DOCUMENT INDOEX FRANCE -- PROPOSITION 1998

PRÉAMBULE

INDOEX est un projet international regroupant des équipes de recherche américaines, allemandes, indiennes, hollandaises et françaises. Il s'organise autour d'une campagne internationale prévue pour les mois de janvier à avril 1999 sur l'Océan Indien. L'objectif principal d'INDOEX est l'étude du transport et de l'évolution des aérosols et des constituants en trace issus du sous-continent indien, et de leurs interactions avec les nuages, le rayonnement et le climat. Ces motivations se placent dans le cadre général de l'étude du changement climatique lié aux activités humaines, et plus précisément de l'étude des effets directs et indirects des aérosols anthropiques.

Le choix de l'Inde se justifie par le fait que cette partie du monde est en train de devenir le plus gros émetteur d'aérosols de la planète, et que les projections actuelles indiquent que le niveau d'aérosols soufrés dans la région devrait augmenter d'un ordre de grandeur d'ici 2050. Le choix de la mousson d'hiver se justifie par le fait que le panache d'aérosols est alors transporté par un écoulement de nord-est au-dessus de la mer d'Arabie : il est transporté vers le sud-ouest, traverse l'équateur et finit par atteindre les latitudes de l'ITCZ, où il se mélange avec de l'air plus pur issu en majorité des étendues maritimes de l'hémisphère austral. On peut ainsi comparer, en se déplaçant du nord au sud, des situations analogues simplement différenciées par la présence ou non de pollution. Au cours de son transport vers le sud, le panache rencontre de plus un ensemble de situations très différentes : ciel clair, cumulus d'alizés, stratocumulus, nuages convectifs, jusqu'aux grands systèmes convectifs de l'ITCZ. L'action des aérosols sur les nuages peut ainsi être étudiée de façon très complète, et la longueur des trajets sur l'océan permet aussi d'étudier le devenir des aérosols, leur vieillissement et la transformation de leurs propriétés physiques et radiatives. L'Océan Indien pendant l'hiver boréal peut être ainsi considéré comme un laboratoire naturel où l'ensemble des processus aérosols-rayonnement-nuages-climat peut être analysé en détail.

Les actions françaises proposées pour INDOEX sont présentées à la fois dans le cadre du PATOM, pour ce qui est des aspects dynamique-rayonnement-nuages-climat, et dans le cadre du PNCA, pour les aspects plus directement liés aux aérosols et à la physicochimie atmosphérique.

Dans le cadre du PATOM, une large part est faite aux études satellitales. La campagne INDOEX sera en effet couverte de façon très efficace par une multitude d'observations spatiales. Sur notre proposition, EUMETSAT a décidé de déplacer Météosat-5 pour le placer à 65deg.E dans l'axe de la mer d'Arabie. Les images Météosat, ainsi disponibles pendant la campagne sur l'ouest de l'océan Indien, permettront de pallier les insuffisances éventuelles d'INSAT et apporteront l'énorme avantage du canal vapeur d'eau. L'analyse des données TOVS, DMSP, TRMM, SCARAB-RESURS, INSAT, Météosat permettra

*l'étude fine des nuages de couche limite et de leurs propriétés radiatives, qui permettra d'aborder l'effet indirect des aérosols soufrés ;

*une étude exhaustive de l'ensemble de la circulation de la mousson d'hiver, importante pour la connaissance précise du transport horizontal à grande échelle et du mélange vertical des masses d'air (structure 3D et variabilité de l'ITCZ, variabilité rapide de la convection profonde).

Ces études ont commencé sur les données satellitales déjà disponibles, notamment celles d'INSAT et des satellites opérationnels à défilement. Elles sont menées en étroite collaboration avec la partie modélisation, qui utilise le nouveau modèle LMD-Z zoomé sur l'océan Indien. L'interaction modèle-données satellitales-analyses (Florida State University) permettra à la fois de valider le modèle et de le contraindre par les observations des systèmes convectifs de l'ITCZ. Une autre validation ou contrainte du modèle sera fournie par les trajectoires des ballons de couche limite lancés depuis Goa avec le concours du CNES. Enfin, les mesures satellitales seront complétées par les mesures de vapeur d'eau, de rayonnement, de structure nuageuse et de taille des gouttes apportées par les vols du Mystère 20. L'ensemble de ces actions doit aboutir à une connaissance fine de la dynamique, de la nébulosité et du rayonnement qui sera particulièrement utile à la composante PNCA du projet.

La contribution proposée au PNCA sur les aspects aérosols-climat a une forte composante expérimentale : suivi des masses d'air continentales au voisinage du sol et en altitude à l'aide du radon-222, analyse des concentrations en carbone organique et carbone suie sur l'ensemble des sites et plateformes instrumentées, étude à la surface et en altitude des mélanges internes de particules et de leur évolution au cours du transport des masses d'air continentales sur l'océan, détermination des propriétés optiques et granulométriques des aérosols et de leur répartition 3D à grande échelle. Elle fait appel à une multiplicité de sites et plate-formes : stations au sol (Goa à l'origine des masses d'air pollué, Malé en aval sur l'océan, Tromelin au voisinage de l'ITCZ, La Réunion dans les masses d'air de l'hémisphère sud), bateaux et avions.

Le document qui suit regroupe l'ensemble des demandes INDOEX de la communauté française, réparties entre le CNES -- dont le financement a déjà accordé pour l'essentiel à l'action ballons dans le cadre du feu PNEDC, le PATOM et le PNCA.

En dehors de ces demandes, un projet de Centre de Données Européen (EURINDO) a été présenté à l'Union Européenne dans le cadre du programme ENRICH. Ce centre de données sera le pendant européen des centres de données INDOEX américain et indien en cours de constitution.

SYNTHÈSE BUDGÉTAIRE

THÈME                             Responsable     Prog.        1998    1999     2000       

Dynamique : ballons,              R. Sadourny    CNESPA     440 000    170 000  20 000     
modélisation                                      PATOM      78 000     77 000  65 000     
Coordination générale                         

Satellites : Étude de la          L. Picon        PATOM     150 000    200 000 100 000    
nébulosité, de la vapeur d'eau    S. Bony-Lena         
et de la convection au-dessus                      
de l'Océan Indien                                      

Interactions entre dynamique      P. Flamant      PATOM     381 000     
et physico-chimie atmosphérique                    PNCA     381 000    

Aérosols tropicaux à La Réunion    S. Baldy        PNCA      55 000        
Caractérisation et évolution      H.Cachier        PNCA     390 000          
des aérosols carbonés et                     
minéraux                              

Propriétés radiatives et          D. Tanré         PNCA     372 000                   
physiques et distribution                
spatiale des aérosols                                        

Vieillissement et distribution    F. Dulac         PNCA     468 000        
verticale des aérosols                               
continentaux                                     

Sources des poussières minérales   B. Marticorena  PNCA       4 500        

Interactions                      O. Boucher       PNCA      46 000      
chimie-rayonnement-climat liées         
au cycle du soufre                         
et application à INDOEX                                                                     

A. INDOEX / ASPECTS DYNAMIQUES

Responsable : R. Sadourny, LMD

I. Étude du mouvement des masses d'air pollué par ballons dérivants dans le panache issu du sous-continent indien

I.1. Contexte

L'étude des relations aérosols-chimie-rayonnement-climat au-dessus de l'océan Indien durant la mousson de nord-est demande en premier lieu une connaissance précise des processus de transport et de diffusion des masses d'air issues du sous-continent. Sur les océans tropicaux, les analyses des centres opérationnels de prévision du temps ne peuvent pas être considérées comme absolument fiables, par suite à la fois du manque de données, et des propriétés particulières de la dynamique au voisinage de l'équateur, qui empêche une bonne reconstitution du champ de vent à partir du champ de masse. Ce défaut de fiabilité concerne à la fois la composante rotationnelle à cause des valeurs élevées du rayon de déformation, et la composante divergente, à cause des aléas de la reconstitution instantanée du forçage thermique.

I.2. Objectif scientifique

L'objectif de ce volet est d'obtenir des informations directes sur le champ de vent dans les basses couches au-dessus de la mer d'Arabie, et sur les trajectoires des masses d'air polluées issues du sous-continent Indien.

Le programme INDOEX prévoit un effort particulier sur le plan des analyses et de la prise en compte du forçage thermique : le groupe de T.N. Krishnamurti à FSU fournira des analyses à haute résolution avec initialisation physique ; une préfiguration de ces analyses est déjà disponible pour l'hiver 1993. En parallèle, il est utile d'acquérir pendant la campagne, des références directes et précises sur le champ de vent et le transport des masses d'air. C'est pourquoi nous avons proposé de suivre, pendant la phase intensive d'INDOEX, les masses d'air pollué par un ensemble de ballons surpressurisés dérivant dans la couche limite.

La configuration optimale eûtété d'inclure sur la charge utile des ballons, des mesures d'aérosols ou de rayonnement. Cette option n'a pas été retenue faute de temps disponible pouur le développement. L'objectif du volet ballons sera donc exclusivement dynamique, ces informations dynamiques servant entre autres de référence lagrangienne pour l'ensemble des mesures avion et bateau d'INDOEX.

I.3. Stratégie

Des ballons instrumentés de ce type ont déjà été développés dans les années 1970 par le CNES et le LMD pour l'étude de la mousson d'été, avec Balsamine et Summer MONEX (Cadet et Ovarlez, 1976 ; Cadet et al, 1981). Des ballons analogues sont en cours de développement. Ce sont des ballons surpressurisés (Dp = 100 hPa), munis d'une instrumentation physique légère (pression, température et humidité) et d'un récepteur GPS donnant tous les quarts d'heure une localisation précise : les vitesses horizontales seront restituées avec une erreur inférieure à 0,5 m s-1. Les données seront transmises via le système ARGOS ; l'énergie à bord est fournie par des piles au lithium. L'altitude nominale des ballons a été fixée à 900 hPa, après discussion avec des spécialistes de la couche limite dans cette région (S. Raman, NCSU, Raleigh ; S. Gupta, SPL, Thiruvananthapuram) ; cette altitude garantit a priori les meilleures chances d'être dans le panache pollué, qui se situe normalement au-dessus de la couche limite marine. Goa a été sélectionné comme lieu de lâcher. Cet endroit est en effet dans l'axe du panache indiqué par les observations satellitales et par les résultats des deux campagnes préliminaires du navireocéanographique Sagar Kanya. D'autre part, il bénéficie de conditions particulièrement favorables, avec le soutien logistique du National Institute of Oceanography. Les lâchers auront lieu depuis le campus de l'Université, situé au bord de la mer.

Le nombre de ballons est un paramètre important, mais est finalement limité par des considérations économiques. Le compromis finalemment choisi consiste à lâcher 20 à 25 ballons pendant la campagne INDOEX proprement dite. Il est prévu de tester 5 ballons durant la campagne préliminaire, dans la deuxième quinzaine de février 1998.

La stratégie de lâcher est aussi un élément important de l'expérience. La contrainte majeure est la nécessité que les trajectoires des ballons ne rencontrent pas la chaîne des Ghâts Occidentaux et restent donc au-dessus de la mer. On sera parconséquent conduit à éviter certaines conditions météorologiques (de plus en plus fréquentes à mesure que l'on avance dans la saison). Les lâchers se feront donc en liaison avec le service local de l'India Meteorological Department, pour ce qui est de la situation météorologique à grande échelle. De plus, les lâchers devront être effectués à l'établissement de la brise de terre, c'est à dire vers 4 h du matin. On envisage de lâcher certains ballons simultanément pour avoir un minimum d'information sur la diffusion latérale (Babiano et al, 1990) ; mais le nombre de ballons sera très insuffisant pour une estimation fiable de la diffusion.

Il serait intéresssant de pouvoir insérer les données de vent issues du suivi des ballons dans les systèmes opérationnels d'assimilation de données. Malheureusement, leur transmission en temps réel ne semble pas faisable. On envisage toutefois d'assimiler ces données a posteriori, sur le modèle LMD-Z (focalisé sur l'océan Indien), pour lequel on dispose d'un modèle adjoint, et éventuellement sur le modèle de T.N. Krishnamurti à Florida State University.

I.4. Résultats obtenus

Un programme de simulation de trajectoires est déjà en cours au LMD, à partir des analyses du CEPMMT. Le code est aujourd'hui opérationnel. Les simulations seront reprises sur les analyses de FSU que nous venons de recevoir. Des études de dispersion-diffusion sont en coursd'initiation dans le cadre d'une thèse.

En ce qui concerne les résultats technologiques déjà obtenus sur les ballons, voir les références Cadet et Ovarlez (1976) et Cadet et al (1981). En ce qui concerne les méthodes d'approche de la dispersion-diffusion et les résultats obtenus en appliquant ces méthodes à des champs turbulents,voir Babiano et al (1990).

I.5. Demande financière

en KF                                         1998      1999     2000          Demande      
Développement des nacelles                      400                             CNES       
Missions Goa (Campagnes ballons)                 20      150                    CNES       
Missions générales (Ateliers INDOEX)             20       20      20            CNES       

I.6. Calendrier

Expérience préliminaire : 5-25 février 1998

Expérience principale : 1-28 février 1999

I.7. Références pertinentes des proposants

Babiano, A., C. Basdevant, P. Le Roy and R.Sadourny, 1990 : Relative dispersion in two-dimensional turbulence.J. Fluid Mech. 214,

Cadet, D.L. and H. Ovarlez, 1976 : Low-level air flow circulation over the Arabian Sea during the summer monsoon as deduced from satellite tracked superpressure balloons. Part I --Balloon trajectories. Quart. J. R. Met. Soc. 102, 805-816.

Cadet, D.L., H. Ovarlez and G. Sommeria, 1981 : The BALSAMINE experiment. Bull. Amer. Meteor. Soc.62, 381-388.

I.8. Personnels impliqués

C. Basdevant     PRCE       LMD  Calcul et analyse des trajectoires                  10 %  
J. Capus         AI         LMD  Étalonnage et validation des capteurs               20 %  
J. Crespin       IE2        LMD  Intégration des nacelles, campagnes de lâcher       50 %  
C. Ethé          Thése      LMD  Calcul et analyse des trajectoires                 100 %  
H. Ovarlez       IR1        LMD  Responsablenacelles et vols ballons                 50 %  

II. Modélisation de la dynamique de grande échelle au-dessus de l'Océan Indien durant la Mousson d'hiver

II.1. Contexte

La modélisation de grande échelle est un élément capital de l'expérience INDOEX, l'aller et retour données-modèle servant à la fois d'intégrateur pour les diverses données et de validateur pour le modèle. Contrairement à la mousson indienne d'été, intensivement étudiée entre autres au LMD depuis des années, la mousson d'hiver ou de nord-est au desus de l'Océan Indien n'a pas jusqu'à présent fait l'objet d'études particulières. INDOEX est l'occasion de développer ce type d'études.

