Utilisation de l'ozone mesuré en IR par satellite pour valider les modèles de climat Par: Christophe BELLISARIO Responsabl...
Utilisation de l’ozone mesuré en IR par satellite pour valider les modèles de climat <ul><li>Plan de la présentation </li>...
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IASI, Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge. <ul><li>A bord du satellite MetOp A: </li></ul><ul><ul><li>1 er ...
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Répartition sur grille  -> Produit L3 <ul><li>Pas d’1.4° ou 2.8125°: ->  Sélection    lat-pas/2 < latitude < lat+pas/2   l...
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Echantillonnage <ul><li>But: réduire les données et leur traitement avant la mise en grille </li></ul><ul><li>Deux méthode...
Echantillonnage <ul><li>Echantillonnage spatial: Différent selon la grille. Une valeur sur 2 : OK. (50% de données en moin...
Echantillonnage: Couverture nuageuse Couverture nuageuse (flag nébulosité pour l’ozone EUMETSAT selon le maillage) réduite...
Comparaison aux données LATMOS-ULB <ul><li>Permet d’évaluer les méthodes d’extraction et les résultats (réseau de neurones...
Comparaison LATMOS-ULB: Problème de pression. <ul><li>Problème: valeur du LATMOS trop importante  ->  données fausses. </l...
Comparaison LATMOS-ULB: Globalement…
Comparaison LATMOS-ULB: Globalement… <ul><li>Globalement, colonnes totales EUMETSAT > LATMOS. </li></ul><ul><li>Biais impo...
Comparaison avec LATMOS-ULB Utilisation des profils de pression EUMETSAT <ul><li>Profils de pression indirectement disponi...
Comparaison avec LATMOS-ULB Utilisation des profils de pression EUMETSAT <ul><li>Comparaison LATMOS/LATMOS Journée 01/09/2...
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Comparaison avec LATMOS-ULB Utilisation des profils de pression EUMETSAT 31/08 01/09
Comparaison avec LATMOS-ULB Utilisation des profils de pression EUMETSAT 31/08 01/09 Réduction importante des points (~1%)...
Comparaison avec LATMOS-ULB Utilisation des profils de pression EUMETSAT <ul><li>Utilisation de la totalité des données LA...
Comparaison avec LATMOS-ULB Utilisation des profils de pression EUMETSAT <ul><li>Estimation de l’erreur EUMETSAT: Evaluati...
Comparaison MIPAS
Comparaison MIPAS <ul><li>Entre 1000 et 2500 points disponibles par jour </li></ul><ul><li>Flag de visibilité. -> colonnes...
Comparaison MIPAS <ul><li>Entre 1000 et 2500 points disponibles par jour </li></ul><ul><li>Flag de visibilité. -> colonnes...
Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Lecture des données: Format NetCDF Grille 2.8125°x2.8125° Profil quotidien [ppm] </li></ul>...
Confrontation CNRM-CCM
Confrontation CNRM-CCM Hautes latitudes (pôle Sud) très souvent inférieures à la limite 220 Dobsons. ~ trou important.
Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Profil des valeurs: </li></ul><ul><ul><li>Valeurs entre 150 et 200 Dobsons surtout concentr...
Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Moyenne temporelle: 10 et 31 jours (août 2008) Ecart relatif entre les moyennes qui passe d...
Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Selon les latitudes: </li></ul><ul><ul><li>Ecart important < -60° de latitude entre 10 et 3...
Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Zone ~ trou de la couche d’ozone: Perte relative d’EUMETSAT: -14.05% Perte relative du CNRM...
Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Sur toute l’année, globalité Minima bons sur 01,02,03/08. mauvais sur 08,09,10/08. Maxima t...
Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Sur toute l’année,  au niveau Antarctique (lat<40°S) Minima bons sur 01,02,03/08. mauvais s...
Confrontation CNRM-CCM Janvier/Février/Mars
Constat: <ul><li>Données IASI L2 souvent supérieures aux autres données/modèle -> IASI L2 en surestimation? </li></ul><ul>...
