Modélisation du transport d'espèces chimiques en période convective pour l'étude de la haute troposphère tropicale en Amérique du Sud PDF Download
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Author: Jean-Michel Henriot
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Book Description
De nombreux travaux indiquent qu'il est important d'étudier les impacts physico-chimiques de la convection profonde tropicale. Nous avons utilisé le modèle méso-échelle 3D non-hydrostatique CATT-BRAMS pour étudier le transport de traceurs dans la troposphère tropicale au-dessus de l'Amérique du Sud. J'ai effectué une validation de l'outil en complément d'une étude en saison sèche et dans les basses couches menée au CPTEC (Brésil). Les résultats obtenus dans ces travaux indiquent un comportement météorologique globalement correct. Le transport en résultant montre une sur-estimation du transport d'espèces chimiques dans la moyenne troposphère et une sous-estimation dans la haute troposphère. Cela vient d'un déclenchement trop fréquent de la convection restreinte, de la paramétrisation de la convection profonde et de la représentation de leurs interactions. Une adaptation du modèle pour la saison humide est nécessaire. A l'échelle locale des difficultés venant d'une sensibilité importante de la paramétrisation au relief sont rencontrées. Le CATT-BRAMS évolue vers un modèle avec chimie, le C-CATT-BRAMS. Les premiers résultats obtenus indiquent un fort impact de l'initialisation et des conditions aux limites pour les espèces NO et O3. Quelques soient l'initialisation ou les conditions aux limites utilisées, on observe une augmentation du rapport de mélange de ces espèces au cours du temps. Cela peut provenir d'une sur-estimation des émissions `a la surface dans le modèle, en particulier pour les méga-cités. Il est important de poursuivre la validation de cet outil afin de pouvoir étudier l'impact physico-chimique de la convection profonde tropicale avec ce modèle.
Author: Jean-Michel Henriot
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De nombreux travaux indiquent qu'il est important d'étudier les impacts physico-chimiques de la convection profonde tropicale. Nous avons utilisé le modèle méso-échelle 3D non-hydrostatique CATT-BRAMS pour étudier le transport de traceurs dans la troposphère tropicale au-dessus de l'Amérique du Sud. J'ai effectué une validation de l'outil en complément d'une étude en saison sèche et dans les basses couches menée au CPTEC (Brésil). Les résultats obtenus dans ces travaux indiquent un comportement météorologique globalement correct. Le transport en résultant montre une sur-estimation du transport d'espèces chimiques dans la moyenne troposphère et une sous-estimation dans la haute troposphère. Cela vient d'un déclenchement trop fréquent de la convection restreinte, de la paramétrisation de la convection profonde et de la représentation de leurs interactions. Une adaptation du modèle pour la saison humide est nécessaire. A l'échelle locale des difficultés venant d'une sensibilité importante de la paramétrisation au relief sont rencontrées. Le CATT-BRAMS évolue vers un modèle avec chimie, le C-CATT-BRAMS. Les premiers résultats obtenus indiquent un fort impact de l'initialisation et des conditions aux limites pour les espèces NO et O3. Quelques soient l'initialisation ou les conditions aux limites utilisées, on observe une augmentation du rapport de mélange de ces espèces au cours du temps. Cela peut provenir d'une sur-estimation des émissions `a la surface dans le modèle, en particulier pour les méga-cités. Il est important de poursuivre la validation de cet outil afin de pouvoir étudier l'impact physico-chimique de la convection profonde tropicale avec ce modèle.