II.2. Ojectifs scientifiques

Les principaux objectifs sont les suivants :

*Compréhension de la dynamique de l'ITCZ (variabilité, organisation des tourbillons, mélange des masses d'air) ;

*Préparation de la modélisation dynamique-chimie par une simulation réaliste de l'écoulement.

Ces études se font en interaction étroite entre la modélisation et l'analyse satellitale (voir le projet INDOEX-PATOM : Composante Satellites).

II.3. Stratégie

L'analyse des données INDOEX nécessite une modélisation réaliste de l'écoulement à grande échelle au-dessus de l'Océan Indien pendant les mois de l'hiver boréal. Ceci demande entre autres

*une résolution sur l'Océan Indien suffisamment fine pour résoudre de façon réaliste les structures convectives de l'ITCZ ;

*des techniques d'initialisation suffisamment performantes pour que le modèle prenne en compte instantanément les structures convectives observées, sans délai de réponse ("spin-up").

Le modèle utilisé pour INDOEXsera LMDZ. Le premier point sera résolu en recourant à la technique du "zoom" sur l'Océan Indien. LMDZ utilise la technique de zoom développée sur le modèle LMD de première génération (Sharma et Sadourny, 1985 ; Sharma et al., 1987). Pour les besoins d'INDOEX, la résolution atteindra 70 km dans le région du zoom, celui-ci étant centré sur l'équateur à 65deg.E, dans l'axe de la mer d'Arabie.

En ce qui concerne le troisième point ("spin-up"), on comparera les initialisations basées sur les analyses du CEPMMT et les initialisations basées sur celles de FSU (prenant en compte directement la présence des systèmes convectifs). Les initialisations de LMDZ seront de toute façon réalisées en mélangeant les analyses à grande échelle avec les observations spatiales des systèmes convectifs, notamment celles de Météosat (Voir la proposition : INDOEX-Composante Satellites). Des tests de cette approche seront réalisés en comparant les analyses de FSU pour 1993 avec les images Météosat du même hiver sur l'Atlantique.

En parallèle, des simulations de type "climatique" de LMDZ seront analysées du point de vue de la dynamique des tourbillons et des systèmes convectifs, et des processus de mélange associés pour un traceur passif.

II.4. Résultats obtenus

Le modèle LMDZ est aujourd'hui opérationnel. La version avec zoom a fait l'objet en son temps de deux publications (dans les années 80) consacrées à la simulation de la mousson d'été de 1979 sur l'Inde dans le cadre de la PEMG. LMDZ a déjà été utilisé pour des simulations préliminaires de la dynamique de grande échelle sur l'Océan Indien, dans une version zoom proche de celle qui sera utilisée de façon opérationnelle pour INDOEX. LMDZ possède des routines de transport et de mélange de traceurs passifs, utilisant pour l'advection de grande échelle le schéma de van Leer.

II.5. Demande financière

en KF                            1998                 1999                2000      
Fonctionnement,                   15                  15                   15  
publications                  
Missions  (Atelier Utrecht)       25                  25    

II.6. Calendrier

1998 : Préparation de LMDZ et de son initialisation sur les données INSAT et les analyses CEPMMT, FSU;

Simulation des trajectoires de ballons et tests sur les trajectoires réelles de février 1998.

1999 : Application à l'analyse d'INDOEX.

II.7. Références pertinentes des proposants

Hourdin, F. et A. Armangaud, 1997 : On the use of finite-volume methods for atmospheric advection of trace species : I. Test of various formulations in a general circulation model. Soumis à Mon. Wea. Rev.

Sharma, O. P. et R. Sadourny, 1985 : Numerical experimentation with FGGE data : Simulation of the 1979 Indian monsoon onset using a stretched-coordinate version of the LMD GCM. Report on the Seminar on Progress in Tropical Meteorology as a result of the Global Weather Experiment, GARP Special Report 44, WMO, Genève.

Sharma, O. P., H. Upadhyaya, Th. Braine-Bonnaire et R. Sadourny, 1987 : Experiments on regional forecasting using a stretched-coordinate general circulation model. Journal of the Meteorological Society of Japan, Special Volume on Short-and Medium-Range Numerical Weather Prediction.

II.8. Personnels impliqués

M. Bonazzola     Thèse      LMD  Simulation du transport et de l'ITCZ                 50 %  
F. Hourdin       CR2        LMD  Modélisation des traceurs                            20 %  
Le Van Phu       IR2        LMD  Informatique de LMDZ, simulations numériques         50 %  
R.Sadourny       DRCE       LMD  Coordination, Analyse des trajectoires               10 %  

III. Coordination d'INDOEX

La demande budgétaire qui suit concerne d'une part, le financement des participations aux ateliers INDOEX des deux membres français du Scientific Steering Committee (R. Sadourny et M. Desbois), et d'autre part, une participation au financement des réunions INDOEX-France.

Demande financière

en KF                        1998                 1999                2000         
Missions (Atelier Utrecht)    25                   25 
         (Atelier Inde)       10                   12     
         (France)             24                   12      
III.8. Personnels impliqués
M. Desbois       DR1        LMD  Membre de l'INDOEX Scientific Steering Committee    10 %  
R. Sadourny      DRCE       LMD  Coordonnateur d'INDOEX France                       10 %  

RÉCAPITULATIF DE LA DEMANDE FINANCIÈRE

en KF                                         1998    1999     2000       Demande         
Ballons : Nacelles et campagnes                420    150                      CNES       
Ballons : Missions Ateliers                     20     20       20             CNES       
Fonctionnement, publications                    15     15       15            PATOM       
Missions                                        63     62       50            PATOM       

B. INDOEX : COMPOSANTE SATELLITES

Responsables : L. Picon, S. Bony

Contexte scientifique

Cette proposition se place dans le contexte de l'expérience internationale INDOEX, coordonnée au niveau Français par Robert Sadourny, qui, outre son objectif d'étude des effets directs et indirects des aérosols sur le bilan radiatif, présente un grand intérêt pour l'étude des systèmes nuageux, de la convection et de son interaction avec la vapeur d'eau. Deux des thématiques de la prospective du LMD, i) l'étude des rétroactionsà grande échelle liés aux nuages et à la vapeur d'eau, ii) les mécanismes de la convection profonde, sont directement concernées. Au-dessus de l'océan Indien, les processus en jeu ne peuvent être appréhendés que par l'analyse des données de satellite et des simulations correspondantes de modèles, les données in-situ recueillies pendantl'expérience servant que de validation ponctuelle. Les chercheurs du LMD rompusà l'analyse des données de satellite ont donc élaboré un plan de recherche pour INDOEX, en coordination avec les autres composantes de l'expérience (ballons, avions, modélisation, base de données) cf. document de présentation générale de R. Sadourny.

L'une des spécialitésdu LMD est en effet l'exploitation des données de satellites météorologiques pour l'étude des processus climatiques. Le laboratoire travaille depuis son origine sur la météorologie satellitaire, avec notamment l'étude des nuages au moyen des satellites géostationnaires (exploitation des données METEOSAT, participation à ISCCP), l'inversion des sondeurs de type TOVS (équipe ARA), l'étude du bilan radiatif (ERBE, instrument ScaRaB), la validation de modèles de climat. L'expérience INDOEX, qui a sa période d'observation intensive au début 1999, est l'occasion de mettre ce potentiel au service d'objectifs scientifiques communs, qui nécessitent l'exploitation de plusieurs types d'instruments satellitaires (imageur METEOSAT Océan Indien, sondeurs NOAA/TOVS, instruments de bilan radiatif ScaRab surRessources, CERES sur TRMM et EOS a.m., instruments de TRMM dédiés aux précipitations).

Le document ci-dessous présente les objectifs scientifiques et le plan de travail retenus par le groupe de chercheurs concernés par INDOEX-satellites, en insistant sur les études préparatoires à mener dans un premier temps au cours de l'année 1998. Le financement de cette partie du projet INDOEX est demandé au PATOM, car elle concerne principalement les processus de dynamique atmosphérique, les nuages et le rayonnement.

I. Objectifs scientifiques.

L'expérience internationale INDOEX a été conçue initialement avec l'objectif d'étudier les effets directs et indirects des aérosols, et le rôle de l'ITCZ dans le transport des polluants. Ces objectifs correspondent aux thématiques de recherche prioritaires des équipes américaines et allemandes dans INDOEX, ainsi que de la composante INDOEX française en modélisation [1]. Les travaux de suivis d'aérosols par imagerie satellite, envisagés au LMCE, suivent également cette thématique [2].

Outre son intérêt pour l'étude des aérosols et du transport d'espèces chimiques, la région de l'océan Indien représente un site exceptionnel pour l'étude de la convection, des systèmes nuageux et de leur interaction avec la vapeur d'eau. Ces études sont cruciales pour les transports de polluants mais également pour la compréhension des processus qui régissent la variabilité et la sensibilité du climat. Le Laboratoire de Météorologie Dynamique qui possède en ce domaine un solide savoir-faire tant pour la partie expérimentale que pour l'analyse d'observations et pour la modélisation, souhaite développer cette thématique particulièrement fédératrice dans les prochaines années.

Sur proposition de Michel Desbois et de Robert Sadourny, EUMETSAT a accepté de déplacer METEOSAT-5 au-dessus de la mer d'Arabie (à 65deg.E) au printemps 1998. Tous les produits METEOSAT opérationnels (radiances visible, infrarouge, humidité dans les hautes couches atmosphériques, vents nuages et vapeur d'eau, couverture nuageuse, SST etc.) devraient être accessibles à partir de Juin 1998. Ce sera la première fois que des données de satellite géostationnaire au-dessus de l'océan Indien seront accessibles intégralement aux scientifiques. En effet, pour des raisons politiques, les données du satellite géostationnaire Indien INSAT n'ont jamais été distribuées, à l'exception de quelques mois de données échantillonnées qui nous ont été communiquées très récemment dans le cadre du projet INDOEX. Il faut noter aussi que depuis quelques mois, le satellite géostationnaire chinois FY-2 permet aussi d'observer l'océan Indien, mais la qualité des données ne semble pas satisfaisante, d'après le rapport fait par le représentant Chinois au congrès EUMETSAT de Bruxelles, début octobre 1997. La disponibilité des données METEOSAT, ajoutée à celle des analyses météorologiques tropicales réalisées par T.N. Krishnamurti à la Florida State University [3], a été une motivation forte pour l'élaboration de cette proposition INDOEX-Satellites.

D'autre part, le LMD s'engage dans la construction d'une base de données (EURINDO), constituant un relais pour l'Europe de la base centrale d'INDOEX, et accroissant l'accessibilité à l'ensemble des résultats de la campagne.

Nos projets d'analyse climatique des grandeurs hydrologiques et radiatives au-dessus de l'océan Indien, dont certains aspects sont en forte interaction avec la proposition INDOEX/modélisation, s'articuleront autour de trois thèmes :

1) L'étude thermodynamique et radiative des nuages de couche limite

2) L'analyse des fluctuations rapides de la convection.

3) L'étude de la circulation tropicale à grande échelle.

Les activités développées sur ces différents thèmes en 1998 serviront en partie à la préparation de la campagne INDOEX qui aura lieu de Janvier à Mars 1999 (Une pré-campagne est prévue en Février 1998). A partir de Juin 1998 commencera une phase intense d'analyse des données METEOSAT sur l'océan Indien, en association avec la préparation et l'exploitation de la campagne INDOEX de 1999. C'est pourquoi, nous détaillons ci-dessous les projets scientifiques associés à chacun de ces thèmes, en donnant un échéancier indicatif pour ces deux prochaines années (1998-1999).

II. Étude thermodynamique et radiative des nuages bas.

Du fait de leur grande étendue spatiale, de leur persistance et de leur fort pouvoir réfléchissant (albedo), les nuages de couche limite marine (stratus, stratocumulus, cumulus d'alizés) ont un rôle climatique considérable (Hartmann et al 1992). Régionalement, ils influencent fortement les échanges de chaleur entre l'océan et l'atmosphère et ont par conséquent un fort impact sur la température de surface de la mer. L'incapacité de la plupart des modèles de circulation générale actuels à simuler correctement ces nuages s'avère effectivement être un obstacle majeur pour la réalisation de simulations couplées océan-atmosphère (Mechoso et al. 1995). Globalement, les nuages de couche limite contribuent largement à l'albedo planétaire et donc à l'équilibre global de la planète. Notre connaissance du rôle climatique de ces nuages présente encore de nombreuses zones d'ombre. Tout d'abord, la description de la distribution spatiale de ces nuages est incomplète, notamment au-dessus de l'océan Indien [4]. Ensuite, les conditions thermodynamiques et dynamiques de grande échelle favorables à la formation de ces nuages sont encore mal connues, particulièrement au-dessus des océans tropicaux. Il en résulte que le rôle des nuages bas dans la variabilité naturelle du climat et dans un éventuel changement climatique à long terme est très délicat à prévoir (Miller, 1997). Enfin, les nuages bas sont supposés être particulièrement sensibles à la pollution d'origine anthropique (Schwartz et Slingo 1996), mais cette sensibilité n'a pas encore été quantifiée à partir d'observations. Nous comptons contribuer à réduire ces différentes zones d'ombre.

II.1 Établissement d'une climatologie des nuages de couche limite au-dessus de l'océan Indien. (S. Bony, C. Stubenrauch, G. Sèze, M. Desbois.)

En analysant la variabilité spatiale des radiances visible et infrarouge des satellites géostationnaires, nous déterminerons les régions de l'océan Indien couvertes de nuages bas. Une telle étude, utilisant les données du satellite INSAT-1B (qui n'est plus en fonctionnement aujourd'hui), a commencé en 1997 en collaboration avec William Collins (NCAR) et V. Ramanathan (Scripps/C4). Elle a permis de déterminer la fréquence d'occurrence des nuages bas non recouverts par d'autres types de nuages au-dessus de l'océan Indien de 1986 à 1989 (Bony et Collins, 1997a). En 1998, il s'agira de comparer ces résultats avec ceux obtenusen utilisant d'autres méthodologies de détection de nuages et d'autres données géostationnaires (METEOSAT, FY-2), ainsi qu'avec les restitutions des propriétés nuageuses par la méthode 3I à partir de TOVS (voir III.2).

