnement solaire est enregistré à un endroit représentatif au centre de l'île. Les résultats de l'analyse des fluctuations multifractales détendues (MF-DFA) ont montré les comportements multifractaux et persistants de la vitesse du vent à tous les emplacements avec une diminution de l'exposant d’Hurst (H) le long du transect (de Désirade à Sainte-Rose) causé par l'effet de continentalité. Le degré de multifractalité a clairement mis en évidence la présence d'une couche radiative nocturne au centre de l’île qui affaiblit la vitesse du vent dans la couche de surface. Outre son caractère persistant, l’analyse MF-DFA a montré un degré de multifractalité moindre pour le rayonnement solaire lié à son échelle planétaire. Pour finir, les résultats de l'analyse de corrélation croisée multifractale (MX-DFA) entre la vitesse du vent et le rayonnement solaire ont montré que le degré de corrélation multifractale est identique pour chaque site contrairement aux valeurs de l’exposant d’Hurst.

  • Multifractal characterisation of particulate matter (PM10) time series in the Caribbean basin using visibility graphs [Plocoste et al (2021)]

    L'exposition à des particules fine (PM10) a des effets néfastes sur la santé. En partenariat avec l’Université de Córdoba et l’Université des Antilles, le laboratoire KaruSphère a étudié le comportement stochastique des séries temporelles PM10 à l'aide d'un cadre de réseau complexe. Dans cette étude, la méthode dite Visibility Graph (VG, graphe de visibilité) est utilisée pour décrire la dynamique des PM10 dans l'archipel Guadeloupéen. Premièrement, la nature fractale des séries chronologiques PM10 est mise en évidence à l'aide de la distribution des degrés pour toutes les données, la basse saison des poussières (octobre à avril) et la haute saison des poussières (mai à septembre). Par la suite, une description approfondie de la dynamique des PM10 est faite à l'aide d'une analyse multifractale à travers deux approches, à savoir le spectre de Rényi et le spectre de singularité. Les résultats obtenus sont cohérents avec le comportement des PM10 dans le bassin caribéen. Les deux méthodes ont montré un degré de multifractalité plus élevé pendant la basse saison des poussières. De plus, les paramètres multifractaux ont montré que la basse saison a le degré de récurrence le plus élevée et un degré d'uniformité moindre. Enfin, les mesures de centralité (degré, proximité et interférence) ont mis en évidence la dynamique des PM10 tout au long de l'année avec une décroissance des valeurs de centralité pendant la haute saison des poussières.

  • Background PM10 atmosphere: In the seek of a multifractal characterization using complex networks [Plocoste et al (2021)]

    Dans la littérature, plusieurs études épidémiologiques ont déjà associé les maladies respiratoires et cardiovasculaires à une exposition aiguë aux poussières minérales. Cependant, les personnes fragiles sont également sensibles à une exposition chronique à des particules d'un diamètre aérodynamique de 10 μm ou moins (𝑃𝑀10). Par conséquent, il est essentiel de mieux comprendre les fluctuations des 𝑃𝑀10 à toutes les échelles. En partenariat avec l’Université de Córdoba, le laboratoire KaruSphère a étudié les propriétés multifractales de l’atmosphère de fond lié aux aérosols désertiques dans le bassin Caribéen. Pour cela, le graphe de visibilité (VG) régulier et le nouveau graphe de visibilité inversé (UDVG) sont utilisés. L'analyse de la distribution des degrés a mis en évidence le fait que la différence entre VG et UDVG est réduite pour la haute saison de poussière contrairement à la basse. Concernant l'analyse multifractale, le degré de multifractalité est plus élevé pour la basse saison en VG alors qu'il est plus élevé pour la haute saison en UDVG. Le comportement de distribution des degrés et la tendance inverse du degré multifractal pour l'UDVG sont dus à l'augmentation de l'atmosphère de fond lié aux 𝑃𝑀10 pendant la haute saison des poussières, c'est-à-dire de mai à septembre.

  • Particle Size Analysis of African Dust Haze over the Last 20 Years: A Focus on the Extreme Event of June 2020 [Euphrasie et al (2021)]

    Au cours des dernières décennies, l'impact des poussières minérales des déserts africains sur la santé humaine et le climat a été d'un grand intérêt pour la communauté scientifique. Dans cet article, le laboratoire KaruSphère a effectué une analyse de la taille des particules des événements poussiéreux de ces 20 dernières années dans la région des Caraïbes. L'accent est mis sur l'événement extrême de juin 2020 baptisé «Godzilla». Pour mener à bien cette étude, différents types de données ont été utilisés (au sol, satellites, modèle et sondages) sur plusieurs sites Caribéens. Premièrement, l'ampleur de l'événement de juin 2020 a été clairement mis en évidence à l'aide d'images satellitaires. Au pic de cet événement, la valeur des particules de diamètre aérodynamique inférieur à 10 µm (PM10) a atteint une valeur 9 fois supérieure au seuil recommandé par l'Organisation mondiale de la santé pour une journée. Par la suite, les analyses de PM10 et des valeurs optiques ont montré leurs valeurs maximales pour juin 2020. Nous avons également mis en évidence les caractéristiques exceptionnelles de la couche d'air saharienne en termes d'épaisseur et de vitesse de vent pour cet évènement. Enfin, nos résultats ont montré que plus la proportion de particules de diamètre aérodynamique inférieur à 2,5 µm (PM2,5) dans les PM10 augmente, plus l'influence des aérosols marins est importante.