Surestimation issue d’IASI L2? Latitude d’EUMETSAT < 60°S
Surestimation issue d’IASI L2? Latitude d’EUMETSAT < 40°S
Surestimation issue d’IASI L2? Comparaison rapide avec OMI
Surestimation issue d’IASI L2? Comparaison rapide avec OMI Température de surface très faible sur terre Ozone >250 DU sur ...
Surestimation issue d’IASI L2? Spectres en radiance: Au-dessus de l’océan Au-dessus du continent Faible écart entre T et T...
Surestimation issue d’IASI L2? Profil d’ozone MIPAS et température <ul><li>02/09/2008: mer 280 DU, terre 190 DU  -> invers...
D’autres paramètres pour estimer le trou dans la couche d’ozone? <ul><li>Superficie En moyenne 13.7 millions de km². </li>...
Conclusion <ul><li>Echantillonnage possible des données EUMETSAT. Spatial (1/2) et temporel (2/5). </li></ul><ul><li>Répar...
Conclusion <ul><li>EUMETSAT présente une surestimation systématique des colonnes totales au niveau des hautes latitudes su...
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Utilisation de l'ozone mesuré par satellite pour valider les modèles de climat. (présentation à MétéoFrance, 26/09/2011).

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  1. 1. Utilisation de l'ozone mesuré en IR par satellite pour valider les modèles de climat Par: Christophe BELLISARIO Responsable de stage: Thierry PHULPIN Tuteur universitaire: Jérôme MORVILLE
  2. 2. Utilisation de l’ozone mesuré en IR par satellite pour valider les modèles de climat <ul><li>Plan de la présentation </li></ul><ul><li>Contexte </li></ul><ul><ul><li>Projet CCI de l’ESA, instrument IASI. </li></ul></ul><ul><li>Répartition des données sur grille et échantillonnage </li></ul><ul><li>Comparaison des produits ozone IASI d’EUMETSAT aux données IASI LATMOS-ULB </li></ul><ul><ul><li>But, problème de pression, comparaison globale, estimation de l’erreur, … </li></ul></ul><ul><li>Comparaison aux données MIPAS </li></ul><ul><ul><li>Problème des colonnes partielles manquantes </li></ul></ul><ul><li>Comparaison à la sortie du modèle CNRM-CCM </li></ul><ul><ul><li>Globale, hautes latitudes, représentation du trou, … </li></ul></ul><ul><li>Constat sur les valeurs IASI L2 d’EUMETSAT </li></ul><ul><li>Conclusion </li></ul>
  3. 3. Cadre du travail: projet CCI de l’ESA <ul><li>Cadre de mon travail : projet CCI (Climate Change Initiative) de l’ESA. 2 des 5 principaux points du projet CCI: </li></ul><ul><ul><li>Produire et valider, dans un contexte R&D, des données globales satellitaires les plus complètes pour la recherche et la modélisation climatique. </li></ul></ul><ul><ul><li>Générer une documentation fournie sur un système de production opérationnel. -> fiche Ozone (une par ECVs) </li></ul></ul><ul><li>CMUG: Climate Modeling User Group </li></ul><ul><ul><li>Créer le lien entre observateurs et modélisateurs. </li></ul></ul><ul><ul><li>Interpréter les observations -> expliquer les changements observés . </li></ul></ul><ul><ul><li>Développer, contraindre et valider les modèles climatiques -> gagner de l’assurance sur les projections futures . </li></ul></ul><ul><ul><li>Initialiser les modèles sur des échelles saisonnières, prévision des changements de l’ordre de décades. </li></ul></ul>