II.2 Étude des conditions thermodynamiques et dynamiques associées à la formation des nuages bas. (S.Bony, M. Desbois, L. Picon + Equipe Ballons d'Indoex)

Les ballons de couche limite qui seront lancés durant la pré-campagne et pendant la campagne INDOEX fourniront des mesures de température et d'humidité le long de trajectoires proches de celles des masses d'air (cependant, les ballons ne suivent pas les mouvements verticaux de l'air). Il est possible (et même probable) qu'ils évoluent d'abord dans des zones de ciel clair (hormis les aérosols), puis qu'il y ait apparition de nuages bas, avant qu'ils ne rejoignent la ZCIT. Les analyses satellite de l'évolution de la couverture nuageuse le long de la trajectoire des ballons permettront de relier les paramètres mesurés à la formation des nuages; cependant, les paramètres mesurés sont très limités. C'est pourquoi si les trajectoires simulées (voir partie modélisation d'INDOEX) et les analyses météorologiques de Krishnamurti s'avèrent en bon accord avec les données des ballons, nous utiliserons ces analyses pour déterminer à plus grande échelle les conditions thermodynamiques et dynamiques (température, humidité, stabilité, etc) de la couche limite atmosphérique qui sont favorables à la formation des nuages bas. L'information fournie par le lidar LEANDRE, embarqué sur avion [5], devrait par ailleurs, lors de certains vols, permettre des mesures plus précises des paramètres de la couche limite et des propriétés des nuages bas, qui seront confrontées aux estimations satellitaires.

Notons que lors de la pré-campagne de 1998, les données METEOSAT-5 ne seront pas encore disponibles. Pour déterminer la présence de nuages bas sur l'océan Indien (notamment sur la trajectoire des ballons d'essai), nous utiliserons donc les données du satellite géostationnaire FY-2 (si elles sont disponibles et fiables), ou bien les données du satellite METEOSAT opérationnel à 0deg. de longitude) dont le disque d'observation couvre la Mer d'Arabie, malgré une incidence très rasante.

II.3 Étude de l'effet indirect des aérosols sur les nuages bas.(S. Bony, F.-M. Bréon)

L'effet des aérosols sur les propriétés microphysiques des nuages, sur la réflexion du rayonnement solaire et donc sur le bilan radiatif de la Terre, a été largement étudié théoriquement et numériquement depuis une vingtaine d'années. Des observations détaillées à l'échelle de la colonne nuageuse ont été effectuées lors de l'expérience ACE-2 Cloudy Column. Toutefois, cet effet a été peu quantifié à partir d'observations à grande échelle.

Dans le cadre du projet INDOEX, nous rechercherons la trace de l'effet indirect des aérosols sur les nuages de couche limite au-dessus de l'océan Indien. Ceci se fera en comparant la réflectivité des nuages bas dans les régions relativement pures et peu chargées en aérosols (essentiellement au-dessus de l'océan austral) et dans les régions fortement polluées, (essentiellement au Nord de l'ITCZ, où l'air provient ducontinent sud-est asiatique). Ce travail repose sur la détection satellitaire des régions couvertes de nuages bas (voir ci-dessus), et sur l'utilisation de données de bilan radiatif au sommet de l'atmosphère. Une étude préliminaire réalisée à partir de données INSAT et de données ERBE/S8 (Bony et Collins, 1997b) indique que les nuages bas sont systématiquement plus brillants dans l'hémisphere Nord (très pollué) que dans l'hémisphère Sud (relativement pur). Afin de pouvoir conclure éventuellement à la mise en évidence observationnelle à grande échelle de l'effet indirect des aérosols, il faut nous assurer que cet effet n'est pasdû à des différences de contenu en eau liquide des nuages, ni a l'effet radiatif des aérosols entre les nuages ou au-dessus. La majeure partie de ce travail devra être réalisée en 1998. En 1999, nous comparerons les résultats de cette étude avec ceux obtenus en détectant les nuages bas à partir de METEOSAT et en mesurant l'albédo de ces nuages à partir des instruments ScaRaB et CERES. Nous confronterons en outre nos résultats aux données de la campagne INDOEX de 1999. En particulier, nous tirerons grandprofit des mesures d'aérosols in-situ et dérivés de mesures satellitaires (notamment l'analyse des données AVHRR par J. Coakley et des données METEOSAT-5 par F. Dulac).

Une information sur la taille des gouttes constituant les nuages bas pourra être obtenue par l'instrument Polder, sur une période malheureusement antérieure à la campagne INDOEX (Nov 96-Juin 97). Il s'agit d'exploiter les maxima secondaires de polarisation pour les grands angles de diffusion. Les premiers tests effectués montrent que, dans certaines conditions de couverture homogène, ces maxima secondaires peuvent être observables sur les images POLDER. L'ajustement à la théorie des observations angulaires de la lumière polarisée dans les trois canaux POLDER permet de déduire la taille des gouttes. Une recherche systématique de ces occurences sera effectuée sur l'Océan Indien, en coïncidence avec d'autres données coïncidentes, sur cette période.

III. Analyse des fluctuations rapides de la convection.

Une des caractéristiques du climat de l'océan Indien est la mousson. Ce phénomène s'accompagne d'une convection importante, qui présente une forte variabilité à courte échelle de temps (de l'ordre de la journée). Ces variations conditionnent, dans une large mesure, la distribution des variables climatiques tropicales, telles que les précipitations, les flux d'humidité et d'énergie, les vents.

Plusieurs expériences ont été dejà menées sur la caractérisation de la convection à moyenne échelle (GATE, COPT81, TOGA/COARE), aucune n'a eu lieu sur l'Océan Indien. Un des atouts d'INDOEX, par la complémentarité des mesures disponibles, sera d'offrir la possibilité d'étudier essentiellement l'environnement des systèmes convectifs, plutôt que les mécanismes physiques ou micro-physiques des systèmes nuageuxeux-mêmes. Cet aspect est complémentaire des expériences précédentes et est indispensable à la modélisation de ces phénomènes, qui restent encore mal représentés dans les modèles de grande échelle, malgré une meilleure compréhension de la physique convective.

III.1 Reconstruction de la circulation dans l'ocean Indien par assimilation des structures convectives vues par les géostationnaires (M. Bonazzola, R.Sadourny)

La dynamique de grande échelle sur l'Océan Indien sera étudiée en parallèle sur les données satellitales et sur des simulations réalisées avec le modèle LMDZ "zoomé" sur l'équateur à la longitude de la Mer d'Arabie. Pour rapprocher les simulations de la réalité, les données géostationnaires (dans un premier temps, INSAT, puis Météosat en 1999) seront assimilées dans LMDZ afin d'obtenir une représentation réaliste de l'évolution de l'ITCZ, depuis l'échelle diurne jusque aux échelles intrasaisonnières.

Les premières expériences réalisées avec les analyses de l'ECMWF ou du NCEP montrent que les précipitations simulées dans les heures qui suivent une initialisation par les analyses sont fortement sous-estimées, et que leur distribution ne correspond pas bien aux observations de l'ITCZ par un satellite géostationnaire. Un délai d'environ 36 heures est nécessaire pour que le modèle reconstitue un champ de précipitations statistiquement raisonnable. C'est le problème dit du "spin-up". Pour pallier ce défaut, il a été décidé de modifier les analyses en imposant au champ de divergence d'être bien corrélé aux observations géostationnaires, sur la base de relations dans un premier temps empiriques.

Cette approche doit permettre d'atteindre à la représentation la plus réaliste possible de la circulation à grande échelle et des grands systèmes convectifs qui lui sont associés, durant les quatre mois de la mousson d'hiver. Cette représentation permettra

*d'étudier les perturbations de grande échelle dans la région d'INDOEX et de les relier aux analyses satellitales réalisées par ailleurs et d'étudier la dynamique de l'ITCZ et de ses migrations nord-sud éventuelles aux échelles intrasaisonnières (voir paragraphe IV.1) (cf. Srinivasan et Smith, 1996);

*d'étudier la circulation rotationnelle au voisinage des grands systèmes convectifs de part et d'autre de l'équateur (à laquelle les satellites ne donnent pas directement accès, mais qui est fortement liée à la circulation divergente et au changement de signe de f àl'équateur), ainsi que la manière dont la coexistence de tourbillons positifs et négatifs contribue au mélange des masses d'air pur et des masses d'air pollué ;

*de simuler de façon plus précise les trajectoires des ballons de couche limite lâchés de Goa pendant la campagne INDOEX de 1999 ;

*de simuler de la façon la plus réaliste possible le transport des aérosols et la chimie du soufre, avec le modèle développé par ailleurs en relation avec INDOEX (cf. INDOEX-Modélisation), appliqué aux champs de vitesse issu du mélange entre les analyses et l'observation géostationnaire du champ convectif.

Dans cette étude, l'étape préliminaire consistera à analyser les données INSAT déjà disponibles (1986-1989). Les événements de convection profonde seront détectés par une méthode de seuillage des radiances visibles et infrarouges (Fu et al. 1990). Il s'agira ensuite d'introduire cette information dans l'état initial par le biais d'une relation empirique entre l'état convectif et les profils de vitesse, de température et d'humidité. Une fois l'état initial défini, l'évolution de l'ITCZ simulée par le modèle sera validée par comparaison directe aux données INSAT. Pour cela, la radiance dans le canal infrarouge de INSAT sera simulée à partir des profils thermodynamiques du modèle en utilisant la méthode développée par R. Roca et J.-J. Morcrette (Roca et al., 1997).

III.2 Analyse de la structure 3D de l'ITCZ. (I. Jobard, L. Picon, M. Desbois, A. Szantai, N. Scott, C. Stubenrauch, R. Holz, équipe française TRMM)

Les données des satellites géostationnaires permettent d'analyser la structure générale et la position de l'ITCZ, comme on l'a vu plus haut. Associées à des mesures d'autres satellites, elles permettront des analyses plus fines sur la structure 3D des sytèmes convectifs et de leur environnement, et sur leur évolution. En particulier, l'algorithme 3I du LMD permet de transformer les mesures du rayonnement émis et diffusé à différents niveaux de l'atmosphère par l'instrument TOVS des NOAA en propriétés thermodynamiques de l'atmosphère (profils de température et de vapeur d'eau), de la surface (température et émissivité) ainsi qu'en propriétés nuageuses (couverture effective et altitude) Cet algorithme a été validé puis amélioré par comparaisons avec des produits identiques issus d'autres analyses d'autres instruments (AVHRR, SSM/I, ERBE, ISCCP, radiosondages). Les sondeurs infrarouge sont aussi très intéressants pour l'étude des cirrus, car eux-seuls peuvent déterminer l'épaisseur des nuages la nuit. Une autre investigation est en cours pour déterminer les paramètres microphysiques (taille et forme des cristaux de glace) de ces nuages. Le lancement du nouvel instrument ATOVS (sondeur HIRS/3 et microondes AMSU-A et -B) en été 1998 améliorera encore la détection des nuages ainsi que la détermination des profils vapeur d'eau et de température.

D'autres satellites (DMSP, avec le SSM/I, et surtout TRMM dont le lancement vient d'avoir lieu le 28 novembre 1997 à 6:27 JMT) seront également utilisés. Les premières données TRMM devraient être disponibles à partir du début 1998 (données brutes et paramètres géophysiques analysés). L'année 1998 sera consacrée à des tests des possibilités d'utilisation de ces données lors de coupes de l'ITCZ de l'Océan Indien par TRMM. On s'intéres sera notamment, en collaboration avec les autres membres de l'équipe sélectionnée dans TRMM par la NASA et la NASDA (en particulier, au CETP, Paul Amayenc et Claude Klapisz - cf. proposition au PNTS), à la restitution des précipitations. La combinaison avec les données de Météosat-5 pourra être testée à partir de l'été 1998. En ce qui concerne la campagne 1999, on envisage une analyse approfondie de situations convectives correspondant à des épisodes d'observation intensive par les autres moyens de mesure (bateaux, avions [6]), en tirant profit de la synergie TRMM/TOVS/METEOSAT pour

*l'étude de la redistribution de la vapeur d'eau par la convection,

*l'estimation de la divergence autour des amas convectifs à partir d'images successives du canal vapeur d'eau de METEOSAT (en collaboration avec Henri Laurent, de l'ORSTOM)

(Ces deux études pourront servir à la validation du modèle LMDZ, utilisé pour la reconstitution de la circulation dans l'Océan Indien.)

*la définition d'indices de convection à rapprocher de l'intensité des précipitations;

*la comparaison et la complémentarité avec les analyses météorologiques de la Florida State University.

*l'étude des paramètres microphysiques des cirrus

III.3 Étude de la variabilité diurne, inter-diurne et intra-saisonnière de la convection profonde. (S. Bony, M. Bonazzola, G. L. Liberti, J.-Y. Grandpeix.)

La convection profonde constitue un mécanisme fondamental d'interaction entre l'atmosphère et l'océan : les conditions thermodynamiques et dynamiques à la surface de l'océan déterminent l'activation de la convection, et sont modifiées en retour par la convection, au travers notamment de processus radiatifs liés à la nébulosité, et par l'intermédiaire de courants subsidents intenses (pilotés par l'évaporation des précipitations) qui modifient les flux de surface et tendent a inhiber la convection. L'analyse de la variabilité et de l'organisation de la convection profonde est une voie vers la compréhension de ces mécanismes.

Notre connaissance de la variabilité rapide de la convection au-dessus de l'océan Indien s'est heurtée jusqu'à présent à l'absence de données geostationnaires sur la région. Dans le cadre du projet INDOEX, nous disposons de 5 ans de données de radiances visible et infrarouge du satellite INSAT (le géostationnaire Indien) pendant la mousson d'hiver (Janvier-Avril). De plus, toutes les données du satellite METEOSAT-5 en orbite au-dessus de l'océan Indien devraient être disponibles à partir de Juin 1998. Notre projet est d'analyser ces données en synergie avec les analyses météorologiques de Krishnamurti pour documenter la variabilité de la convection profonde au-dessus de l'océan Indien à différentes échelles de temps et d'espace : variations diurnes (leur phasage avec le forçage solaire, leur dépendance du régime de circulation atmosphérique de grande échelle et leur lien avec le cycle de vie des systèmes nuageux convectifs), variations inter-diurnes (nous rechercherons par exemple la présence d'ondes synoptiques de 2 jours liées aux ondes d'inertie-gravité et au cycle diurne des amas convectifs), variations intra-saisonnières (les oscillations de Madden et Julian).

