Modélisation globale des interactions atmosphère-aérosols

1. Modélisation globale des interactions atmosphère-aérosols Martin Ménégoz Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM-GAME) Groupe de Météorologie de Grande Échelle et Climat (GMGEC) Encadrant : David Salas y Mélia Co-encadrant : Michel Legrand (LGGE) 3 Juillet 2009

2. Introduction Définition de l’aérosol atmosphérique (IPCC, 2007) : « Particule solide ou liquide en suspension dans l’atmosphère, à l’exception des gouttelettes d’eau nuageuse »

3. Introduction • Effets néfastes sur la santé • Modification du bilan radiatif de l’atmosphère => impact climatique Aérosols années Amman et al. (2005) Impact de la pollution particulaire anthropique sur l’espérance de vie Forçages radiatifs des perturbations climatiques naturelles et anthropiques (entre 1750 et 2005, IPCC 2007) Pourquoi s’intéresser aux aérosols ?

4. Introduction => Épaisseur optique des aérosols :  Shanghai, Octobre 2006 De quoi dépendent les effets directs et indirects des aérosols sur le climat ? • De la répartition des aérosols dans l’atmosphère • Distribution horizontale • Profil vertical • De la taille et de la composition chimique des aérosols • Temps de résidence des aérosols dans l’atmosphère • Propriétés radiatives des aérosols (pouvoir absorbant et pouvoir diffusant)

5. Introduction 1750 2000 Aérosol atmosphérique vu au microscope Contribution de chacune des espèces aérosols (moyenne annuelle globale) à l’épaisseur optique totale () en 1750 ( =0.084) et en 2000 (=0.102). D’après Tsigaridis et al., ACP, 2006 De quoi est composé l’aérosol atmosphérique ? • Aérosols primaires : sels-marins, poussières minérales, carbone-suie, carbone organique • Aérosols secondaires : carbone organique, sulfate, nitrate, ammonium

6. Introduction SOA advection chimie gazeuse SO2 absorption convection chimie aqueuse diffusion SO4 OH Oxydants condensation activation nucléation chimie hétérogène OC BC diffusion turbulente évaporation coagulation Dépôt humide BC BC POA Sels marins COV OC COV SO2 COV Dépôt sec SO2 Poussières minérales Processus physico-chimiques dans l’atmosphère :

7. Introduction Pourquoi cette thèse ? • Objectifs : • Modéliser la concentration atmosphérique en aérosols à l’échelle globale avec le modèle MOCAGE • Comprendre l’évolution de la concentration atmosphérique en aérosols en confrontant simulations et observations • Introduire l’étude de l’impact des aérosols sur le climat Stratégie et déroulement : • Intégrer au modèle la représentation du cycle du soufre et du sulfate • Réaliser des simulations globales du sulfate, du carbone-suie et des poussières minérales • Valider les simulations (observations, comparaison entre modèles) • Prise en compte des champs d’aérosols simulés par MOCAGE dans une simulation climatique

8. Introduction Plan de l’exposé Introduction 1 MOCAGE et la modélisation du cycle du soufre 2 Modélisation et observation du sulfate 3 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale 4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat Conclusions et perspectives

9. 1/4 MOCAGE et la modélisation du cycle du soufre Introduction 1 MOCAGE et la modélisation du cycle du soufre 2 Modélisation et observation du sulfate 3 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale 4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat Conclusions et perspectives

10. 1/4 MOCAGE et la modélisation du cycle du soufre Données météorologiques Émissions MOCAGE • Chimie gazeuse : • Troposphère (RACM, Stockwell, 1997, RELACS, Crassier, 2000) • Stratosphère (REPROBUS, Lefèvre, 1994) Teyssèdre et al., ACP 2007 Concentration des espèces chimiques (gaz/aérosols) Description du modèle de chimie-transport MOCAGE • Processus dynamiques : • Advection (Schéma Semi-Lagrangien, Josse, 2004) • Convection (Kain-Fritsch-Bechtold, 2001) • Diffusion turbulente (Louis, 1979) • Aérosols (Représentation en classes de tailles) • Carbone-suie (Nho-Kim, 2004) • Poussières minérales et sels marins (Martet, 2009) • Dépôt sec et humide gaz/aérosol • Dépôt sec : • - gaz (Aguirre-Michou, 2005) • - aérosols (Seinfeld & Pandis, 1998) • Dépôt humide : • - gaz (Mari, 2000, Giorgi and Chameides, 1986) • - aérosols (Chaumerliac, 1984, Seinfeld & Pandis, 1998, Langner & Rodhe, 1991, Kasper-Giebl, 2000)

