This study presents a synergistic approach to the study of the aerosol optical and microphysical properties measured in La Palma, Spain, during the 2021 eruption of the Cumbre Vieja volcano (from 19 September to 13 December 2021). This study aims to characterize the different phases of the volcanic eruption using the spatio-temporal evolution of the event together with the mass concentration quantification of four different atmospheric layers. The impact of the plume’s pathway that reached the South of France is analyzed. Here, passive and active remote sensors were used, namely CL51 and CL61 ceilometers and AERONET sunphotometers. The attenuated backscattering ranged from 0.8 to 9.1 × 10${}^{-6}$ (msr)${}^{-1}$ and the volume depolarization ratio measured nearby the volcano was up to 0.3. The ash plume remained within the first 4 km agl, with intense episodes that reached mean aerosol optical depth values of up to 0.4. Thirteen study cases were selected where coarse mode was dominant over fine mode. For the data selection, the fine and coarse lidar ratios found were 3.9 ± 0.8 and 21.0 ± 3.8 sr in the north and 6.9 ± 1.8 and 30.1 ± 10.3 sr in the south. The ash mass concentration reached moderate levels with maximum values of up to 313.7 $\mathsf{\mu }$gm${}^{-3}$.

This work presents a proof of concept for a short-range high spectral resolution lidar (SR-HSRL) optimized for aerosol characterization in the first kilometer of the atmosphere. The system is based on a compact, high-repetition-rate diode-based fiber laser with a 300 MHz linewidth and 5 ns pulse duration, coupled with an iodine absorption cell. A central challenge in the instrument’s development was identifying a laser source that offered both sufficient spectral resolution for HSRL retrievals and nanosecond pulse durations for high spatiotemporal resolution, while also being compact, tunable, and cost-effective. To address this, we developed a methodology for complete spectral and temporal laser characterization. A two-day field campaign conducted in July 2024 in Tsukuba, Japan, validated the system’s performance. Despite the relatively broad laser linewidth, we successfully retrieved aerosol backscatter coefficient profiles from 50 to 1000 m, with a spatial resolution of 7.5 m and a temporal resolution of 6 s. The results demonstrate the feasibility of using SR-HSRL for detailed studies of aerosol layers, cloud interfaces, and aerosol–cloud interactions. Future developments will focus on extending the technique to ultra-short-range applications (<100 m) from ground-based and mobile platforms, to retrieve aerosol extinction coefficients and lidar ratios to improve the characterization of near-source aerosol properties and their radiative impacts.

In recent years, several climate and air quality applications have required to understand the impact of aerosols close to their source, leading to the development of novel Short-Range Elastic Backscatter Lidars (SR-EBLs), which enable measuring the radiative properties of aerosols at high spatiotemporal resolutions (100% difference).

This chapter focuses on studying urban pollutants in Colombia's most populated cities by developing local instrumentation and implementing chemical transport models (CTMs). The instrumentation includes Scanning Depolarization Lidar System, MAX-DOAS and low-cost in situ devices. Additionally, particulate matter is collected for chemical and morphological analysis using different techniques to identify the main sources of emissions. The chapter aims to provide examples of the findings from a study that is set to establish a foundation for adapting chemical and transport models to complex topography, such as coupling WRF-Chem with LOTOS-EUROS and setting the basis for incorporating data assimilation techniques to enhance the models' predictive capabilities in tropical conditions.

Développement d'un lidar à haute résolution spectrale pour la caractérisation d'aérosols à courte distance: Au cours des dernières décennies, des lidars à rétrodiffusion élastique à courte portée (Short-Range Elastic Backscatter Lidars, SR-EBLs) ont été développés afin d’étudier les propriétés radiatives et microphysiques des particules sur de courtes distances, pour diverses applications liées au climat, à la qualité de l’air et à l’aviation. Cependant, la nature intrinsèquement mal posée du problème de la rétrodiffusion élastique limite la précision des SR-EBL, en particulier pour l'évaluation de particules ultrafines, telles que les suies fraîchement émises. À l’inverse, les lidars à haute résolution spectrale (High Spectral Resolution Lidars, HSRLs) permettent une restitution précise et sans hypothèses des propriétés des aérosols, mais sont généralement conçus pour des mesures à longue portée. Une revue approfondie de la littérature a montré qu’aucun lidar HSRL basé sur le principe du temps de vol n’avait encore été rapporté pour des études d’aérosols à courte portée. Dans ce contexte, cette thèse vise à combler cet écart en développant un prototype de HSRL à courte portée (SR-HSRL) capable de restituer les propriétés des aérosols dans le premier kilomètre de l’atmosphère - la zone aveugle de la plupart des systèmes HSRL - avec une haute résolution spectrale, spatiale et temporelle. À cette fin, une méthodologie complète a été élaborée pour la caractérisation de lasers commerciaux et l’optimisation des configurations de filtres spectraux. Des simulations numériques de la performance spectrale de cellules à vapeur d’iode et d’interféromètres de Michelson à élargissement de champ et balayage ont été réalisées pour différentes largeurs de raie laser afin d’optimiser leurs performances, puis validées expérimentalement en laboratoire à l’aide des sources laser sélectionnées.Un prototype SR-HSRL a été conçu en intégrant une cellule d’iode de 40 cm et un laser à fibre personnalisé (largeur de raie de 300 MHz, fréquence de répétition comprise entre 50 et 65 kHz). Une campagne de validation sur le terrain, menée à l’Institut National d’Études Environnementales (NIES) de Tsukuba, au Japon, a démontré la capacité du prototype à restituer la rétrodiffusion des aérosols et des nuages dans le premier kilomètre de l’atmosphère. Une méthodologie d'étalonnage dédiée a été développée pour l'étalonnage radiométrique et l'étalonnage des recouvrements des deux canaux. La méthode de restitution, fondée sur le calcul du rapport de rétrodiffusion à partir des coefficients de rétrodiffusion atténués, supprime la nécessité d’hypothèses sur le rapport lidar et permet d’obtenir des mesures auto-étalonnées avec une résolution temporelle et spatiale élevée (6 s et 7,5 m), sur une portée de mesure effective comprise entre 50 et 1000 m. Comparé au seul autre lidar HSRL de courte portée décrit dans la littérature - fondé sur le principe de Scheimpflug -, le lidar SR-HSRL pulsé développé dans cette thèse présente une complexité instrumentale supérieure, mais offre une résolution spatiale constante, une acquisition de données synchronisée en temps réel et une hauteur de zone aveugle équivalente (50 m). Il s’agit ainsi du premier HSRL à courte portée, fondé sur la mesure du temps de vol, capable de restituer de manière fiable et auto-étalonnée les coefficients de rétrodiffusion des aérosols à proximité du sol, ouvrant de nouvelles perspectives pour les études atmosphériques de proche champ et pour la surveillance des émissions à la source.