  4. 4. IASI, Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge. <ul><li>A bord du satellite MetOp A: </li></ul><ul><ul><li>1 er sur 3 MetOp (prochain: 2012) </li></ul></ul><ul><ul><li>~15 orbites par jour </li></ul></ul><ul><ul><li>Orbite Héliosynchrone </li></ul></ul><ul><ul><li>Mesure du spectre infrarouge émis par la Terre </li></ul></ul><ul><ul><li>Largeur d’observation ~2200 km </li></ul></ul><ul><ul><li>Tous les 50 km au nadir </li></ul></ul><ul><ul><li>30 sondages * 4 empreintes de 12 km de diamètre (au nadir) </li></ul></ul><ul><ul><li>Couverture globale: ~99% de la surface </li></ul></ul><ul><li>Données fournies par EUMETSAT 1 mois ~ 26Go </li></ul>
  5. 5. De l’observation au produit Inversion Réseau de neurones / Estimation optimale / … EUMETSAT L2 … LATMOS-ULB L2 Agrégation de données -> L3 Comparaison DU (~kg/m²) vs [ppm] -> Conversion ( f(P(z)) ) NN OEM Température de brillance Dépend de TS, T(z), [O3], … Produit officiel
  6. 6. Répartition sur grille -> Produit L3 <ul><li>Pas d’1.4° ou 2.8125°: -> Sélection lat-pas/2 < latitude < lat+pas/2 lon-pas/2 < longitude < lon+pas/2 -> Moyenne </li></ul><ul><li>Test au 1 er septembre 2008. Moyennes (1.4°/2.8125°): </li></ul><ul><ul><li>Col [0-6] km: -2.75%/-3.88% </li></ul></ul><ul><ul><li>Col [0-12] km: -0.85%/-1.28% </li></ul></ul><ul><ul><li>Col [0-18] km: +2.66%/+3.70% </li></ul></ul><ul><ul><li>Col totale: +0.51%/+0.78% </li></ul></ul><ul><li>< 5% en général. Pas de la grille -> perte de contraste, finesse. -> Grille validée. </li></ul>
  7. 7. Répartition sur grille -> Produit L3 <ul><li>Pas d’1.4° ou 2.8125°: -> Sélection lat-pas/2 < latitude < lat+pas/2 lon-pas/2 < longitude < lon+pas/2 -> Moyenne </li></ul><ul><li>Test au 1 er septembre 2008. Moyennes (1.4°/2.8125°): </li></ul><ul><ul><li>Col [0-6] km: -2.75%/-3.88% </li></ul></ul><ul><ul><li>Col [0-12] km: -0.85%/-1.28% </li></ul></ul><ul><ul><li>Col [0-18] km: +2.66%/+3.70% </li></ul></ul><ul><ul><li>Col totale: +0.51%/+0.78% </li></ul></ul><ul><li>< 5% en général. Pas de la grille -> perte de contraste, finesse. -> Grille validée. </li></ul>1.4° 2.8125°
  8. 8. Echantillonnage <ul><li>But: réduire les données et leur traitement avant la mise en grille </li></ul><ul><li>Deux méthodes: </li></ul><ul><ul><li>Spatial: sélection d’un point sur x (sur produit L2). </li></ul></ul><ul><ul><li>Temporel: sélection d’un jour sur x (directement sur la grille). </li></ul></ul><ul><li>Différentes valeurs de x (1.25, 1.5, 1.75, 2, 3, 4, …) </li></ul><ul><li>Validation statistique à partir de la grille: Test de Student. T, quantile, n, nombre de points, σ , écart-type et x, y, moyennes. </li></ul><ul><li>Critère: T<1.96 -> différence seulement due au hasard (à un risque de 5%). </li></ul>
  9. 9. Echantillonnage <ul><li>Echantillonnage spatial: Différent selon la grille. Une valeur sur 2 : OK. (50% de données en moins) </li></ul><ul><li>Echantillonnage temporel: Dépend fortement des journées sélectionnées. 2 jours sur 5 satisfaisant. -> étendre l’étude sur toute l’année/combiner avec le spatial. </li></ul>
  10. 10. Echantillonnage: Couverture nuageuse Couverture nuageuse (flag nébulosité pour l’ozone EUMETSAT selon le maillage) réduite en moyennant sur plusieurs jours (<5% pour 6 jours, <1% pour 15 jours).