Author: Gisèle Krysztofiak
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Le phénomène de destruction de l'ozone est un sujet vaste mettant en scène de nombreux processus. Il a pour origine l'émission de composés dits gaz sources (SGs) dans la troposphère. Récemment, les espèces à très courte durée de vie (VSLS) ont été identifiées comme SGs possibles. Cependant, elles ne possèdent pas un temps de vie suffisamment long pour atteindre directement la stratosphère. Les VSLS se dégradent au cours de leur transport, conduisant à des composés intermédiaires, les gaz produits (PGs). Les SGs et les PGs des VSLS vont entrer dans la stratosphère au niveau des régions équatoriales où règne un transport vertical rapide, la convection. Les SGs à temps de vie plus long peuvent accéder à la stratosphère par tous les types de transport possibles. Une fois dans la stratosphère, les SGs et PGs vont être convertis en espèces réactives capables de détruire l'ozone. Cette thèse présente l'étude des différentes étapes se produisant avant la destruction de l'ozone : l'émission et le transport des SGs dans l'atmosphère, leur chimie de dégradation au cours de leur transport et enfin leur contribution à la destruction de l'ozone. Les traceurs chimiques tels que CO sont tout d'abord utilisés pour mettre en évidence le transport des SGs et PGs de la troposphère à la stratosphère. Puis, deux études décrivant 2 types d'espèces différentes, entrant dans le processus de destruction de l'ozone, sont présentées : pour OCS (sulfure de carbonyle) et les VSLS bromés (CHBr3 et CH2Br2). OCS est l'un des principaux précurseurs d'aérosols sulfatés présents dans la stratosphère catalysant la destruction de l'ozone par chimie hétérogène. Cependant, sa contribution à cette couche comporte de nombreuses incertitudes. Ses sources d'émissions, sa répartition avec la latitude et sa contribution à la couche d'aérosols sulfatés sont présentées. La contribution des VSLS bromées au brome de la stratosphère est une question en cours de résolution. Leur chimie au cours de leur transport dans l'atmosphère est décrite de manière détaillée.
Author: Damien Héron
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La couche de la tropopause tropicale (TTL, pour Tropical Tropopause Layer), entre 14 et 20 km d'altitude, joue un rôle clé dans la circulation générale puisqu'elle est le lieu d'entrée des masses d'air troposphériques dans la stratosphère (Holton et al., 1995). En raison de la condensation de la vapeur d'eau au niveau du minimum de température de la tropopause tropicale, l'air stratosphérique présente un très faible contenu en vapeur d'eau. Les modèles climatiques prédisent une augmentation de la concentration de vapeur d'eau dans la région de la TTL qui contribuerait à un réchauffement additionnel de 10% en surface (Dessler et al., 2013). Les modèles ont beaucoup de difficultés à modéliser les variations de vapeur d'eau dans la TTL à cause, entre autres, d'une mauvaise représentation de la convection tropicale qui contrôle en bonne partie le transport vertical de vapeur d'eau vers la TTL. La compréhension des effets de la convection tropicale profonde sur le contenu en vapeur d'eau et en ozone de la haute troposphère est approfondie dans cette thèse. Des mesures radiosondages (sondes SHADOZ et Météomodem-M10) entre 2013 et 2016 lâchés depuis l'île de la Réunion montrent qu'environ 20% des profils en été austral de l'île de La Réunion ont une signature distincte de détrainement convectif en haute troposphère (10-13 km). Les rétrotrajectoires du modèle lagrangien FLEXPART calculées pour les masses d'air marquées par la convection (forte humidité et faible ozone) montrent que le nord de Madagascar et du canal du Mozambique joue un rôle prédominant dans l'humidification de la haute troposphère au-dessus de l'île de la Réunion. Le sud-ouest de l'océan Indien, qui a une moyenne proche de 9 cyclones tropicaux par an, est le troisième bassin le plus actif du globe mais demeure sous observé/étudié. Dans cette thèse, le rôle des cyclones tropicaux sur l'humidification de la TTL au-dessus de l'océan Indien est mis en évidence. Des simulations méso-échelle à 2 km de résolution du cyclone Enawo (2017) réalisées avec le modèle Meso-NH ont montré qu'un cyclone tropical pouvait humidifier la basse stratosphère (17-19 km) de 45% (de 3,3 à 4,8 ppmv) sur un rayon de 500 km. L'étude se focalise en particulier sur une intrusion massive de vapeur d'eau lors de la formation de l'œil du cyclone. Le processus principal menant à l'humidification de la TTL vient de la sublimation de la glace injectée directement en TTL par le cyclone.