Durant 1998-1999, cette analyse devrait nous aider a comprendre l'origine des "breaks" de l'ITCZ vers 60-70 deg.E. De plus, nous déterminerons le degré de spécificité de l'organisation de la convection au-dessus de l'océan Indien en la comparant à celle qui a été étudiée au-dessus d'autres océans tropicaux (e.g. Duvel, 1988; Machado et al., 1992), notamment dans le Pacifique Ouest durant l'expérience TOGA-COARE (Chen et al. 1996, Chen et Houze 1997). Les simulations initialisées par les données géostationnaires (voir paragraphe III.1) permettront une analyse plus fine de l'origine de la variabilité observée. Enfin, cette étude fournira une base riche de diagnostics utilisables pour tester et améliorer les schémas de convection utilisés dans les modèles de circulation générale. Nous comptons tester en particulier le comportement du schéma de convection de Kerry Emanuel en développement au LMD dans le modèle de circulation générale LMDZ.

IV. Étude de la circulation tropicale à grande échelle.

La circulation à grande échelle détermine en partie les climats régionaux dans les basses latitudes (régimes de mousson, convection tropicale, déserts,..). Elle permet le transport sur de grandes distances de masses d'air polluées ou non, et à ce titre, son étude est au coeur de la problématique d'INDOEX.

Les caractéristiques de la Mousson d'hiver et sa variabilité sont peu connues au-dessus de l'Océan Indien. Certaines anomalies, telles que des "breaks" dans la zone de convergence, doivent être documentées et analysées à l'aide d'observations.

D'autre part, la circulation générale permet la redistribution de l'énergie et de l'humidité à partir de l'ITCZ. Les variations de la circulation zonale et méridienne inflencent donc largement l'occurence d'anomalies des climats régionaux (sècheresses, inondations, décalage du déclenchement de la mousson...), ainsi que les téléconnections entre différentes régions tropicales. L'expérience INDOEX, par les différentes observations satellites mis en oeuvre, est un cadre priviligié pour approfondir notre connaissance de ces phénomènes.

IV.1 Climatologie de la mousson d'hiver. (M. Bonazzola, S. Bony,C. Stubenrauch, L. Picon., G. Sèze.)

Il s'agira d'établir une climatologie relativement complète des grandeurs hydrologiques, radiatives et dynamiques au-dessus de l'océan Indien pendant la mousson d'hiver. Cela sera réalisé en utilisant les données ERBE des flux radiatifs au sommet de l'atmosphère, les données SRB de flux radiatifs à la surface de l'océan, les données SSM/I et TOVS de vapeur d'eau, les données Reynolds et TOVS de température, les données MSU, SSM/I, GPCP, et Legates-Willmott de précipitation, les données ISCCP et TOVS de propriétés nuageuses, et les réanalyses météorologiques du Centre Européen, de la NASA/GSFC et du FSU pour les champs dynamiques. Il s'agira en particulier d'étudier les "breaks" et les migrations intrasaisonnières de l'ITCZ (Srinivasan et Smith, 1996).

Cette synthèse de la climatologie et de la variabilité temporelle de la mousson d'hiver permettra de valider la climatologie du modèle LMDZ zoomé sur l'océan Indien (ce modèle est d'ores-et-dejà très utilisé par les modélisateurs INDOEX). Elle servira également de support à la préparation et à l'interprétation des données récoltées pendant les campagnes INDOEX.

IV.2 Étude de circulation tropicale de grande échelle à partir de la distribution spatio-temporelle de la vapeur d'eau. (L. Picon, R. Roca.)

La vapeur d'eau atmosphérique dans la moyenne et haute atmosphère peut être considérée comme un traceur des masses d'air d'altitude. Plusieurs études ont montré la capacité des canaux "vapeur d'eau" des satellites à identifier les zones de subsidence de la circulation à grande échelle (Salathé et Hartmann, 1997, Picon and Desbois, 1990, Newell et Zhu 1996, Schmetz et al, 1995). La disponibilité, à partir de Juin 98 de Meteosat 5, sur l'Océan Indien, permettra d'étudier la variabilité saisonnière de l'intensité et des positions des régions de subsidence en liaison avec l'activité de la mousson. D'autre part, l'injection d'humidité par la convection dans les hautes couches de la troposphére est un problème majeur qui introduit de grandes incertitudes sur l'influence de la vapeur d'eau sur l'effet de serre. La disponibilité de plusieurs satellites dont les capteurs sont sensibles à l'humidité (Meteosat, TOVS, SSMI) permettra de s'intéresser à ce problème. La possibilité exceptionnelle de disposer simultanément de deux instruments quasi-similaires (Meteosat 7 et 5) sur l'Océan Indien et l'Océan Atlantique, sera exploitée : une étude appronfondie des téléconnections des deux régions sera menée. L'influence du "pôle" de Mousson sur l'Océan Indien, particulièrement intense, sur les redescentes d'air sec dans les deux océans sera analysée.

*À partir de Juin 1998 :

Utilisation du canal "vapeur d'eau" des deux satellites Meteosat, pour étudier la variabilité des zones de subsidence, à l'échelle décadaire et mensuelle, en liaison avec les études de la mousson évoquées précédemment. Les méthodologies d'intercalibration des deux satellites ont déjà été testées lors du déplacement de METEOSAT 3 sur l'Amérique du Sud en 1993 (Roca et Picon, 1997).

Des trajectoires par suivi des structures spatiales à partir du canal vapeur d'eau seront calculées sur une période d'essai, puis comparées aux analyses du FSU. En 1999, ces trajectoires seront également calculées sur des périodes correspondant à la campagne INDOEX.

*En cours + 1998-99 :

Une comparaison directe des résulats du modèle de circulation générale du LMD et des températures de brillances "vapeur d'eau" de METEOSAT est en cours (Roca et al, 1996). La méthodologie mise au point pourra s'appliquer sur la région concernée par INDOEX, en particulier pour valider les améliorations de l'état initial du modèle évoquées au paragraphe III.1. Les simulations ainsi validées pourront être utilisées pour détailler les mécanismes sous-jacents aux phénomènes de téléconnections mis en évidence par le satellite. Les analyses de Krishnamurti, de par leur qualité, seront également précieuses pour cette démarche.

*A partir de 1999 :

Une fois étudiées les variations saisonnières des régions de subsidence, le lien entre la vapeur d'eau de ces régions et leur effet de serre sera examiné par des comparaisons d'observations satellitaires à la fois d'humidité et de bilan radiatif (Meteosat, SSMI, TOVS, CERES, Scarab).

IV.3 Trajectographie satellite des écoulements atmosphériques dans les basses couches. (M. Desbois, A. Szantai, F. Desalmand -collaboration avec les équipes INDOEX ballons et INDOEX modèles-trajectoires)

A partir de Juin 1998, les vents de basses couches déduits des déplacements des nuages bas au-dessus de l'océan Indien seront produits par Eumetsat (et envoyés sur le GTS pour assimilation dans les modèles de prévision). Par ailleurs, dans la suite lointaine des champs de déplacements de nuages calculés au LMD à partir de GOES O.I. dans le cadre de l'expérience MONEX (note LMD No97, 1979), le LMD adéveloppé une technique de reconstitution de trajectoires à partir du suivi continu du mouvement des nuages. Les trajectoires obtenues seront comparées d'une part aux trajectoires des ballons basses couches, d'autre part aux trajectoires simulées dans différents modèles utilisés dans le cadre d'INDOEX. Ces comparaisons permettront de déterminer les méthodes les mieux appropriées pour étudier, sur l'ensemble de la zone et de la période Indoex, les flux atmosphériques dans les basses couches. Ceci est essentiel en particulier pour préciser le trajet des masses d'aérosols (sans pouvoir tenir compte toutefois de la diffusion verticale). Cette trajectographie sera également un moyen de valider la dynamique simulée par le modèle LMDZ.

V. Etude des aérosols par télédétection satellitaire (François Dulac et al.)

La demande coordonnées au PNCA : "Effets radiatifs des aérosols troposphériques naturels et anthropiques" du thème Interactions Aérosols-Climat, inclut une contribution à Indoex dont l'objectif est le bouclage à l'échelle régionale des bilans d'aérosols en terme de masse et de forçage radiatif direct. La contribution satellitaire incluera aussi un effort du LOA pour analyser en aérosols les données POLDER de 1997 et les futures données MODIS (à partir de juillet 98), et l'analyse de l'IR Meteosat pour identifier les sources d'aérosols minéraux sur le continent (en temps réel comme on le fait actuellement pour Meteosat 0deg. IR et VIS, si l'équipe du LMCE arrive à gérer la réception du futur Meteosat 65deg.E).

Ce projet n'est évoqué ici que pour mémoire, la demande détaillée apparaissant ailleurs.

VI. Références.

Bony, S. and W. Collins, 1997a : INSAT-Derived Climatology of Low-Level Clouds over the Indian Ocean during the Winter Monsoon, report available at LMD, 40pp.

Bony, S. and W. Collins, 1997b : Satellite Investigation of the Indirect Effect of Aerosols on Low-Level Clouds over the Indian Ocean, report available at LMD, 20pp.

Chen, S. S., R. A. Houze and B. E. Mapes, 1996 : Multiscale Variability of Deep Convection in Relation to Large-Scale Circulation in TOGA-COARE, J.Atmos. Sci., 53, 1380-1409.

Chen, S. S. and R. A. Houze, 1997 : Diurnal variation and life-cycle of deep convective systems over the tropical Pacific warm pool, Q.J.R.Meteorol. Soc., 123, 357-388.

Duvel, J.-Ph., 1988 : Analysis of diurnal, interdiurnal and interannual variations during Northern Hemisphere Summers using METEOSAT infrared channels., J. Climate, 1, 471-484.

Fu, R., A.D. Del Genio and W. B. Rossow, 1990 : Behavior of Deep Convective Clouds in the Tropical Pacific Deduced from ISCCP radiances, J. Climate, 3, 1129-1152.

Hartmann, D. L., M. E. Ockert-Bell and M. L. Michelsen, 1993 : The effect of Cloud Type on Earth's Energy Balance: Global Analysis, J. Climate, 5,1281-1304.

Machado, L.A.T., M. Desbois and J.-Ph. Duvel, 1992 : Structure and characteristics of deep convective systems over tropical Africa and the Atlantic ocean, Mon. Wea. Rev., 120, 392-406.

Mechoso, C. R. and co-authors, 1995 : The Seasonal Cycle over the Tropical Pacific in Coupled Ocean-Atmosphere General Circulation Models, Mon. Wea. Rev., 123, 2825-2838.

Miller, R. L, 1997 : Tropical Thermostats and Low Cloud Cover, J. Climate, 10, 409-440.

Newell, R.E and Y. Zhu, 1996 : Walker circulation and tropical tropospheric water vapor, J. Geophys. Res., 101, D1, 1961-1974.

Picon, l and M. Desbois, 1990 : Relation between Meteosat water vapor radiance fields and large scale tropical circulation, J. Climate, 3, 865-874.

Roca, R., L. Picon, M. Desbois, H. Le Treut and J.-J. Morcrette, 1997 : Direct Comparison of METEOSAT Water Vapor Channel Data and General Circulation Model Results, Geophys. Res. Lett., 24, 147-150.

Salathé, E. P. and D.L. Hartmann , 1997 : A trajectory analysis of tropical upper-tropospheric moisture and convection, J. of Climate, 10, 2533-2547.

Schmetz J. , W.P Menzel, C.Velden, X.Wu, L. van de Berg, S.Nieman,C.Hayden, K.Holmlund and C.Geijo, 1995 : Monthly mean large-scale analyses of Upper-tropospheric humidity and wind field divergence derived from three geostationary satellites, Bull. Amer. Met.Soc., 76, 1578-1584.

Srinivasan, J. and G. L. Smith,1996: Meridional Migration of Tropical Convergence Zones, J. Appl.Meteor., 35, 1189-1202.

Personnel impliqué

Chercheurs            Fonction       % sur le projet

Marine Bonazzola Doctorant 50 % Sandrine Bony CR CNRS 60 % François Marie Bréon 20% Françoise Desalmand MCF Paris 6 20 % Michel Desbois DR CNRS 10 % Ralf Holz Doctorant 20 % Isabelle Jobard MCF Paris 11 20 % Laurence Picon MCF Paris 6 50% Remi Roca Doctorant 50 % (chez Ramanathan) Robert Sadourny DR CNRS 5 % Noëlle Scott DR CNRS 10 % Genevieve Sèze CR CNRS 20 % Claudia Stubenrauch CR CNRS 20 % IT Fonction sur le projet Gian Luigi Liberti CDD 25 % Jean-Louis Monge IR CNRS 25 % (base de données) Andre Szantai IE CNRS 25%

Moyens demandés

Missions         2 missions USA (collaborations Ramanathan, Collins)               40 KF  
Équipement       Disques de stockage (données Météosat, INSAT, TRMM)               60 KF  
Fonctionnement   Achat de données satellitales (Météosat) Fonctionnement           25 KF  
                 courant, maintenances                                             25 KF  
Coût total                                                                         150KF  

Budget prévisionnel 1999 : de l'ordre de 200 KF

L'essentiel des données nécessaires devraitêtre approvisionnées gratuitement dans la base de données INDOEX (EURINDO si le projet voit le jour au LMD). Il faudra prévoir, au niveau informatique, une participation aux supports de stockage en ligne de l'archive; au total, la contribution demandée devrait être légèrement supérieure à celle de 1998 .

Budget prévisionnel pour 2000 : de l'ordre de 100 KF

2000 sera une année d'exploitation intensive des données recueillies, et de diffusion des résultats (publications, conférences).

C. INDOEX. DISTRIBUTION TRIDIMENSIONNELLE DES AÉROSOLS ET INTERACTIONS AÉROSOLS / NUAGES / RAYONNEMENT / PHOTOCHIMIE EN RÉGION TROPICALE.

Responsable : P. Flamant, LMD ; Laboratoire associé: SA

Contexte de la recherche

1. Cadre général

La thématique centrale du programme INDOEX est la détermination de la contribution des aérosols troposphériques naturels et anthropiques au bilan radiatif régional et à sa variabilité. Cette contribution se subdivise entre les effets directs sur le rayonnement, qui dépendent des caractéristiques optiques et géométriques des couches d'aérosols, et les effets indirects associés à la modification de la couverture nuageuse par leur présence (rayon effectif des gouttelettes et par voie de conséquence l'albédo). De manière générale, l'océan indien en hiver est caractérisé par un fort gradient nord-sud de la distribution en aérosols résultant de l'advection de masses d'air pollués, en provenance du sous continent Indien, vers la Zone de Convergence Inter Tropicale (ZCIT) et le mélange qui en résulte avec des masses d'air pures d'origine maritime.