  11. 11. Comparaison aux données LATMOS-ULB <ul><li>Permet d’évaluer les méthodes d’extraction et les résultats (réseau de neurones / optimisation numérique). </li></ul><ul><li>Permet d’évaluer l’erreur des données EUMETSAT. </li></ul>EUMETSAT LATMOS-ULB Réseau de neurones Optimisation numérique Erreur Erreur
  12. 12. Comparaison LATMOS-ULB: Problème de pression. <ul><li>Problème: valeur du LATMOS trop importante -> données fausses. </li></ul><ul><li>Nouvelles données LATMOS, mais valeurs toujours trop importantes. Nouveau problème. </li></ul><ul><li>-> P ression en deux parties: pour 0-tropopause km et à partir de la tropopause. </li></ul><ul><li>Choix important: altitude de la tropopause = 19 km. </li></ul>
  13. 13. Comparaison LATMOS-ULB: Globalement…
  14. 14. Comparaison LATMOS-ULB: Globalement… <ul><li>Globalement, colonnes totales EUMETSAT > LATMOS. </li></ul><ul><li>Biais important au niveau de l’Antarctique où EUMETSAT < LATMOS. </li></ul><ul><li>Choix h t -> valeurs moyennes favorisées. </li></ul>
  15. 15. Comparaison avec LATMOS-ULB Utilisation des profils de pression EUMETSAT <ul><li>Profils de pression indirectement disponibles: </li></ul><ul><ul><li>Profils de températures sur des niveaux de pression </li></ul></ul><ul><ul><li>Calcul des altitudes correspondantes </li></ul></ul><ul><ul><li>Interpolation de la température sur des niveaux d’altitude (0, 1, 2, 3, … km) </li></ul></ul><ul><ul><li>Calcul des profils de pression et température sur des niveaux d’altitude </li></ul></ul><ul><li>Calcul de la colonne d’ozone avec les profils de pression ET température: </li></ul>
  16. 16. Comparaison avec LATMOS-ULB Utilisation des profils de pression EUMETSAT <ul><li>Comparaison LATMOS/LATMOS Journée 01/09/2008: </li></ul><ul><ul><li>Ecart relatif moyen +8.53% </li></ul></ul><ul><ul><li>Ecart relatif moyen < 60°S (rouge) -> -34.39% </li></ul></ul><ul><li>Globalement légèrement supérieur (+5%), mais hautes latitudes très inférieures!! -> on retrouve le trou dans la couche d’ozone. </li></ul>
  17. 17. Comparaison avec LATMOS-ULB Utilisation des profils de pression EUMETSAT <ul><li>Comparaison sur les 10 premiers jours de septembre 2008. -> Ecart relatif seulement de 4%. -> Net rapprochement des valeurs du LATMOS. -> Ecart type supérieur pour les données LATMOS (+ étalées). </li></ul>
  18. 18. Comparaison avec LATMOS-ULB Utilisation des profils de pression EUMETSAT 31/08 01/09
  19. 19. Comparaison avec LATMOS-ULB Utilisation des profils de pression EUMETSAT 31/08 01/09 Réduction importante des points (~1%) Rapprochement d’EUMETSAT Possibilité d’évaluer l’erreur EUMETSAT
  20. 20. Comparaison avec LATMOS-ULB Utilisation des profils de pression EUMETSAT <ul><li>Utilisation de la totalité des données LATMOS: -> Coefficient directeur: 1.12 -> Ordonnée à l’origine: -46.58 -> Coefficient de corrélation: 0.78 -> Sur 22385 points (15 août -> 30 septembre) (1/10 d’une journée EUMETSAT) </li></ul><ul><li>Evaluation en pourcentage de l’erreur d’EUMETSAT -> Profil d’erreur en fonction de la quantité d’ozone. </li></ul>
  21. 21. Comparaison avec LATMOS-ULB Utilisation des profils de pression EUMETSAT <ul><li>Estimation de l’erreur EUMETSAT: Evaluation de l’erreur sur profil d’ozone: Colonne totale. </li></ul><ul><ul><li>LATMOS: ~11%, 21 DU (de 5 à 15%, 15 à 30 DU) </li></ul></ul><ul><ul><li>LATMOS & EUMETSAT: ~8% , 14 DU (de 0 à 20%, 0 à 30 DU) </li></ul></ul><ul><ul><li>EUMETSAT: ~ 14% , soit 27 DU (de 6 à 40%, de 20 à 40 DU) </li></ul></ul>