Author: Gilles Forêt
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Pages : 131
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La composition chimique de la troposphère et ses évolutions futures sont au centre des questions liées au changement climatique et à la pollution atmosphérique. Améliorer notre compréhension des processus physico-chimiques dans la troposphère nécessite une synergie entre modèles et observations. Une telle approche est notamment mise en place à travers les campagnes de mesures intégrées telles que le programme INDOEX (INdian Ocean EXperiment) qui a constitué le cadre des études numériques réalisées au cours de cette thèse. Ces études des processus de chimie-transport se sont articulées autour de deux thèmes : l'étude de la structure des panaches de polluants expulsés du continent Indien sur l'Océan et l'étude de l'impact de la convection profonde sur l'ozone troposphérique. J'ai utilisé un modèle météorologique à méso-échelle (RAMS) pour comprendre le rôle et les interactions de la dynamique côtière et des flux synoptiques sur la formation des panaches de polluants. Ces simulations ont permis de reproduire finement la stucture de ces panaches à partir de traceurs passifs, et de mettre en évidence le rôle prépondérant de la dynamique locale sur la répartition spatiale (verticale) et temporelle des polluants issus du continent. Par ailleurs, j'ai évalué l'impact de la convection profonde sur l'ozone et ses précurseurs, en présence des masses d'air polluées d'origine continentale. On a développé un modèle de chimie-transport régional basé sur le modèle RAMS qui permet de représenter explicitement et de façon simultanée les processus convectifs et chimiques en phase gazeuse et aqueuse. Le modèle couplé a été testé et a démontré un comportement général satisfaisant. J'ai montré un fort impact du transport au niveau régional et sur l'ensemble de la colonne troposphérique pour le CO, l'ozone et ses précurseurs et aussi la nécessité de prendre en compte la production de NOx par les éclairs pour améliorer la représentation de l'ozone en région tropicale
Author: Nadine Chaumerliac
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LES PROCESSUS CHIMIQUES QUI INTERAGISSENT AVEC LE CYCLE DE L'EAU CONTRIBUENT PUR UNE LARGE PART A L'EVOLUTION DES PROPRIETES OXYDANTES DE LA BASSE ATMOSPHERE ET AUX ALTERATIONS DU CLIMAT ET DES ECOSYSTEMES PAR AUGMENTATION CONTINUE DES GAZ A EFFET DE SERRE. MALGRE L'APPARITION DE TECHNOLOGIES NOUVELLES, DONT LA TELEDETECTION, ET LA MULTIPLICATION DES PROGRAMMES D'ETUDES A TOUTES LES ECHELLES D'ESPACE ET DE TEMPS, L'ETUDE DE LA CHIMIE TROPOSPHERIQUE DANS LES NUAGES ET LES PRECIPITATIONS POSE DES PROBLEMES TRES DELICATS. IL S'AGIT DE TRAITER A PARITE ET DE MANIERE INTERACTIVE LES ASPECTS CHIMIQUES ET LA DYNAMIQUE DES SYSTEMES PRECIPITANTS. D'UN POINT DE VUE EXPERIMENTAL, IL EST DIFFICILE DE REUNIR SIMULTANEMENT DES DONNEES CHIMIQUES ET METEOROLOGIQUES A UNE ECHELLE SPATIO-TEMPORELLE COMPATIBLE AVEC LE CARACTERE EPISODIQUE DES DEPOTS HUMIDES. LE RECOURS A LA MODELISATION APPARAIT COMME INDISPENSABLE POUR OFFRIR UN CADRE DE SYNTHESE ADAPTE AUX NOMBREUX PROCESSUS DE TRANSPORT, TRANSFORMATIONS CHIMIQUES ET PHENOMENES