Un objectif premier d'INDOEX est de documenter de manière précise la distribution spatiale des aérosols pour des situations météorologiques de la mousson d'hiver. Le but est de définir des paramétrisations et de valider la représentation des aérosols dans les modèles de circulation générale ou régionale. En effet, les progrès en modélisation ont montré qu'il reste beaucoup trop d'incertitudes sur les distributions des aérosols, ainsi que sur leurs propriétés optiques et thermodynamiques (cf. proposition modélisation, coordonnateur O. Boucher).

Concernant les observations requises pour la description et la compréhension des processus, deux approches complémentaires et indissociables sont poursuivies dans le cadre d'INDOEX. Ce sont, d'une part l'appréhension des phénomènes de grande échelle au moyen des données satellitales (grande couverture spatiale mais limitation de la résolution verticale), et d'autre part des descriptions détaillées par avion ou bateau (précision verticale mais limitation dans le temps et éventuellement limitation à des transects bidimensionnels), et des séries temporelles enregistrées sur des sites instrumentés (limitées dans l'espace à des séries ponctuelles). Compte tenu des avantages et des limitations de chacunde ces moyens, il est clair qu'il faut profiter au mieux de leur complémentarité : d'où la nécesssité d'une harmonisation et d'une synergie optimales entre les différentes bases de données, incluant les analyses météorologiques effectuées sur la région d'INDOEX par le CEPMMT et plus spécifiquement par la Florida State University.

La contribution du Mystère 20 est au coeur même des objectifs d'INDOEX, à savoir l'échantillonnage de la distribution spatiale des aérosols avec le souci de valider les données satellitales et de contraindre les modèles de photochimie-climat ; s'ajoutent à cela des mesures in situ caractéristiques de la haute troposphère, importantes pour la dynamique, le rayonnement et le climat. La présente proposition articule la complémentarité des mesures aéroportées sur le Mystère 20 avec l'ensemble du dispositif expérimental d'INDOEX : données satellites, en particulier METEOSAT (cf. proposition Satellite, coordonnateur M. Desbois), bateau instrumenté (Sagar Kanya), sites instrumentés à Malé, La Réunion et Tromelin, avions C -130 américain et Falcon du DLR (cf. proposition de F. Dulac) ; ainsi qu'avec la composante modélisation de grande échelle et de méso-échelle. L'Institut Pierre Simon Laplace (Laboratoire de Météorologie Dynamique et Service d'Aéronomie) a acquis un important savoir fairepour la conduite d'expérience sur le terrain par des participations aux campagnes de mesures internationales récentes [7].

2. Interaction nuages/aérosols/rayonnement

Le bilan radiatif à l'échelle régionale et les interactions aérosols/nuages/rayonnement/ phtochimie est un des objectifs d'INDOEX. Un volet important est la validation des modèles au moyen des observations. L'ensemble des observations nécessaires pour cela comprend celles obtenues par les avions, le bateau et les satellites. Il s'agit de déterminer le gradient vertical des flux radiatifs dans le visible et dans l'infrarouge au moyen des différents avions Mystère 20, C-130 et Citation, de mesurer les flux radiatifs à la surface par le Sagar Kanya, l'avion P-3 américain et les sites instrumentés, et les flux radiatifs au sommet de l'atmosphère par les satellites NOAA-12 et 14 et Scarab/Resurs.

Les mesures de rayonnement en présence et en l'absence de nuages, et la connaissance de la distribution verticale des aérosols et des paramètres nuageux permettront de contraindre les codes radiatifs utilisés pour estimer le forçage radiatif suivant la procédure déjà utilisée pour traiter les données d'ASTEX et ACE-2 (cf. proposition P. Chazette et Y.Balkanski dans le projet Aerosols-Climat)

Comme cela a été dit précédemment, la concentration en CCN modifie la distribution en taille des gouttelettes nuageuses. Pour un même contenu en eau liquide, une concentration accrue en CCN conduira à des gouttelettes plus petites et plus nombreuses. Cette effet aussi connu sous le nom de "ship track" est particulièrement sensible au-dessus des océans là où la concentration en CCN est généralement plus faible qu'au-dessus des continents. Cette modification de la micro-physique entraîne une augmentation de l'albédo. Les variations d'albédo seront observées par radiométrie solaire à bord du Mystère 20 et corrélées aux mesures d'épaisseur optique et de rayon effectif des gouttelettes effectuées par lidar et radiométrie infrarouge. Les analyses porteront sur les différents transects du Mystère 20 afin de mettre en évidence une action du panache de pollution sur la couverture nuageuse au-dessus de l'océan indien et la présence d'un gradient nord-sud à partir de la côte vers la ZCIT, et d'une dissymétrie entre les deux cotés de la ZCIT qui sont semblables d'un point de vue thermodynamique. Là encore les mesures lidar et radiométriques embarquées devraient servir de vérité terrain aux études conduites au moyen des données satellitales.

3. Redistribution des aérosols par la ZCIT

Les aérosols advectés du continent indien vers la ZCIT sont pris dans la circulation rotationnelle et ascendante/descendante au voisinage de celle-ci, et redistribués spatialement, en particulier suivant l'altitude. Les aérosols ainsi injectés à haute altitude pourront être observés directement par le lidar. Il en est de même pour les aérosols stratosphériques. Nous chercherons à interpréter les variations à moyenne échelle des propriétés optiques (c.a.d. les concentrations en aérosols) comme une signature de la dynamique. Lesmesures in situ d'ozone, de vapeur d'eau et de CCN permettront de mieux caractériser ces variations. Notre analyse portera sur les corrélations (ou anti corrélations) entre les différentes mesures effectuées par le Mystère 20 : lidar, radiométrie, mesures in situ. Les mesures effectuées par le Mystère 20 seront à replacer dans le contexte plus général apportépar les mesures satellitales et serviront par la même de vérité terrain.

Les aérosols injectés dans la haute troposphère peuvent, selon leur nature chimique, servir de noyaux de congélation pour laformation de nuages de glace et en particulier des cirrus. Il en est de même des aérosols stratosphériques. Les cirrus dans leur phase terminale après sédimentation et évaporation des cristaux devraient laisser une signature en aérosols représentative de la dynamique et des échanges entre la troposphère et la stratosphère. Les mesures lidar permettront d'identifier les signatures des aérosols résiduels et les variations de concentration vis à vis des aérosols de fond dans la stratosphère.

La convection profonde constitue un mécanisme fondamental d'interaction entre l'atmosphère et l'océan. La variabilité diurne et inter-diurne de la convection profonde sera documentée par les vols du Mystère 20 à partir de La Réunion et les transects La Réunion-Les Seychelles (et vice versa).Ces vols devraient permettre de mieux appréhender la structure tri-dimensionnelle des ruptures ("breaks") de la ZCIT vers 60deg.-70deg. Cette étude est complémentaire de celle qui sera conduite au moyen des données satellitales. Il est à noter que la couverture nuageuse dans toute la troposphère (nuages bas, nuages élevés) sera documentée au cours des différents vols du Mystère 20. Ces informations seront utilisées pour l'étude de la convection profonde (cf. proposition satellite).

4. Distribution des aérosols et gradients nord-sud

L'établissement d'une climatologie des aérosols au-dessus de l'océan indien et au voisinage de la ZCIT, en interaction avec la dynamique de moyenne et de grande échelles est au coeur d'INDOEX. Les vols du Mystère 20 conduiront à des échantillonnages bi-dimensionnels précis qui contribueront à documenter la distribution des aérosols, mais aussi celles des nuages (Cu, Sc, Ci, ..) en synergie avec les autres observations. Il est à souligner que cet objectif ne fait pas partie des objectifs des avions C-130 et P-3 américains, ni de ceux du Falcon dont les vols seront centrés sur Malé. Cette thématique est du seul ressort du bateau indien (Sagar Kanya) et du Mystère 20.

Le lidar rétrodiffusion sur le Mystère 20 fournira des coupes bi-dimensionnelles (dans un plan vertical) de la surface jusqu'à une altitude voisine de 25 km pour les variables indiquées ci-dessus ([[section]]2). Les expériences ASTEX et ACE-2 auxquelles a participé LEANDRE sur l'ARAT, nous ont permis de montrer que les aérosols d'origine continentale se déplaçaient en couches bien marquées jusqu'à des altitudes de 2 et 3,5 km, c.a.d. au-dessus de la couche limite marine. Les aérosols continentaux sont soulevés par un phénomène de brise de mer puis advectés sur l'océan. Les mécanismes de soulèvement seront étudiés pour mieux comprendre les sources et l'alimentation en aérosols, en synergie avec l'activité de modélisation (études proposées par R. Rosset sur Méso-NH et les applications à la modélisation en-ligne de grande échelle). À cet effet, les mesures lidar et radiométriques seront utilisées pour quantifier la présence des aérosols continentaux advectés sur l'océan et des aérosols naturels de la couche limite marine.

Le projet coordonné Interactions Aérosols-Climat a pour objectif un bilan de la contribution des différents types d'aérosols à la charge totale (et au bilan radiatif, cf. [[section]] 5) à l'échelle du bassin. Il nécessite l'utilisation de la modélisation 3D, contrainte par les observations. Les tests effectués au LMCE sur plusieurs schémas de lessivage des aérosols ont montré que la connaissance de la répartition verticale des aérosols est indispensable (cf. Guelle et al, proposition F. Dulac). En effet par des phénomènes de compensation les schémas de lessivage sont susceptibles de fournir des concentrations ou des dépôts au sol comparables mais pouvant provenir de répartitions verticales des aérosols troposphériques totalement différentes. Les mesures lidar et radiomètres à bord du Mystère 20 suivant les différents transects, et les mesures coordonnées entre les avions (Mystère 20, C-130, P3) répondent directement à cet objectif.

L'avion volant à 10-11 km d'altitude, il sera nécessaire de basculer la ligne de visée du lidar du nadir au zénith (et vice versa) pour sonder toute la troposphère, de la couche limite au sommet des cirrus tropicaux. Cette opération devra être répétée toutes les 5 minutes, soit pour des distances de 50 km, pendant toute la durée du vol (environ 3 h). Lechangement de visée peut être effectuée en moins d'une minute. Les plans de vols suivront des transectsMalé-Gan (ou Diego Garcia [8])-Les Seychelles-La Réunion, et retour. Les études de trajectographie conduites dans le cadre de la modélisation en liaison directe avec les analyses (cf. la proposition modélisation, coordonnateur O. Boucher) permettront de déterminer l'origine des masses d'air rencontrées durant les transects.

Des vols du Mystère 20 seront dirigés vers le sous-continent Indien à partir de Malé pour établir une cartographie détaillée des panaches de pollution issus des côtes de l'Inde (sources) qui se déploient du coté nord de la ZCIT. Pour atteindre cet objectif, les plans de vols seront établis en concertation étroite avec les autres avions participant à l'expérience, en particulier le C-130 américain qui devraitemporter une instrumentation complémentaire de celle du Mystère 20 (peut-être un lidar identique à LEANDRE) et le Falcon du DLR emportant la veine isocinétique du CFR et le lidar ALEX du DLR (identique à LEANDRE). Les trois avions sont indispensables pour une cartographie détaillée des différents types d'aérosols dans la partie nord de l'océan indien au voisinage de Malé et en direction du sous continent. Les vols à partir de Malé pendront en compte une intercomparaison avec les mesures effectuées sur le site même.

De la même manière, des vols seront effectués à partir desSeychelles vers le continent africain pour documenter les gradients et la variabilité des aérosols et des nuages en relation avec la dynamique de grande échelle documentée par les ballons plafonnant.

Un vol sera conduit pour partie autour de l'île de La Réunion pour une intercomparaison avec le site instrumental équipé en lidar et en radiomètres, et pour partie vers l'ouest car ce site devrait servir de référence pour les données satellitales. À cet effet il est essentiel de documenter la nature des masses d'air entre le continent africain et l'île. Le vol sera conçu, suivant les conditions météorologiques du moment, pour documenter la représentativité des mesures locales et la pertinence des séries temporelles. Les études de représentativité s'appuieront aussi sur les données satellitales. Les vols à partir de La Réunion et les transects (de et vers Malé) survoleront l'îlot de Tromelin situé à 600 km au nord de La Réunion pour une intercomparaison des mesures effectuées sur le site et celles effectuées à bord du Mystère 20. À cet effet, le Mystère 20 est le seul vecteur à survoler les différents sites instrumentés et par la même constituera le seul lien entre eux pour un étalonnage comparé.

Un vol sera conduit au sud de la ZCIT pour s'assurer que les masses d'air sont "propres" ou "polluées" en aérosols en provenance d'Australie ou d'Afrique du Sud. Dans la mesure du possible, nous chercherons à coordonner une partie des transects du Mystère 20 avec ceux du SagarKanya pour une intercomparaison. Le vol avion autour du bateau (+/- 100 km compte tenu de la limitation imposées par la durée d'un transect) sera utilisé pour estimer la représentativité des mesures bateau.

Les coupes bi-dimensionnelles réalisées pendant les transects seront la vérité terrain, quant à l'altitude et les propriétés optiques des aérosols, et quant à la présenceéventuelle de nuages semi-transparents d'épaisseurs optiques faibles comprises entre 0,02 et 0,2.. Cette validation est utile pour la climatologie développée au moyen des données satellitales (cf. proposition de D. Tanré).

5. Charge utile télédétection et mesuresin situ à bord du Mystère 20

L'instrumentation [9] à bord du Mystère 20 est centrée sur la télédétection optique (active/ passive), une altitude de vol élevée (10-11 km) et de grands rayons d'action (>= 1600 km) pour répondre aux objectifs d'INDOEX qui sont :

1) la distribution des aérosols sur l'océan indien et les gradients nord-sud, en association avec la dynamique de moyenne et de grande échelles,

2) la redistribution des aérosols par la ZCIT par la convection et les circulations rotationnelles ascendantes/descendantes,

3) les interactions nuages/aérosols/rayonnement/photochimie, et les effets direct et indirect des aérosols sur le bilan radiatif régional.

La charge utile est constituée par :

1) le lidar LEANDRE qui effectuera des mesures de diffusion optique aux longueurs d'onde de 0,53 um et 1,06 um, et de dépolarisation à 0,53 um. LEANDRE a déjà été utilisé dans plusieurs campagnes internationales depuis PYREX en 1990,

2) des radiomètres visible et infrarouge en visée nadir : un radiomètre IR (10-12 um) à champ étroit (Cimel ou Barnes PRT-5), un pyranomètre (spectre solaire, 0,4-4 um) et un pyranomètre (4-40 um),

2) des mesures in situ qui viendront compléter l'ensemble de télédétection. Elles porteront sur les concentrations d'ozone, de vapeur d'eau, de noyaux de condensation (CCN) et sur la température.