  22. 22. Comparaison MIPAS
  23. 23. Comparaison MIPAS <ul><li>Entre 1000 et 2500 points disponibles par jour </li></ul><ul><li>Flag de visibilité. -> colonnes 0-6, 0-12 voire 0-18 rarement disponibles. </li></ul><ul><li>-> comparaison avec les colonnes totales d’EUMETSAT et MIPAS + les colonnes 0-12 d’EUMETSAT. </li></ul><ul><li>On constate des écarts importants aux hautes latitudes. Valeurs de MIPAS très faibles au pôle sud et un peu moins autour du pôle nord. </li></ul>
  24. 24. Comparaison MIPAS <ul><li>Entre 1000 et 2500 points disponibles par jour </li></ul><ul><li>Flag de visibilité. -> colonnes 0-6, 0-12 voire 0-18 rarement disponibles. </li></ul><ul><li>-> comparaison avec les colonnes totales d’EUMETSAT et MIPAS + les colonnes 0-12 d’EUMETSAT. </li></ul><ul><li>On constate des écarts importants aux hautes latitudes. Valeurs de MIPAS très faibles au pôle sud et un peu moins autour du pôle nord. </li></ul>
  25. 25. Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Lecture des données: Format NetCDF Grille 2.8125°x2.8125° Profil quotidien [ppm] </li></ul><ul><li>Non ancrées dans une année précise. </li></ul><ul><li>Confrontation globale avec EUMETSAT sur grille de 1.4°x1.4° </li></ul>
  26. 26. Confrontation CNRM-CCM
  27. 27. Confrontation CNRM-CCM Hautes latitudes (pôle Sud) très souvent inférieures à la limite 220 Dobsons. ~ trou important.
  28. 28. Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Profil des valeurs: </li></ul><ul><ul><li>Valeurs entre 150 et 200 Dobsons surtout concentrées en dessous de -60° de latitude. </li></ul></ul><ul><ul><li>Bonne correspondance pour - la colonne [0-12] km - la colonne totale Ecart relatif < 6% </li></ul></ul><ul><ul><li>Côté [0-6] et [0-18] km Ecarts relatifs respectifs: 18% et 49% sur tout le mois d’août </li></ul></ul>
  29. 29. Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Moyenne temporelle: 10 et 31 jours (août 2008) Ecart relatif entre les moyennes qui passe de: -3.28% à -2.81% </li></ul><ul><li>Côté écart-type, oscille toujours autour de 25%. (profil non Gaussien…) </li></ul>10 31
  30. 30. Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Selon les latitudes: </li></ul><ul><ul><li>Ecart important < -60° de latitude entre 10 et 30% inférieur </li></ul></ul><ul><ul><li>Moyenne globale de 7% d’écart relatif </li></ul></ul><ul><ul><li>Tombe à 5% en ôtant < -60° </li></ul></ul><ul><li>Puis en moyennant sur plusieurs jours -> 30: </li></ul><ul><ul><li>Diminution faible de l’écart relatif </li></ul></ul>
  31. 31. Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Zone ~ trou de la couche d’ozone: Perte relative d’EUMETSAT: -14.05% Perte relative du CNRM: -45.61% </li></ul><ul><li>EUMETSAT en surestimation au niveau du pôle Sud? </li></ul><ul><li>Autres paramètres à comparer? (surface, profondeur, vortex, …) </li></ul>
  32. 32. Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Sur toute l’année, globalité Minima bons sur 01,02,03/08. mauvais sur 08,09,10/08. Maxima très mauvais sur 01,02,03/08, et très bons sur 08,09,10/08. Moyennes cohérentes. </li></ul>
  33. 33. Confrontation CNRM-CCM <ul><li>Sur toute l’année, au niveau Antarctique (lat<40°S) Minima bons sur 01,02,03/08. mauvais sur 08,09,10/08. Maxima très mauvais sur 01,02,03/08, et très bons sur 08,09,10/08. Hausse des maxima du CNRM <40°S durant l’apparition du trou? </li></ul>