D'ELIMINATION QUI S'EXERCENT SUR LES CONSTITUANTS GAZEUX ET PARTICULAIRES. NOS TRAVAUX SONT CENTRES SUR L'ANALYSE ET LA COMPREHENSION DES PROCESSUS QUI MENENT AUX DEPOTS HUMIDES D'ESPECES CHIMIQUES SOUFREES ET AZOTEES. LES ETUDES ONT ETE EFFECTUEES DANS LE CADRE D'UN MODELE METEOROLOGIQUE MESOECHELLE DANS LEQUEL LES NUAGES ET LES PRECIPITATIONS SONT TRAITES DE MANIERE DETAILLEE. LE SCHEMA MICROPHYSIQUE DU MODELE PREND EN COMPTE LE SPECTRE DIMENSIONNEL DES GOUTTES DE NUAGE ET DE PLUIE NECESSAIRE AU TRAITEMENT CORRECT DES PROCESSUS PHYSICOCHIMIQUES ET ASSURE UN COUPLAGE COMPLET AVEC LA DYNAMIQUE PAR LA PRISE EN COMPTE DES EFFETS DE LIBERATION DE CHALEUR LATENTE. QUELQUES EXEMPLES D'APPLICATION DE CE MODELE SUR DES CAS TYPIQUES IDEALISES SONT PROPOSES EN ALTERNATIVE A DES SIMULATIONS NUMERIQUES ENCORE PEU ACCESSIBLES ACTUELLEMENT SUR DES SITUATIONS REELLES. CES ANALYSES DE SENSIBILITE SUR DES SCENARII A LA FOIS METEOROLOGIQUE (ONDE DE MONTAGNE) ET CHIMIQUE (PRODUCTION NOCTURNE D'ACIDE NITRIQUE) ONT PERMIS LA MISE AU POINT DE PARAMETRISATIONS DES PROCESSUS DE NUCLEATION ET DE PRODUCTION DE SULFATES PARTICULAIRES PAR ABSORPTION DU SO#2 DANS LES HYDROMETEORES, SUIVI DE SON OXYDATION EN SOLUTION PAR L'OZONE ET LE PEROXYDE D'HYDROGENE EN PRESENCE DE NH#3. ELLES ONT EGALEMENT MIS EN EVIDENCE LES MECANISMES PREPONDERANTS DANS LES DEPOTS PAR VOIE HUMIDE SUR DES SITUATIONS TYPIQUES D'ONDES DE RELIEF
Author: Isabelle Tobin
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Pages : 182
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La convection profonde, phénomène à l'origine des orages, est un mécanisme clef dans les échanges d'eau et d'énergie du système climatique. Dans les Tropiques, ce phénomène s'organise sur une vaste gamme d'échelles spatio-temporelles, de la méso-échelle à l'échelle planétaire. L'objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension du rôle de cette organisation dans le système climatique. Des simulations idéalisées haute résolution de champs de nuages convectifs ont suggéré l'existence de relations entre l'état d'agrégation de la convection et l'atmosphère à grande-échelle. Afin de confronter ces résultats à la réalité, une méthodologie de diagnostic du degré d'agrégation de la convection a été développée pour examiner les relations statistiques entre l'état d'agrégation de la convection et l'état atmosphérique moyen à partir d'observations spatiales au-dessus des océans tropicaux. Nous avons montré à l'échelle synoptique et à méso-échelle que, lorsque la convection est agrégée, l'atmosphère est plus sèche, la nébulosité réduite, les flux radiatifs ondes longues au sommet de l'atmosphère plus intenses, le flux solaire réfléchi plus faible que lorsque la convection est dispersée. A l'échelle synoptique, la convection agrégée est également associée à des flux turbulents de surface renforcés. Ces résultats suggèrent que l'état d'agrégation module les interactions entre la convection et l'atmosphère de grande-échelle. Une représentation déficiente des états d'agrégation de la convection et des effets associés dans les modèles de circulation générale pourrait alors affecter les performances de modélisation et de la prévision du climat.