Les paramètres atmosphériques qui seront restitués directement par le lidar sont :

1) les altitudes,

2) les profils de rétrodiffusion et d'extinction pour les aérosols et les nuages,

3) la hauteur de la couche limite et la zone d'entraînement.

La synergie entre le lidar et la radiométrie infrarouge et visible a été développée avec succès dans les campagnesprécédentes, en particulier durant ASTEX et EUCREX (Sauvage et al 1997, Chepfer et al 1997).

Le lidar permet de déterminerl'épaisseur optique des nuages bas à partir des mesures de coefficient d'extinction au sommet. Une valeur du rayon effectif des gouttelettes nuageuses peut être obtenue (en première approximation) en supposant que le profil d'eau liquide est adiabatique (pour les fortes valeurs du coefficient d'extinction). Les mesures d'épaisseur optique et de rayon effectif devraient permettre de restituer un contenu en eau liquide.

Les mesures in situ de vapeur d'eau serviront de vérité terrain pour METEOSAT-5 et les études conduites sur le bilan radiatif et l'effet de serre. Les mesures corrélées ozone-vapeur d'eau constitueront unpoint d'appui pour les études sur l'interaction photochimie-climat. Les mesures de CCN seront utiles pour l'étude portant sur la mise en évidence d'effet indirect des aérosols sur le bilan radiatif par la modification de la couverture nuageuse.

Une première estimation du nombre de vols à effectuer par le Mystère 20 pour répondre aux objectifs affichés est la suivante :

- 2 transects complets Malé-Gan (ou Diego Garcia)-Les Seychelles-La Réunion et retour,

- 3 vols à partir de Malé vers le sous continent indien,

- 2 vols à partir des Seychelles vers l'ouest et le continent africain

- 2 vols à partir de la Réunion vers le sud et l'ouest.

Plan de recherche

1998 Préparation de la campagne INDOEX

1) Intégration de LEANDRE dans le Mystère 20, vols technologiques.

2) Mise au point des procédures de vol pour le Mystère 20 dans INDOEX.

3) Mise au point des plans de vol du Mystère 20 dans INDOEX selon les objectifs recherchés, plans de vols conjoints avec les autres avions (Falcon, C-130, P3 et Citation), survols du bateau et des sites instrumentés.

4) Développement des méthodologies lidar, radiométrie et synergielidar/radiométrie appropriées à INDOEX au moyen des données d'expériences ASTEX et ACE-2,

- Détermination de l'épaisseur optique des nuages bas, du rayon effectif des gouttelettes, validation in situ,

- Étude corrélative entre les mesures lidar et les mesures radiométriques (albédo, émissivité), synergie avec un modèle de transfert radiatif.

5) Études de cas pour la distribution des aérosols advectés sur l'océan et de la répartition verticale des aérosols de couche limite au moyen des données ASTEX et ACE-2, étude de réprésentativité.

6) Études de cas pour la distribution des cirrus sur l'océan au moyendes données d'expériences EUCREX, ou de données obtenues par ailleurs lors de campagnes, étude de réprésentativité.

7) Mise au point des algorithmes de traitement du signal pour INDOEX pour le traitement en temps réel de bord et la station informatique transportable pour le traitement en différé.

8) Participation à la réunion internationale de Utrech en Hollande en juin 1998.

9) Mission de coordination avec le site instrumenté de La Réunion, intercomparaison des algorithmes de traitement du signal et des procédures.

1999 Campagne INDOEX

1) Campagne de mesures en mars 1999.

2) Traitement des données et première sélection des cas les plus intéressants.

3) Constitution d'une base de données portant sur les meilleurs cas sélectionnés.

4) Analyses en synergie avec les composantes Satellite et Modélisation sur les cas sélectionnés.

2000. Participation à la constitution de la base de données incluant tous les cas d'étude exploitables scientifiquement analyses et publications.

Publications

Sauvage L., H. Chepfer, V. Trouillet, P. H. Flamant, G. Brogniez, J. Pelon, F.Albers, Remote sensing of cirrus radiative properties during EUCREX'94.. Case study of 17 April 1994. Part 1 : Observations, acceptation conditionnelleà Monthly Weather Review, en révision (1997)

Chepfer H., G. Brogniez, L. Sauvage, P. H. Flamant, V. Trouillet, J. Pelon,Remote sensing of cirrus radiative properties during EUCREX'94.Case study of 17 april 1994. Part 2 : Microphysical modelling, acceptation conditionnelle à Monthly Weather Review, en révision (1997)

Doutriaux M., J. Pelon, V. Trouillet, G. Sèze, H. Le Treut, P. H. Flamant, M. Desbois,Simulation of a monthly cloudiness as observed from space by a backscatter lidar and radiometer using the LMD general circulation model, acceptation conditionnelle à J. Geophys.Res., en révision (1997)

Trouillet V., P. Chazette and C. Flamant, J. Pelon, Wind speed dependence of atmospheric boundary layer optical properties and ocean surface reflectance by airborne backscatter lidar, acceptation conditionnelle à J. Geophys. Res., en révision (1997)

Raschke E., P. H. Flamant, Y. Fouquart, P. Hignett, H. Isaka, P.R. Jonas, H.Sundquist, P. Wendling, Cloud-radiation studies during the european cloud and radiation experiment (EUCREX), Survey in Geophysics, sous presse (1997)

Flamant C., J. Pelon, P. H. Flamant, P. Durand, Lidar determination of the entrainment zone thickness at top of the convective marine atmospheric boundary layer, Boundary-layer Meteorol., 83, 247-284 (1997)

Nicolas F., L. Bissonnette, P. H. Flamant, Lidar effective multiple-scattering coefficients in cirrus clouds, Appl. Opt.,36, 3458-3468 (1997)

Flamant C. et J.Pelon, Atmospheric boundary-layer structure over the Mediteranean during a Tramontane event, Q. J. R. Meteorol. Soc, 122, 1741-1778 (1996)

Flamant P. H., Elouragini S., J. Pelon, Mesure du contenu en eau nuageuse et du rayon effectif des gouttelettes par télédétection optique active (lidar), C. R. Acad. Sc. Paris, 323, série II a, 563-568 (1996)

ElouraginiS., P. H. Flamant, Iterative method to determine an averaged lidar ratio and the range resolved extinction in cirrus, Appl.Opt., 35, 1512-1518 (1996)

Elouragini E., J. Pelon, P.H. Flamant, Radiative impact of cirrus at meso-scale using a 1D-radiative transfer model and ground-based lidar, ground-based radiometers and satellite data, In "Advances in atmospheric remote sensing with lidar", 18 International Laser Radar Conference (ILRC), Berlin, Germany, July 22-26, 1996, Springer,A. Ansmann, R. Neuber, P. Rairoux, U. Wandinger Eds., Berlin, 1996, pp.87-90

Elouragini S., Useful algorithms to derive the optical parameters of clouds from a back-scatter lidar returns, J. Modern Optics, 42, 1439-1446 (1995)

Menzies R. T., D. M. Tratt, P.H. Flamant, Airborne CO2 coherent lidarmeasurements of cloud opacities over the Pacific ocean, J. Atmos. Ocean. Technol., 11, 770-778 (1994)

Dupont E., J. Pelon, C. Flamant, Study of the moist convective boundary layer structure by backscattering lidar, Boundary-LayerMeteorol., 69, 1-25 (1994)

Personnel

   Chercheurs      Laboratoire   Grade            Fonction           Pourcentage
Pierre H. Flamant      LMD       DR2              Responsable            20%       
                                                  avion                            
                                                  Coordinateur                     
Laurent Sauvage        IPSL      Thèse            Analyses Base de       20 %      
                                                  données                          
 Jacques Pelon          SA       DR2              Vols, analyses         10 %      
 Hélène Chepfer        LMD       Post doc         Analyses               10 %      
        X              LMD       Thèse            Vols, analyse          80 %      
                                                  Base de données                  

   Ingénieurs      Laboratoire   Grade            Fonction            Pourcentage   
Frédéric Blouzon     DT/INSU     IE-2             Opération, Vols,       20 %       
                                                  Base de données                   
  Pascal Genau          SA       IE-2             Base de données        10 %       
Christophe Boitel      LMD       IE-2             Base de données         20 %       

Équipement disponible pour la réalisation du projet

Le projet bénéficie à l'heure actuelle d'unestation informatique qui est transportable sur le terrain pour les campagnes de mesures. La station informatique attachée au programme LEANDRE est gérée par le Service d'Aéronomie (Jacques Pelon, Pascal Genau) en association avec le Laboratoire de Météorologie Dynamique.

Moyens demandés

                 1998.Préparation de l'expérience              PATOM    PNCA      ASE       
Missions         1 personne La Réunion / Malé  (ASE)                                 18 KF  
                 1999 : Expérience sur le terrain              PATOM    PNCA      ASE       
Fonctionnement   Mystère 20 : Immobilisation (25 j) : 500 KF     285 KF  285 KF    400 KF    
                 Mystère 20 : Heures de vol (49+2 transits)                                  
                 470 KF                                                                     
                 Transport+Logistique Volothèque allégée         30 KF  30 KF     40 KF     
                 100 KF (Station INSU + Station LÉANDRE)                                    
Missions         2 personnes avion (INSU-DT), 21 j : 56 KF        36 KF  36KF      100 KF    
                 1 personne Lidar (Labo), 25 j : 32 KF                                      
                 3 personnes Lidar (2 labo + 1DT), 21 j :                                   
                 84 KF                                                                      
                 1999 : Analyses et base de données             PATOM    PNCA        ASE     
Fonctionnement   Vacations pour traitement de données                             30KF      
                 et constitution de la base                                                  
                 Petit matériel informatique : 13 KF                                         
Missions         2 personnes aux USA :   36 KF                                              
                 3 personnes en Europe : 36 KF                                              
Équipement       1 poste de travail informatique                 30 KF  30 KF     90 KF     
                 et base de données Mystère 20 : 35KF                                       
Total général                                                   381 KF  381KF     650 KF    

D. EFFETS RADIATIF DES AÉROSOLS TROPOSPHÉRIQUES NATURELS ET ANTHROPIQUES

Actions expérimentales INDOEX

Contexte général INDOEX. L'océan Indien sous flux de Nord-Est en saison de mousson a été choisi comme zone laboratoire par la communauté internationale pour comprendre comment les aérosols modifient l'absorption des rayonnements en ciel clair etnuageux, et comment la zone intertropicale de convergence redistribue les aérosols troposphériques. Une campagne internationale d'envergure associant les Etats-Unis, la France, l'Inde, l'Allemagne et les Pays-Bas est planifiée pour Février-Mars 1999. A cette période la zone intertropicale de convergence se trouve àenviron 10-15deg. Sud, permettant le transport d'aérosols continentaux depuis le sous-continent indien et les régions voisines (alors en saison sèche) vers l'Océan à la rencontre des masses d'air marine non polluées de l'hémisphère Sud dans les systèmes convectifs intenses de la convergence intertropicale. Les moyens d'observation comprendront plusieurs plateformes spatiales (TRMM, SCARAB, POLDER, TOVS, SSM/I et un METEOSAT déporté), au moins 4 avions de recherche et 2 navires océanographiques instrumentés, et des stations de surface. La Réunion (21.1deg.S, 55.4deg.E; cf action de S. Baldy) et l'île maldive de Malé (4.2deg.N,73.5deg.E) doivent constituer les stations de base pour un suivi des aérosols des deux hémisphères pendant 2 ans avant et pendant la campagne intensive.

Le sous-continent Indien et les régions voisines sont en effet une zone source intense d'espèces gazeuses et particulaires, naturelles et anthropiques. Contrairement aux autres régions océaniques tropicales, les polluants industriels et leurs produits de réactions secondaires (aérosols, gaz en traces, ozone...) représentent une fraction significative de l'ensemble des constituants atmosphériques réactifs, fraction amenée dans le futur à prendre de plus en plus d'importance. Les masses d'air chargées de grandes quantités de constituants atmosphériques de pollution sont véhiculées dans un flux de Nord-Est et viennent au contact de masses d'air pur issues de l'hémisphère Sud et remontant vers le Nord, la convergence ayant lieu au niveau de l'ITCZ où la convection engendre des sytèmes nuageux atteignant la tropopause. Le mélange complexe d'aérosols rencontré en mousson d'hiver au-dessus de l'Océan Indien comprend :

-les poussières terrigènes (dont les sources sont aussi modifiées par l'homme);

-les aérosols organiques secondaires produits par la végétation ;

-les aérosols de combustion de la biomasse végétale (dont feux agricoles, feux domestiques);

-les aérosols (carbonés et soufrés) issus de la combustion de fuels fossiles;

-les aérosols marins primaires (sels marins) ou biogéniques secondaires (organiques soufrés).

Les trois premiers types d'aérosols ont une saisonalité marquée et leur source est plus intense en saison sèche, période de l'expérimentation intensive. Par ailleurs, pendant cette période, les précipitations seront peu fréquentes. Les conditions seront donc réunies pour apprécier en ciel clair l'impact radiatif direct des particules anthropiques et leur part absorbante (suie et terrigènes) et diffusante.

Les outils mis en oeuvre dans INDOEX permettront d'explorer les problèmes scientifiques concernant l'impact des émissions locales anthropiques de l'Inde et des pays avoisinants sur la composition chimique de l'atmosphère et son bilan radiatif au-dessus de l'Océan Indien, leur impact également sur la capacité oxydante globale de l'atmosphère. A plus basse latitude, en zone de stratocumulus à caractère non-précipitants, les aérosols sont vraisemblablement impliqués dans de nombreux cycles évaporation-condensation menant à des particules mixtes (hétérogènes). Si à la suite de ces processus, et comme cela a déjà été constaté (Levin, 1991; Parungo et al., 1992), les particulessont majoritairement constituées d'un noyau insoluble recouvert en surface d'une pellicule de sulfate, leurs propriétés optiques mais aussi leur nombre sont différents de ceux du mélange d'aérosols homogènes, et ceci a de nombreuses conséquences sur les prévisions d'impact radiatif des particules anthropiques.

La contribution expérimentale proposée (actions 8 à 12) fait partie de la proposition expérimentale d'INDOEX-France sur les aérosols (cf document de R. Sadourny). Elle est focalisée sur le traçage des masses d'air continentales au sol et en altitude à l'aide duradon-222, l'analyse des concentrations en carbone organique et carbonesuie sur l'ensemble des sites et plateformes instrumentées, l'étude en surface et en altitude des mélanges internes de particules et de leur formation au cours du transportdes masses d'air continentales en milieu océanique, la détermination des propriétés optiques et granulométriques des aérosols, et de leur répartition 3D à grande échelle. Elle combine des observations de terrain, de la télédétection spatiale et des observatins aéroportées. Enfin elle est complétée par des actions de modélisation (actions 13 et 15 en 1998, rejointes par les actions 14 et 16 en1999) pour lesquelles l'ensemble de ces observations seront des contraintesessentielles.