11. 1/4 MOCAGE et la modélisation du cycle du soufre Émissions de DMS Émissions de Sels marins Émissions de SO2 et de H2S Le cycle global du soufre (flux en Tg[S]) Delmas, R, Megie, G, Peuch, V-H, 2005

12. 1/4 MOCAGE et la modélisation du cycle du soufre Données météorologiques Émissions de soufre MOCAGE Coagulation et condensation négligées Adaptation du lessivage pour le sulfate Transfert de phase Concentration des espèces soufrées (gaz/aérosols) Représentation du cycle du soufre dans MOCAGE • Processus dynamiques : • Advection • Convection • Diffusion turbulente • Aérosols (Représentation en classes de tailles) • Carbone-suie (Nho-Kim, 2004) • Poussières minérales (Martet, 2009) • Sulfate • Chimie du soufre (Etchevers, 2008) : • Phase gazeuse • Phase aqueuse • Dépôt sec et humide gaz/aérosol • Dépôt sec • Dépôt humide : • - aérosols (Chaumerliac, 1984, Seinfeld & Pandis, 1998, Langner & Rodhe, 1991, Kasper-Giebl, 2000)

13. 1/4 MOCAGE et la modélisation du cycle du soufre Schéma chimique simplifié utilisé dans MOCAGE pour modéliser le cycle du soufre (Pham et al., 1995) • 2 réactions en phase aqueuse Représentation de la chimie du soufre dans MOCAGE • 6 espèces soufrées • 4 Oxydants OH, O3, NO3 et H2O2 : • => Climatologies mensuelles avec cycle diurne (Teyssèdre et al., 2007) • 7 réactions en phase gazeuse

14. 1/4 MOCAGE et la modélisation du cycle du soufre Simulation du cycle du soufre sur la période 2000-2005 : Configuration de MOCAGE : • Résolution horizontale : 2.8° (Grille de Gauss) • 47 niveaux verticaux (jusqu’à ~ 35 km) • Forçages météorologiques issus d’analyses du modèle IFS du CEPMMT

15. 1/4 MOCAGE et la modélisation du cycle du soufre DMS SO2 Émissions (g[S].m-2.an-1) Émissions de composés soufrés (inventaire AEROCOM)

16. 2/4 Modélisation et observation du sulfate Introduction 1 MOCAGE et la modélisation du cycle du soufre 2 Modélisation et observation du sulfate 3 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale 4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat Conclusions et perspectives

17. 2/4 Modélisation et observation du sulfate Arctique (60°N-90°N) Europe (30°W-40°E ; 30°N-85°N) Antarctique (60°S-90°S) Mise à l’équilibre Cycle saisonnier en Europe et aux hautes latitudes (période 2000-2005)

18. 2/4 Modélisation et observation du sulfate Janvier Colonne de sulfate Chimie aqueuse Chimie gazeuse Dépôt humide Précipitation Température Juillet Ménégoz et al., ACP 2009 Efficacité des puits et des sources en Europe :

19. 2/4 Modélisation et observation du sulfate Confrontation avec les observations EMEP MOCAGE EMEP Janvier Juillet

20. 2/4 Modélisation et observation du sulfate R=0.32 R=0.63 R=0.54 R=0.58 R=0.52 R=0.71 R=0.33 R=0.70 R=0.34 R=0.56 R=0.44 R=0.59 R=0.57 R=0.18 R=0.79 R=0.64 R=0.57 R=0.21 R=0.30 R=0.38 R=0.30 R=0.14 R=0.25 R=0.18 Précipitation (mm/mois) Concentration de sulfate en surface (mg[S]/m2) Dépôt humide (g[S]/mois) Confrontation avec les observations EMEP