Author: Martin Cussac
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L'ozone troposphérique est un gaz à effet de serre qui maximise son effet dans la haute troposphère. Les feux de biomasse étant une source importante de précurseurs d'ozone, l'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact de ces émissions combiné avec celui des processus de transports verticaux sur la production d'ozone dans la haute troposphère. Pour cela, on se sert du modèle de chimie-transport MOCAGE (MOdèle de Chimie Atmosphérique à Grande Échelle), ainsi que des mesures in-situ effectuées à bord d'avions commerciaux issues de l'infrastructure de recherche européenne IAGOS (In service Aircraft for a Global Observating System). On évalue et améliore dans un premier temps les performances de MOCAGE par rapport aux mesures IAGOS, en montrant que les processus de transport vertical que sont la convection et la diffusion atmosphérique sont clés dans la représentation de la composition chimique autour de la tropopause. Ensuite, des produits récents à base d'observations satellites sont utilisés pour améliorer l'injection des émissions des feux de biomasse dans MOCAGE, et donc la représentation des panaches et de leur transport jusqu'à et dans la haute troposphère. Enfin, on montre à l'aide de plusieurs simulations MOCAGE l'impact important des émissions des feux de biomasse sur les concentrations de précurseurs d'ozone dans la haute troposphère, en particulier pour le monoxyde de carbone. La production d'ozone associée est évaluée à la fois à l'échelle des panaches de feux de biomasse, puis à l'échelle globale, où l'on montre qu'elle est maximale dans la haute troposphère aux tropiques.
Author: Tantely Randriambelo
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Dans les régions tropicales, l'ozone troposphérique, est à la fois contrôlée par des mécanismes photo-chimiques et dynamiques. L'objectif de ce travail est, à partir d'une approche climatologique basée sur des données de radiosondages (Réunion et Irene-Afrique du Sud-), des données avions (MOZAIC), des données satellites (NOAA) et des données de modèles (NCEP et ECMWF), d'évaluer l'importance et les rôles respectifs des différents mécanismes mis en jeu. Dans ce but plusieurs méthodes de télédétection, utilisant les données des satellites NOAA ont été développées. Leur mise en oeuvre a permis la détermination des périodes et des zones affectées par les feux de végétation produisant de forts développements de panaches de fumées (septembre pour le Sud-Est africain et octobre-novembre pour Madagascar), et également la détermination des zones de convection (octobre pour le Sud-Est africain et fin octobre- novembre pour Madacascar). Les résultats obtenus sont utilisés pour analyser l'origine des variations saisonnières d'ozone au-dessus du site de La Réunion. L'ozone troposphérique durant les années 1993 et 1995 montrent les caractéristiques très différentes et font l'objet de deux cas d'études : 1993 étant une année typique et 1995 l'année atypique. L'étude de l'année 1993 souligne l'importance de la présence des zones de convection à proximité des régions sources. Au mois d'août, pendant la saison sèche, seule la couche moyenne est contaminée en ozone. En revanche, en fin de saison des feux et début de la convection, toute la troposphère libre est contaminée avec une concentration de l'ordre de 100 ppbv d'ozone. Les radiosondages obtenus en 1995 présentent des concentrations d'ozonetroposphérique beaucoup plus fortes. Le cas d'étude du 25 août présente de ce point de vue un intérêt particulier, car l'ozone y atteint plus de 200 ppbv dans toute la troposphère. Une analyse dynamique montre que, si pendant cette période on n'observe pas de sévère pertubation d'origine dynamique au-dessus de la Réunion, il y a contribution des sources éloignées de différentes nature : des feux de végétation d'une part et des intrusions stratosphériques d'autre part (Afrique du Sud). Ce travail a permis de montrer que l'origine des variations saisonnières de l'ozone troposphérique au-dessus de l'océan Indien n'est pas simple, car il faut tenir compte à la fois des sources anthropiques et des perturbations, tropicales et latitudes moyennes, à proximité du site ou à distance.