I. VARIABILITÉ DES AÉROSOLS TROPICAUX ÀLA RÉUNION ET IMPACT DU BRÛLAGE DE BIOMASSE (INDOEX)

Responsable : S. Baldy, LPA ; laboratoires associés : CFR, LOA, SA,ISTE

Contexte. La Réunion (20deg.5 S, 55deg.3 Est) se trouve en zone tropicale océanique, une région où les recherches atmosphérique sont restées relativement peu développées comparativement à celles entreprises aux latitudes moyennes ou polaires, malgré son importance. Cette zone tropicale, excédentaire d'un point de vueénergétique, est pourtant une zone motrice de la dynamique atmosphérique globale. Par son relief exceptionnel (point culminant > 3000 m), l'île de la Réunion permet des observations à la fois dans la couche limite marine mais aussi au-dessus grâce à des sites en altitude. Le caractère océanique de cette région, avec la présence d'aérosols d'origine marine, l'influence variable des aérosols venant des feux de brousse africains, la concentration importante en vapeur d'eau, la formation de nuages spécifiques, les séquences climatiques régulières liées au déplacement de la zone intertropicale de convergence atmosphérique, lui confèrent un statut original pour la chimie atmosphérique. La Réunion a été sélectionnée comme site INDOEX de base pour l'hémisphère Sud.

Objectif. Il s'agit de déterminer l'impact du brûlage de biomasse et de la convection tropicale sur la variabilité et les caractéristiques physico-chimiques des aérosols transportés dans l'Océan Indien.

Stratégie. Ce projet s'appuie sur plusieurs sites instrumentés depuis le niveau de la mer jusqu'à la troposphère libre gérés par l'Université de la Réunion. Les mesures incluent les concentrations d'aérosols, leurs propriétés physico-chimiques et radiatives et leur distribution verticale à différentes périodes de l'année :

1- des profils verticaux de rapport de diffusion, et depuis peu du taux de dépolarisation, des aérosols dans la troposphère libre sont obtenus par un lidar Rayleigh-Mie en opération sur le site de la Réunion depuis 1996; un lidar de mesure de l'ozone et de la vapeur d'eau dans la troposphère, opérationnel en 1998, va compléter le dispositif expérimental actuel (projet déposé au PATOM).

2- des prélèvements sur filtres sur deux sites de mesure (un site en altitude, Piton Textor -2150 m- et un site au niveau de la mer, Piton Sainte-Rose) permettent l'analyse de la morphologie et l'analyse chimique (chromatographie ionique et coulométrie pour lecarbone) des composés particulaires; un suivi en continu des concentrations en carbone-suie est effectué par un aéthalomètre sur le site d'altitude.

3- les propriétés radiatives des aérosols sont étudiées àpartir :

- des mesures par spectrophotomètre multispectral (440-1020 nm) CIMEL placé sur le site du Pas de Bellecombe (2300 m), proche de celui de piton Textor (cf action Tanré),

- des mesures d'absorption par l'aéthalomètre.

4- des mesures en continu de la concentration du radon 222 dans l'air sont réalisées sur le site de piton Textor et donnent des indications sur la provenance des masses d'air; elles permettent de détecter l'air continental en provenance de l'ouest au-dessus de l'altitude d'inversion des Alizés.

Des calculs de rétrotrajectoires à partir des données du centre Européen (ECMWF) permettront de mettre en relation les distributions et les caractérisations des aérosols avec les sources anthropiques. Des analyses complémentaires (carbone organique, composition ionique, morphologie) des aérosols et des particules dans les eaux de pluie seront effectuées au CFR.

La forte influence de la dynamique des masses d'air et des sources anthropiques sur la variation saisonnière des aérosols dans la troposphère tropicale conditionne l'organisation des mesures en mesures de fond d'une part et en campagnes plus intensives d'autre part.

Résultats obtenus. En 1997, les points importants ont été le repérage des sites de prélèvement, la mise en place des appareils de mesure et l'étude de la représentativité des mesures de façon à se situer hors de la contamination locale. Les périodes de prélèvement sur filtres ont été choisies de nuit pour les deux sites (Piton Textor et Piton Sainte-Rose). Une campagne intensive a été lancée fin octobre. Les premières mesures de carbone-suie en troposphère libre montrent une variation saisonnière marquée des apports de combustion : les concentrations sont multipliées par 30 en hiver. Le spectrophotomètre délivre des informations depuis juillet 1997. Les premières mesures sonten cours de traitement afin de valider le site du Pas de Bellecombe.

Demande financière. Ce projet a été soutenu en 1997(33 kF). Une partie a été utilisée pour une mission Paris-Réunion pour la campagne de mesures d'octobre-novembre. Le reliquat sera utilisé pour l'achat d'un ordinateur portable pour transférer les données de radon. La demande 1998 (55 kF) concerne :

-les consommables et la maintenance des appareils en stations et les déplacements locaux : 20 kF

-les frais d'analyses chimiques au laboratoire des échantillons d'aérosols obtenus lors des campagnes 1998 (CFR, ISTE) : 5 kF

-une mission de terrain avec un déplacement Paris-Réunion 16 kF

-une mission pour la présentation des premiers résultats (Int.Aerosol Conf., Edinburgh, Sept. 1998, 1 pers.) : 14 kF

Calendrier. Après une phase de mise en place et de validation en 1997, les mesures (photomètre, aéthalomètre, lidaraérosol, radon) vont se poursuivre au cours de 1998. D'autres campagnes auront lieu de Janvier à Avril 1998 (et également en 1999) pour étudier l'influence de la convection sur la redistribution verticale des aérosols (notamment pendant la précampagne INDOEX; cf action H. Cachier), et en Avril-Mai pour l'analyse de l'aérosol océanique de fond. A partir des données obtenues, et des résultats de campagnes de mesures d'autres équipes scientifiques (INDOEX), la variabilité verticale et temporelle des aérosols provenant du brûlage de biomasse sera établie. La granulométrie et les propriétés physico-chimiques de ces aérosols seront précisées.

Références pertinentes des proposants.

Baldy S., G. Ancellet, M. Bessafi, A.Badr and D. Lan-Sun-Luk (1996) Field observations of the vertical distribution of tropospheric ozone at the Island of La Reunion. J. Geophys. Res. 101, 23835-23849.

Barray J.L., G. Ancellet, F. Taupin, M. Bessafi, S. Baldy et P. Keckhut (sous presse) Subtropical tropopause break as a possible stratospheric source of ozone in the tropical troposphere. J.Atmos. Solar Terrestr. Phys.

Bencherif H., J. Leveau, J. Porteneuve, P. Keckhut, A. Hauchecorne, G.Megie and M.Bessafi (1996). Lidar developments and observations overReunion island (20.8 S, 55.5 E). In Advances in Atmospheric Remote Sensing with Lidar, A.Ansmann, R. Neuber, P. Rairoux and U. Wandinger Eds., Springer-Verlag.

Berger F., F.Touyeras, A.Chambaudet, D.Klein, R.Planade and C.Tiret (1995) Characterisation of sulfur dioxide , adsorption on tindioxide with various surface analysis techniques. Analusis 23, 79-81.

Cachier H. (1996) Les aérosols carbonés. Pour La Science, 119-121, Juin 1996.

Cachier H., Liousse C., Pertuisot M.H., Echalar F. andLacaux J.P. (1996) African fire particulate emissions and atmospheric influence. In Biomass Burning and Global Change, J.S. Levine ed., Vol. 1,428-440.

Cachier H. (sous presse) Combustion CarbonaceousParticles. In IUPAC book on Atmospheric Particles, R.M.Harrison ed., Wiley.

Charuau J., V. Labed, M.C. Robe, M. Aubert, D. Florence, C. Gibaud,D. Klein, J.C. Thevenin, G. Tymen, N. Lemaitre and H.Heleschewitz (1996) Le radon-222 et ses descendants à vie courte dans l'atmosphère : origine et méthodes de mesure. Radioprotection 31, 371-388.

Herman M., Deuzé J.L., Devaux C., Goloub P., Bréon F.M. and Tanré D. (1997) Remote Sensing of Aerosolsover Land Surfaces Including Polarization Measurements : Applications to POLDER Measurements, J. Geophys. Res. 102, 17039-17050.

Holben B.N., Eck T.F., Slutsker I., Tanré D., BuisJ.P. Setzer A., Vermote E., Reagan J.A., Kaufman Y., Nakajima T., Lavenu F.and Jankowiak I. (sous presse) Multi-Band Automatic Sun and Sky Scanning Radiometer Systemfor Measurements of Aerosols, Remote Sens. Environ.

Klein D., R. Barillon, S. Demongeot, E. Tomasella and A.Chambaudet (1995) Investigation techniques for radon levelcharacterization. Radiation Measurements 25, 553-556.

Liousse C., Devaux C., Dulac F. and Cachier H. (1995). Aging of savanna biomass burning aerosols: consequences on their optical properties. J.Atmos. Chem. 22, 1-17.

Randriambelo Y., S.Baldy, M. Bessafi, M. Petit and M Despinoy(accepté) An improved detection and characterization of active fires and smoke plumes in southeastern Africa and Madagascar. Int. J. RemoteSens.

Wolff E.W. and H.Cachier (sous presse). Concentrations and seasonal cycle of black carbon in aerosol at a coastal Antarctic station. J. Geophys.Res.

Personnels impliqués.

Chercheurs :

  LPA     Leveau        Jean            Professeur (HDR)              20 %     
          Baldy         Serge           Professeur(HDR)               15 %     
          Bessafi       Miloud          Maître de conférences         15 %     
          Bencherif     Hassan          Post - doctorant              10%      
          Posny         Françoise       Maître de                     15 %     
                                        conférences associé                     
          Bhugwant      Chatrapatty     thésard                       50 %     
          Rivière       Emmanuel        thésard                       50 %     
  CFR     Cachier       Hélène          Maître de conférences          10 %     
                                        (HDR)                                  
          Ruellan       Stéphane        thésard                       20%      
  LOA     Tanré         Didier          Directeur de rech. CNRS       15 %     
                                        (HDR)                                  
          Devaux        Claude          Professeur (HDR)              10 %     
          Jankowiak     Isabelle        Maître de conférences         10 %     
   SA     Hauchecorne   Alain           Professeur(HDR)               10 %     
          Klein         Didier          Maître de conférences       

Ingénieurs, Techniciens :

  LPA     Metzger       Jean - Marc     Assistant Ingénieur        10 %20 %    
          Bain          Guy             Technicien Lidar           20 %        
  LOA     Défossez      Jean Baptiste   Informaticien et           10 %        
                                        technicien                             
          Porteneuve    Jacques         Ingénieur                  10 %        
   SA                                                                          

II. CARACTÉRISATION ET ÉVOLUTION PHYSICO-CHIMIQUE DES AÉROSOLS CARBONÉS ET MINÉRAUX DURANT INDOEX

Responsable : H. Cachier, CFR; laboratoires associés : LESAM, LISA, LPA

Contexte. Pendant INDOEX, les équipes allemandes et américaines prennent en charge la plupart des mesures d'aérosols sur les sites insulaires, sur le N/O Sonne et le C-130, sauf les mesures de carbone organique. Dans la région d'INDOEX, cette dernière composante de l'aérosol représente pourtant, d'après des mesures de terrain préliminaires, entre 30 et 40 % de la masse totale d'aérosol et ne peut être négligée. D'autre part l'effort expérimental au sol dans l'hémisphère Nord est concentré aux Maldives et ne prévoit pas de station côtière en Inde qui permettrait de caractériser l'aérosol continental exporté.

Objectif. Nous désirons relier la composition chimique des aérosols, leur taille, morphologie et état de surface à leur histoire dans l'atmosphère : source, transport, incorporation dans les systèmes nuageux, état du mélange. Le but final est de pouvoir contribuer aux expériences de "column closure" pour un bilan de masse et un bilan radiatif des aérosols, et plus généralementd'alimenter les modèles de prédiction d'impact climatique des aérosols : ce travail expérimental contribuera à l'élaboration de modèles d'évolution des particules afin de prédire leur comportement chimique (déterminé en grande partie par leur pellicule de surface) leur activité CCN (liée elle-aussi à la qualité hydrophile du revêtement et dansune moindre mesure à la taille des particules) et leurs nouvelles propriétés optiques (les coefficients de diffusion et d'absorption sontfortement modifiés par la présence d'un revêtement de surface).

Stratégie. En profitant de l'implantation de l'expérimentation INDOEX et des nombreuses études qui y sontrattachées nous avons la possibilité unique d'étude de mélanges d'aérosols variés naturels et anthropiques en zone tropicale. Notre participation àINDOEX se focalisera surtout sur l'étude de l'aérosol carboné et l'évaluation de son importance dans la phase atmosphérique particulaire ainsi que sa redistribution par la convection tropicale.La stratégie proposée consiste d'une part à compléter leréseau de stations au sol INDOEX par un site à Tromelin et un siteà Goa, et d'autre part à compléter la gamme des aérosols analysés sur les échantillons en provenance des différents sites ou plateformes, car nous sommes lesseuls à effectuer les analyses de carbone organique. Le plan de recherche portera plus spécifiquement sur les points suivants :

* Sources et exportation des aérosols carbonés

Ces sources incluent principalement les combustions industrielles et les différentes sources de brûlage de la biomasse végétale : feux de forêt, feux agricoles et domestiques dont la périodicité, le mode d'injection dans l'atmosphère et les émissions peuvent être très différents (Cachier et al., 1995, 1996). L'évaluation de l'intensité de ces différentes sources utilisée principalement dans des modèles de transport global est encore très sommaire (Liousse et al., 1996). Nous proposons ici un zoom et la création d'un schéma de sources plus adapté aux modèles régionaux. Ces évaluations seront contraintes par des mesures de l'exportation de l'aérosol, par observation directe des concentrations d'aérosols carbonés et par le suivi de traceurs spécifiques de sources (abondance isotopiqueC- 13, rapports BC/OC, K/BC, SO4/BC, HAP)

* Caractérisation des aérosols

L'accent sera mis sur l'évolution physico-chimique des aérosols au cours de leur transport atmosphérique. Nous étudieronsl'importance relative du carbone suie dans l'aérosol carboné du faitde sa spécificité d'absorbant de la lumière à l'inverse des autres constituants de l'aérosol. Les teneurs en sulfate et carbone organique seront évaluées. A l'aide de la distribution granulométrique des aérosols et de leur composition chimique il sera possible d'évaluer leurimpact radiatif direct, évaluation qui sera confrontée aux mesures radiométriques. La spéciation des espèces organiques particulairesgénéralement situées en surface des aérosols permettra de prévoir d'une part la réactivité de ces aérosols vis à vis des oxydants atmosphériques, et d'autre part leur capacité à agir en tant que CCN (Clain, 1995).