21. 2/4 Modélisation et observation du sulfate Le projet AEROCOM • Inter-comparaison de modèles (16 participants) • Évaluation de la concentration d’aérosol et des impacts radiatifs associés • Simulations sur les années 1750 (pré-industriel) et 2000 (actuel) Site internet : http://nansen.ipsl.jussieu.fr/AEROCOM/ Référence : Textor et al., 2006 et Textor et al., 2007 Confrontation MOCAGE - modèles AEROCOM (sur l’année 2000) : Charge (Tg[S]) Emission+ Production chimique (Tg[S].an-1) Dépôt sec (Tg[S].an-1) Dépôt humide (Tg[S].an-1) Temps de résidence (jours) MOCAGE 1.15 43.97 6.64 37.19 9.3 Moyenne et intervalle AEROCOM 0.7 [0.3-1.2] 54 [30–80] 6.8 [1-13] 47 [28-116] 4.5 [2.5 5.5]

22. 2/4 Modélisation et observation du sulfate • : efficacité de transfert (aérosol => milieu précipitant) R : taux de formation des précipitations L : teneur en eau liquide du nuage (Langner and Rodhe, 1991) Paramétrisation du flux de lessivage dans le nuage: Q : rapport massique de mélange de l’aérosol  : coefficient de lessivage (Kasper-Giebl, 2000) => Dépôt humide du sulfate peu actif dans MOCAGE • Lessivage sous le nuage (Chaumerliac, 1984, Seinfeld & Pandis, 1998) => 5% du dépôt humide total de sulfate (Boucher et al., 2002) • Lessivage dans le nuage (Langner & Rodhe, 1991, Kasper-Giebl, 2000) => 95% du dépôt humide total de sulfate

23. 2/4 Modélisation et observation du sulfate  Observation (Kasper-Giebl, 2000) L Lessivage A Lessivage B Test de sensibilité à la représentation du lessivage Différents tests : A :  = 3×L ;   0.9 B :  = 3×L ;  > 0.2 ;   0.9 C : Lessivage identique aux espèces gazeuses (Josse, 2004) D : idem B + lessivage en phase glace

24. 2/4 Modélisation et observation du sulfate à l’échelle régionale Concentration en surface Dépôt humide R=0.578 R=0.328 R=0.586 R=0.321 MOCAGE et observation CESOA Dumont-d’Urville (Antarctique) R=0.619 R=0.630 R=0.195 R=0.349 Lessivage D MOCAGE et réseau EMEP en Europe Optimisation du lessivage : modèle et observations

25. 3/4 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale Introduction 1 MOCAGE et la modélisation du cycle du soufre 2 Modélisation et observation du sulfate 3 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale 4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat Conclusions et perspectives

26. 3/4 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale Sensibilité des simulations aux forçages météorologiques : Charge de sulfate (mg[S]/m2, MOCAGE avec lessivage B)

27. 3/4 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale Représentation des précipitations dans MOCAGE

28. Modèle Type (+Forçage si CTM) 3/4 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale Résolution horizontale Résolution verticale Repr. granulo. Chimie LSCE MCG 9672 3.75°2.5° 19  Modes Chimie interactive (modèle INCA ; Hauglustaine et al, 2004) LOA MCG 9672 3.75°2.5° 19  Classes Schéma soufre (Boucher et al., 2002) ; oxydants prescrits (Pham et al., 1995) MOZGN CTM (analyses CCM 2.5, cf. Brasseur et al., 1998) 19296 1.9°1.9° 28 -P Classes Chimie interactive (modèle MOZART, Horowitz et al, 2003) TM5 CTM (analyses CEPMMT, cf. Krol et al., 2005) 6045 6°4° 25 -P Modes Chimie interactive (modèle TM3, Jeuken et al., 2001) MOCAGE CTM 12864 2.81°2.81° 47 -P Classes Schéma soufre (Pham et al, 1995) ; oxydants prescrits (Teyssèdre et al., 2007) MOCAGE et 4 modèles du projet AEROCOM :