Author: Ionela Rotaru-Musat
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Book Description
Un modele couple simplifie ocean de surface - atmosphere deja existant au lmd a ete adapte ici pour faire un outil strictement comparable au modele couple global de l'ipsl. Une analyse comparee des simulations climatiques conduites avec ces 2 modeles couples ocean-atmosphere paralleles, utilisant le meme modele d'atmosphere, mais des modeles d'ocean de complexite differentes, nous a permis de mettre en evidence des biais systematiques communs, qui par ailleurs sont presents egalement dans d'autres modeles climatiques (kiehl, 1998). Il s'agit d'un refroidissement du bassin pacifique tropical ouest et d'un assechement du pacifique central qui s'accompagne de la penetration d'une langue d'eau froide depuis l'est du bassin. Ce biais se marque aussi par un refroidissement de la haute troposphere tropicale au dessus de 30\ s. Afin de degager le role de l'atmosphere dans la derive thermique tropicale du climat simule, nous avons fait des experiences de sensibilite dont nous pensons qu'elles affectent notablement l'energetique de la haute troposphere. Ces experiences de sensibilite concernent : les nuages hauts de glace, la representation de la convection et le taux d'ozone des hautes couches atmospheriques. Les resultats de ces simulations nous permettent de suggerer que la derive thermique tropicale a la surface de l'ocean est controlee par un desequilibre energetique au sommet de l'atmosphere. La transmission de ces biais a la surface de l'ocean est ensuite faite par les branches de subsidence des cellules de hadley-walker. Cette analyse des retroactions atmospheriques est completee par une etude des transports atmospheriques d'energie (tae). Nous validons les tae simules par le mcga du lmd par rapport aux transports derives des reanalyses de l'ecmwf et nous nous interessons ensuite a la variation de ces transports dans un changement climatique. Pour les differents types d'energie, la reponse du transport atmospherique d'energie a une modification prescrite des temperatures de surface de l'ocean correspondant a un 2co 2 est directement liee au gradient thermique equateur-tropiques. Cependant, les variations des differents termes d'energie se compensent partiellement au niveau du transport d'energie statique humide. L'analyse en terme de divergence du transport atmospherique d'energie permet de quantifier l'importance des retroactions dynamiques par rapport aux retroactions radiatives. Le transport d'energie statique humide varie de 10-20 wm 2 ; ces variations sont du meme ordre de grandeur que les variations des flux radiatifs induites a la tropopause dans une experience de 2co 2. Par contre, les variations au niveau des differents types d'energie sont d'un ordre de grandeur plus importantes. Enfin, nous montrons que la composante hydrologique du tae est affectee par la parametrisation du processus de precipitations.
Author: Noureddine Semane
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Pages : 160
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Book Description
As in meteorology and oceanography, data assimilation combines in an optimal way chemistry-transport models and observations. In this work, the assimilation of remote-sensing chemical measurements of ozone (O3) and nitrous oxide (N2O) aims at better characterizing their three-dimensional distributions. The objective is to get insight into the coupled chemical and dynamical phenomena in the upper troposphere - lower stratosphere (UTLS). This work uses two complementary tools in Météo-France: one is based on the three dimensional chemistry and transport model MOCAGE and the PALM software of CERFACS using the 3D-FGAT variational technique; the other is an extension of the operational suite of the numerical weather prediction ARPEGE using the 4D-Var variational technique. On one hand, the assimilated fields (MOCAGE-PALM analyses) are used for the study of the polar stratospheric chemistry and dynamics and also for the meridional transport and stratosphere-troposphere exchanges. On the other hand, the chemistry-dynamics coupled assimilation in ARPEGE is used to assess the dynamical impact of ozone observation in the UTLS region.