  34. 34. Confrontation CNRM-CCM Janvier/Février/Mars
  35. 35. Constat: <ul><li>Données IASI L2 souvent supérieures aux autres données/modèle -> IASI L2 en surestimation? </li></ul><ul><li>Besoin d’une comparaison plus grande -> OMI (dans l’UV), GOME-2? </li></ul>
  36. 36. Surestimation issue d’IASI L2? Latitude d’EUMETSAT < 60°S
  37. 37. Surestimation issue d’IASI L2? Latitude d’EUMETSAT < 40°S
  38. 38. Surestimation issue d’IASI L2? Comparaison rapide avec OMI
  39. 39. Surestimation issue d’IASI L2? Comparaison rapide avec OMI Température de surface très faible sur terre Ozone >250 DU sur terre Ozone faible sur les côtes après correction
  40. 40. Surestimation issue d’IASI L2? Spectres en radiance: Au-dessus de l’océan Au-dessus du continent Faible écart entre T et T S . -> faible signal -> erreur importante? Scannell et al, AMTD, 2011
  41. 41. Surestimation issue d’IASI L2? Profil d’ozone MIPAS et température <ul><li>02/09/2008: mer 280 DU, terre 190 DU -> inverse de l’observation IASI L2. </li></ul><ul><li>Complémentarité avec les mesures troposphériques IASI -> Nouveau MIPAS PREMIER ( PRocess Exploration through Measurements of Infrared and millimetre-wave Emitted Radiation) </li></ul>Portugal (272 DU) Antarctique (mer) Antarctique (terre)
  42. 42. D’autres paramètres pour estimer le trou dans la couche d’ozone? <ul><li>Superficie En moyenne 13.7 millions de km². </li></ul><ul><li>Déficit en masse Jusqu’à -29 millions de tonnes. </li></ul><ul><li>Minimum En moyenne 110 DU, jusqu’à 70 DU. </li></ul><ul><li>Vorticité Colonne d’air froid, vent fort. </li></ul><ul><li>Début et fin (étalement temporel) Jusqu’à 6 mois de l’année. </li></ul><ul><li>Couche UTLS Transfert O 3 strato -> O 3 tropo </li></ul>
  43. 43. Conclusion <ul><li>Echantillonnage possible des données EUMETSAT. Spatial (1/2) et temporel (2/5). </li></ul><ul><li>Répartition sur grille ( -> niveau 3) validée. </li></ul><ul><li>Confrontation des données EUMETSAT aux données LATMOS-ULB </li></ul><ul><ul><li>Problème de pression corrigé. </li></ul></ul><ul><ul><li>Similitudes aux latitudes basses. </li></ul></ul><ul><ul><li>Evaluation de l’erreur. </li></ul></ul><ul><li>Confrontation aux données MIPAS </li></ul><ul><ul><li>OK dans le cas de l’ajout des premières colonnes partielles. </li></ul></ul><ul><li>Confrontation à la sortie du modèle CNRM-CCM </li></ul><ul><ul><li>OK pour la colonne [0-12] km et totale (écart relatif < 10%). </li></ul></ul><ul><ul><li>Mauvaise sur les hautes latitudes (sud). </li></ul></ul>
  44. 44. Conclusion <ul><li>EUMETSAT présente une surestimation systématique des colonnes totales au niveau des hautes latitudes sud. </li></ul><ul><ul><li>A été vérifié avec OMI (suite avec GOME-2). </li></ul></ul><ul><ul><li>Provient de l’extraction via les réseaux de neurones? </li></ul></ul><ul><ul><li>Température de surface sur les zones froides en cause? </li></ul></ul><ul><ul><li>A compléter avec des mesures UV aux hautes latitudes? </li></ul></ul><ul><ul><li>Autres raisons? Validité d’EUMETSAT? </li></ul></ul><ul><li>-> Informer EUMETSAT. </li></ul><ul><li>Besoin d’une meilleure cohérence entre UV/IR, limbe/nadir, -> complémentarité entre les observations satellites. </li></ul><ul><li>Important pour lier observations & modélisations… </li></ul>
  45. 45. Merci pour votre attention. ?

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