29. 3/4 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale MOCAGE (Forçage CEP, Lessivage D) Modèles AEROCOM Comparaison de simulations sur l’année 2000

30. 3/4 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale Bilan des puits et sources de sulfate :

31. 3/4 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale Charge de sulfate (mg[S]/m2) Pression (hPa) 200 500 1000 Moyenne zonale de sulfate (g[S]/m3) Sources Puits Moyenne annuelle des champs simulés par MOCAGE

32. 3/4 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale Em 1.35 Wet 17.24 Dry 26.72 Em 67 Temps de séjour Charge 0.8 SO2 0.192 5 SO4 0.60 Chim. Aq. 33.00 Chim. Gaz. 13.59 DMS* 0.9 0.0462 Chim. Gaz. 9.62 H2S 0.7 0.021 Chim. Gaz. 4.53 Chim. Gaz. 2.48 Chim. Gaz. 3.80 MSA 1.6 0.0032 0.08 DMSO 0.0011 Em 2.5 Em 18.27 Chim. Gaz. 0.73 Wet 0.014 Dry 0.016 Wet 38.69 Dry 5.17 Sed 0.03 Wet 0.12 Dry 0.03 Wet 0.407 Dry 0.11 Wet 0.52 Dry 0.21 Bilan des puits et sources de soufre simulé par MOCAGE à l’échelle globale - année 2000 - (charges en (Tg[S]) et flux en Tg[S].an-1)

33. 4/4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat Introduction 1 MOCAGE et la modélisation du cycle du soufre 2 Modélisation et observation du sulfate 3 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale 4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat Conclusions et perspectives

34. 4/4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat Forçage radiatif (Effet direct) Épaisseur optique Forçage radiatif des aérosols anthropiques : Conclusions du GIEC

35. 4/4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat Démarche : 1/ Atmosphère => Aérosols (Analyse de la simulation MOCAGE, 2000-2005) 2/ Aérosols => Atmosphère (Simulation globale ARPEGE-Climat intégrant les champs d’aérosols fournis par MOCAGE) => Analyse des rétroactions des aérosols sur la circulation atmosphérique Moyenne hivernale de charge en aérosols simulée par MOCAGE (période 2000-2005) sur la région Nord-Atlantique (20°N-80°N,80°W-40°E) Ménégoz et al., soumis à JGR Mise en place d’une étude des interactions atmosphère-aérosols en hiver dans la région Nord-Atlantique-Europe (NAE) :

36. 4/4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat 1/ Atmosphère => Aérosols Composites des anomalies de géopotentiel à 500hPa appliqués au ERA40, correspondant aux 4 régimes de temps en hiver dans la région Nord-Atlantique (méthode de Michelangeli et al., 1995)

37. 4/4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat Anomalies de charge en aérosols et en épaisseur optique (AOT) associées au régime zonal 1/ Atmosphère => Aérosols Régime zonal :

38. 4/4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat • Représentation de l’effet direct des aérosols (Tanré, 1984, Dandin and Morcrette, 1996, Tegen, 1997) • Représentation du premier effet indirect du sulfate (Boucher, 1995, Rongming et al., 2001, Quaas, 2005) Profil vertical de la concentration en aérosols dans le modèle ARPEGE-Climat 2/ Aérosols => Atmosphère Aérosols dans le modèle ARPEGE-CLIMAT : => Climatologies de Tegen (1997) (champs 2D + profil vertical constant)

39. 4/4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat => 1 expérience réalisée avec la moyenne hivernale des concentrations d’aérosols simulés avec MOCAGE (expérience de contrôle) => 4 expériences réalisées avec les concentrations d’aérosols associés aux 4 régimes de temps 2/ Aérosols => Atmosphère Nouvelles expériences ARPEGE-Climat : => aérosols simulés par MOCAGE (champs 2D + profil vertical constant) 5 simulations « idéalisées » de 50 hivers différents, intégrant chacune des champs d’aérosols particuliers :