  • Wet scavenging process of particulate matter (PM10): A multivariate complex network approach [Plocoste et al (2021)]

    Cet article présente les résultats de l’étude du lessivage des PM10 de l’atmosphère par la pluviométrie à l'aide d'un nouveau réseau complexe multicouche appelé Multiplex Visibility Graphs (MVG). À notre connaissance, ce travail est le premier à évaluer les dépôts humides de PM10 selon la saisonnalité des poussières Africaines à l'aide de séries chronologiques multivariées. Pour cela, nous utilisons 11 années de données quotidiennes de PM10 et de pluie de l'archipel Guadeloupéen. Pour analyser l'impact des précipitations sur le comportement des PM10, deux paramètres MVG ont été calculés : le chevauchement moyen des bords (ω) et l'information mutuelle entre les couches (IPM10Rainfall). Sur l'échelle d’une journée, les résultats ω ont montré que le processus de lessivage était plus élevé au cours du second semestre lorsque la haute saison des poussières et la saison des pluies sont juxtaposées. Cela met en évidence une plus grande corrélation entre la structure microscopique du signal et l'impact des précipitations sur les concentrations de PM10. Plus l'atmosphère est chargée en poussière et plus le lessivage est significatif. La probabilité conjointe calculée entre les PM10 et la pluviométrie a confirmé cette tendance. Les résultats IPM10Rainfall indiquent une corrélation entre les structures PM10 et pluviométrique tout au long de l'année. De plus, les valeurs IPM10Rainfall sont plus élevées pendant les périodes de transition entre l'hiver et l'été (et vice-versa).

  • Coupled multifractal methods to reveal changes in nitrogen dioxide and tropospheric ozone concentrations during the COVID-19 lockdown [Pavón-Domínguez and Plocoste (2021)]

    En raison de la pandémie liée au COVID-19, les effets du confinement sur le niveau de pollution de l'air sont indéniables. Dans cette étude, la ville de Séville (Espagne) est utilisée comme exemple de lieu à fort trafic où le dioxyde d'azote (NO2) est considérablement réduit (41 %) tandis que l'ozone troposphérique (O3) ne présente pas de changements significatifs. Pour évaluer l'existence de différences dans le comportement d'O3 qui ne sont pas détectés par les procédures statistiques, une approche multifractale a été utilisée pour évaluer la relation d'échelle couplée entre NO2 et O3 durant le confinement de 2020 par rapport à une période de référence (2017-2019). Par conséquent, deux principales méthodes multifractales couplées ont été utilisées : la corrélation croisée multifractale sans tendance et l'analyse multifractale conjointe. Bien que l'analyse de corrélation croisée ne décèle pas de différence entre les fluctuations croisées de NO2 et O3, l'analyse multifractale conjointe, basée sur la fonction de partition et la méthode des moments, détecte une perte de variabilité d'O3 pendant le confinement. Cela entraine une perte de la caractéristique multifractale des séries temporelles O3. La réduction drastique des polluants primaires durant le confinement serait responsable de la tendance à la monofractalité d’O3. Ces différences ont été observées pour une échelle temporelle de 80 min à ~ 28 jours.

  • Is there a causal relationship between Particulate Matter (PM10) and air Temperature data? An analysis based on the Liang–Kleeman information transfer theory [Plocoste and Calif (2021)]

    Cet article présente les résultats de l’étude de la relation de cause à effet entre les particules PM10 et la température atmosphérique (T) dans le bassin Caribéen en utilisant des méthodes d’entropie. À notre connaissance, ce travail est le premier à analyser la relation causale entre ces deux paramètres pour différentes échelles de temps. Nos résultats ont prouvé qu'il existe une causalité bidirectionnelle (de PM10 vers T et T vers PM10) entre les paramètres étudiés. En effet, nous constatons que les concentrations de 𝑃𝑀10 ont tendance à homogénéiser les valeurs de T. Ce phénomène est attribué à un effet de serre fortement lié à la saisonnalité des poussières africaines. En haute saison poussiéreuse, ce phénomène est 13 fois plus significatif qu'en basse saison. Nous trouvons également que les valeurs de 𝑇 ont tendance à hétérogénéiser les valeurs des 𝑃𝑀10 en basse saison de poussière tandis qu'elles les homogénéisent en haute saison. Ces comportements sont attribués à l'impact des valeurs de 𝑇 sur la vitesse de dépôt sec des 𝑃𝑀10.