40. 4/4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat => Persistence de certains régimes de temps modifiée : Pas de rétroaction directe : Régime de temps Forçage Zonal Blocage NAO- Dorsale Zonal - - -1.78 - Blocage - - - - Impact sur les transitions ? NAO- - - - - Dorsal -0.88 - - - 2/ Aérosols => Atmosphère Analyse des régimes de temps dans chacune des simulations : => Occurrence des régimes de temps inchangée

41. Conclusions et perspectives Introduction 1 MOCAGE et la modélisation du cycle du soufre 2 Modélisation et observation du sulfate 3 Évaluation de la concentration de sulfate à l’échelle globale 4 Vers l’étude de l’impact des aérosols sur le climat Conclusions et perspectives

42. Conclusions et perspectives • Réalisation de simulations globales de l’aérosol • => Mise à jour des émissions (AEROCOM) • => utilisation de forçages météorologiques variés • Analyse et validation des simulations en divers endroits du globe • => Atmosphère polluée/non-polluée • => Évaluation détaillée du bilan de soufre Conclusions (1) • Intégration du cycle du soufre dans MOCAGE • Optimisation de la représentation du lessivage du sulfate • Analyse de la sensibilité des simulations aux forçages météorologiques • => Faiblesse du modèle : prise en compte des précipitations

43. Conclusions et perspectives Conclusions (2) • Évaluation globale de la charge en sulfate • => Comparaison avec AEROCOM • Validation des simulations de poussières minérales et de carbone-suie • Étude des interactions atmosphère-aérosols dans l’Atlantique Nord • Impact Atmosphère -> Aérosols • Impact Aérosols -> Atmosphère • Une étude à poursuivre…

44. Conclusions et perspectives Perspectives (1) • Compléter la représentation de l’aérosol dans MOCAGE • Observation de l’efficacité de transfert des aérosols vers le milieu précipitant (liquide et solide) • Représentation des aérosols organiques et des processus physico-chimiques associés • Modélisation des processus de coagulation et de condensation • Analyse des rétroactions entre le cycle du soufre et la chimie des oxydants (schéma chimique détaillé)

45. Conclusions et perspectives Perspectives (2) • Rétroactions entre aérosols et climat • Poursuivre l’étude de l’impact des aérosols sur le climat à partir de nouvelles simulations : • Diagnostique du forçage radiatif des aérosols • Couplage entre MOCAGE et ARPEGE (chantier en cours) • Simulations réalisées avec un modèle couplé océan/atmosphère • Amélioration de la représentation des effets indirects • Utilisation de l’Imagerie satellite (Quaas et al., 2005) : Estimation du 1er effet indirect • Prise en compte des résultats des modèles méso-échelle (Sandu, 2007) Interactions aérosols-nuage-rayonnement

46. Merci de votre attention

47. Annexe • Observée par Junge (1961) • => Contribution volcanique SO4 SO2 • Oxydation de COS (Crutzen, 1976) SO4 SO2 SO4 • Impact anthropique ? • (Myhre et al., 2004, Pitari et al., 2001) • => Transport de sulfate et de SO2 COS SO4 SO2 Stratosphère Tropopause Troposphère Surface Couche stratosphérique d’aérosols sulfatés

48. Annexe Charge stratosphérique en sulfate (Cs) Cs=0.156 Tg[S] (hors éruption volcanique majeure, Pitari et al, 2001) => dont 0.078 Tg[S] issu de sources anthropiques. Simulations MOCAGE : Avec forçage CEPMMT : Cs=0.052 Avec forçage ARPEGE : Cs=0.023 (hors oxydation de OCS, hors éruptions volcaniques majeures)

49. Annexe Persistance des régimes de temps Dans les ERA40 : Zonal : 8.1 Blocage : 6.5 NAO- : 7.3 Atlantic Ridge : 9.6 Dans la simulation de contrôle Arpege : Zonal : 8.6 Blocage : 7.6 NAO- : 9.0 Atlantic Ridge : 7.1

50. Annexe Em 7.7 Carbone – Suie 6.6 0.141 Wet 4.65 Dry 3.06 Sed 0.005 Bilan des puits et sources de carbone-suie (MOCAGE, année 2000) (Émissions AEROCOM) Bilan global des puits et sources de carbone-suie (Tg)