Les observations de particules individuelles par microscopie électronique à transmission au LISA permettront l'étude de la morphologie des particules, leur taille et leur composition chimique enéléments traces. En particulier la caractérisation de l'état des particules quittant le continent et qui seront ensuite échantillonnées à différents stades de leur transport versl'océan par les avions ou les navires, notamment grâce à l'expérience lagrangienne proposée avec le Falcon (cf action de Dulac et Le Roulley), permettra de suivre leur évolution physico-chimique.

Des études par sonde SIM fourniront des indications sur la composition élémentaire de la pellicule de surface ainsi que la composition isotopique (C-13, S-34) des constituants majeurs de l'aérosol. Les caractéristiques mises en évidence dans l'étude seront confrontées à d'autres données obtenues dans des mélanges différents pour des aérosols tropicaux (EXPRESSO) ou industriels.

* Interactions aérosols-nuages

Ces interactions ont plusieurs conséquences: la redistribution des polluants particulaires, la modification des aérosols, la modification des propriétés radiatives des nuages. Nous contribuerons aux 2 premiers thèmes.

Lorsque les aérosols de combustion sont incorporés aux cycles évaporation-condensation des nuages, leur forme change (ils deviennent plus sphériques), ainsi que leur taille et la composition chimique de leur revêtement de surface. Par vieillissement, les aérosols carbonés grossissent et acquièrent un revêtement de surface oxydé, propriétés qui facilitent leur comportement de CCN.

Le dépôt humide étant le mode principal de disparition des aérosols, il nous semble nécessaire d'étudier l'abondance et les propiétés intrinsèques des particules de suie dans les pluies en relation avec le contenu en eau des nuages, ainsi que le contenu de la phase dissoute.

* Modélisation de l'impact atmosphérique régional des aérosols de combustion

A terme, les données de concentration d'aérosol carbone-suie permettront pour cette région, un contrôle des modèles 3-D de circulation générale. L'impact des aérosols organiques de combustion sera particulièrement étudié (cf action de C. Liousse).

Demande financière. Le budget attribué au titre de 1997 (65 kF) a été utilisé pour acquérir un compteur de radon à ruban qui sera installé avant la mi-98 à la station de Malé.Un complément nécessaire de 15 kF est demandé. Le reste de la demande 1998 (390 kF, dont 90 kF pour la station à Tromelin) se répartit comme suit :

- Fonctionnement stations AEROSOLS (CFR-LESAM-LISA) : 108 kF dont - 4 pompes de rechange petit volume 12 kF

- 2 pompes de rechange grand volume 12 kF

- 4 volu-compteurs 2 kF

- filtres + petit matériel de filtration 12 kF

- matériel d'entretien des appareils 20 kF

- pluviomètres (2) 20 kF

- frêt (env. 250 kg x 40F/kg + retour) 20 kF

- fonctionnement et petit équ. station Tromelin 10 kF

- Missions pour l'expérience INDOEX : 267 kF dont

- 2 missions La Réunion (dont une en 1998; billets 2x8kf + 60 j + location de voiture 45 kF

- 2 missions Malé (billets 2x5kf + 60 j) 70 kF

- 3 missions Goa (dont une en 98 pour la reconnaissance du site; billets 3x8kF + 60 j) 72 kF

- 4 mouvements d'avion à 20 kF (+ 1 commun au LOA) pour Tromelin 80 kF

- Equipement spécifique : 15 kF

- complément aux 65 kF attribués en 97 utilisés pour le compteur de radon à ruban pour Malé

Calendrier. La contribution expérimentale proposéedans cette action est basée sur les stations de surface :

* Station de Malé

En complément des expériences mises en place par le groupe de J.Prospero, nous proposons de procéder à une observation de l'aérosol organique qui est la partie la plus importante de l'aérosols carboné. Il s'agira de participer au suivi à long terme (1an au moins) par un prélèvement de 24h, 1 fois par semaine, pour la détermination du rapport BC/OC, et la contribution de l'aérosol carboné àl'aérosol total (BC+OC/TPM). Le carbone sera analysé par coulométrie. Un collecteur de pluies sera installé ultérieurement pour suivre le contenu en carbone total particulaire et dissous et en acides organiques mono et dicarboxyliques sur une base évènementielle.L'origine des masses d'air sera classée par leur richesse en radon, traceur de masses d'air continental. Un appareilautomatique à ruban analysant le radon par dépôt actif est en cours de construction au CFR grâce au financement 1997.

Nous proposons un suivi d'un an démarrant courant 1998 etencadrant ll'expérience intensive, et des mesures intensives sur 2 mois en Février-Mars 1999. Pendant la période intensive, nous installerons des prélèvements grand-volume pour la spéciation organique, la distribution granulométrique des espèces et des prélèvements pour les observations microsopiques (morphologie, revêtements de surface).

* Navires Océanographiques Sonne et Sagar Kanya

Nous proposons la mise en place de 2 lignes supplémentaires pour l'analyse du carbone organique et de la masse d'aérosol total (TPM). Les prélèvements seront pilotés par une girouette (commune à toutes les lignes) afin d'éviter toute pollution par le navire

Nous proposons de participer à la campagne préparatoire du 1er trimestre 1998 et à la campagne qui aura lieu durant l'expérimentation intensive de Janvier à Mars 1999.

* Station de référence Hémisphère Sud

La station de référence choisie par le Comité Scientifiqueinternational INDOEX est la station observatoire de La Réunion, station pour laquelle nous participons à l'étude de l'aérosol de bruit de fond dans la couche d'alizés (station de Ste Rose) et au-dessus de la couche limite (Piton Textor). Le détail du suivi des aérosols effectué (observations physiques, radatives, optiques et chimiques) est exposé par ailleurs (cf action de S. Baldy). Les concentrations de carbone-suie sont suivies par mesures optiques (aethalomètre MAGEE Scientific). Le contenu chimique des aérosols (carbone et ions majeurs) est obtenu par analyse coulométrique et par chromatographie ionique de filtres préparés pour ces 2 types d'analyses. La masse totale d'aérosol est déduite des pesées de filtres. Les pluies sont collectées à Ste Rose sur une base évènementielle et analysées pour leur contenu en aérosols insolubles et en espèces dissoutes carbonés et inorganiques.

Lors de l'expérimentation intensive INDOEX, la fréquence des prélèvements sera accentuée (prélèvements en continu au lieu de 48h par semaine). Un compteur de particules associé à la batterie de diffusion TSI (qui doit être financé par les équipements mi-lourds INSU au titre de 1997) sera placé alternativement sur les 2 sites. Textor servira de site d'une expérimentation de "column closure" puisqu'un néphélomètre TSI à 3 longueurs d'onde et permettant le calcul du coefficient d'asymétriey sera également installé associé à l'aethalomètre qui sera utilisé pour obtenir l'absorption de la phase aérosol. Les valeurs obtenues par calculs menés à partir des mesures de composition chimique, taille et propriétés optiques seront comparées aux mesures optiques directes. Le LIDAR aérosols de l'Université de La Réunion permettra la localisation des couches d'aérosols et l'intégration dans la colonne atmosphérique. Les données du photomètre CIMEL seront utilisées pour contraindre les modèles d'aérosols.

L'Îlot Tromelin, situé à 600 km au Nord de la Réunion, est l'endroit de référence idéal en symétrique H Nord du site de la Réunion par rapport à l'ITCZ. H. Cachier s'est récemment rendue sur ce site. Il constitue un site exceptionnel pour la caractérisation de l'aérosol de fond dans les alizés. Cet îlot isolé de 1 km de long est accessible par avion et sert actuellement de base météorologique. Des prélèvements CO2 (pour analyse isotopique) et des observations automatiques par radiomètre CIMEL doivent y être installés en 1998 (cf action de D. Tanré).

Il serait extrèmement profitable d'y installer un profil minimum de prélèvements d'aérosols c'est à dire 3 lignes dédiées respectivement aux analyses de carbone, ions majeurs, et microscopie. Cette installation suppose la formation des techniciens de la météopour le changement quotidien des filtres et le séjour par intermittence d'un scientifique pour la maintenance.

* Station côtière en Inde

Nous proposons de compléter le réseau d'observations INDOEX au Nord de l'ITCZ en implantant une station sur la côte indienne. Le site retenu est la région de Goa car des ballons dérivants y seront lâchés par le LMD et ils permettront de suivre avec précision les trajectoires de masses d'air. L'ensemble instrumental installé comprendra 1 ligne de pompage dédiée à l'analyse des aérosols carbonés (carbone total et carbone organique), et 1 ligne pour l'analyse élémentaire et ionique, avec un pas de temps de prélèvement de24h ou moins suivant l'intensité des phénomènes de brise. Unphotomètre multispectal CIMEL du CFR y sera également installé poureffectuer le suivi continu de l'épaisseur optique en aérosols par visée solaire à plusieurs longueurs d'onde et des mesures de la fonction de phase des aérosols par visée du ciel (voir proposition de D. Tanré). Suivant la disponibilité des instruments, un aethalomètre (CFR) et un moniteur de la masse totale d'aérosol par prélèvement sur filtre et pesée automatique en continu de type TEOM (Tappered Element Oscillating Microbalance) (LISA) pourraient assurer le suivi continu des concentrationstotales et en carbone suie pendant les prélèvements, en parallèleavec le suivi de l'épaisseur optique.

Le photomètre et le TEOM, dont le fonctionnement est relativement automatisé pourraient être installés en 1998 pour un suivi encadrant l'expérience intensive. Les lignes de prélèvements supplémentaires seront installées pendant l'expérience intensive, comprenant des prélèvements occasionnels pour la microscopie.

Références pertinentes des proposants.

J. Atmos. Chem., 1995, 22, 19-39,Gaudichet A., Echalar F., Chatenet B., Quisefit J.P.,Malingre H., Cachier H., Buat-Menard P., Artaxo P. and Maenhaut W., Trace elements in tropical African savanna biomass burning aerosols.

J. Atmos. Chem., 1995, 22, 123-148, Cachier H., Liousse C., Buat-Ménard P. and Gaudichet A., Particulate content of savanna fire emissions.

Geophys. Res. Lett., 1995, 22, 3039-3049, Echalar F., Gaudichet A., Cachier H. and Artaxo P., Aerosol emisions by biomass burning in Africa and in theAmazon basin : characteristic trace elements and fluxes.

J. Atmos. Chem., 1995, 22,41-54, Masclet P., Cachier H., Liousse C., and Wortham H., Emissions of polycyclic aromatic hydrocarbons by savanna fires.

J. Atmos. Chem., 1995, 22, 1-17, Liousse C., Dulac F., Devaux C. and Cachier H.,Aging of savanna biomass burning aerosols : consequences on their optical properties.

Pour La Science, 1996 (dossier de Juin), 119-121,Cachier H., Les Aérosols carbonés.

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In : J.S. Levine (ed) : Biomass Burning and Global Change,1996, vol 1, 278-295, Andreae M.O., Atlas E., Cachier H., Cofer W.R., Harris G.W., Helas G. Koppmann R., Lacaux J.P. and WardD.ER.,Trace gas and aerosol emissions from savanna fires.

In : J.S. Levine (ed) : Biomass Burning and Global Change, 1996, vol 1, 428-440, Cachier H., Liousse C., Pertuisot M.H., Gaudichet A., Echalar F. and Lacaux J.P., African fire particulate emissions and atmospheric influence.

J. Geophys. Res., 1997, 102, 5895-5911,Liousse C., Dulac F., Cachier H. andTanré D., Remote sensing and flux of particles from savanna fires inAfrica.

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J. Geophys. Res., sous presse, Wolff E.W. and Cachier H., Concentrations and seasonal cycle of black carbon in aerosol at a coastal Antarctic station.

Int. J. Remote Sens., accepté, Randriambelo Y.,S. Baldy, M. Bessafi, M. Petit and M Despinoy, An improved detection and characterization of active fires and smoke plumes in southeastern Africa and Madagascar.

Personnels impliqués.

Hélène CACHIER, CFR, MCF1 25%

Catherine LIOUSSE, CFR, CR2 CNRS 10%

Stephane RUELLAN, doctorant 20%

Pierre MASCLET, LESAM, Professeur 15%

X, LESAM, doctorant 30%

Annie GAUDICHET, LISA, MdC1 10%

Laurent GOMES, CR1 CNRS, 15%

Serge BALDY, LPA, Professeur 20%

Chatrapatty BHUGWANT, LPA, thésard 50%

Hassan BENCHERIF, LPA, Postdoc 30%

Jean LEVEAU, LPA, Professeur 10%

III. PROPRIÉTÉS RADIATIVES ET PHYSIQUES ET DISTRIBUTION SPATIALE DES AÉROSOLS PENDANT INDOEX

Responsable : D. Tanré, LOA; laboratoires associés: CFR, LMCE,LISA

Objectif. La présente action concerne la caractérisation et le suivi de la distribution spatiale des aérosols pendant l'expérience INDOEX. Il s'agit de déterminer les propriétés optiques et radiatives de ces aérosols et de spatialiser les résultats précis obtenus localement par des mesures sols grâce à l'imagerie satellitaire dans le spectre solaire. On se propose également d'effectuer des mesures de flux à la surface, et d'étendre à l'Asie du Sud-Ouest et au sous-continent indien l'observation des aérosols désertiques au-dessus des terres et l'identification de leurs sources émettrices grâce aux observations dans l'IR.

Stratégie. L'étude sera basée sur l'utilisation de données de télédétection acquises depuis le sol et l'espace.

En ce qui concerne les mesures sol, nous proposons d'effectuer des mesures sur l'île de Malé à l'aide de la station sol développée au LOA et de quelques CIMEL automatiques répartis sur la zone INDOEX. Ces mesures permettront de remonter aux propriétés radiatives et physiques des aérosols. L'imagerie satellitale sera utilisée pour obtenir une couverture régionale de ces propriétés.

A partir des mesures au sol de luminance du soleil et du ciel effectuée à l'aide de la station optique (voir détail des mesures dans la proposition LOA), il est proposé de déterminer les propriétés radiatives des aérosols qui conditionnent le signe (réchauffement ou refroidissement) et l'ampleur de leur effet direct sur le rayonnement, c'est à dire :

* leur albédo de diffusion

* leur facteur d'assymétrie

* leur coefficient de rétrodiffusion

* et leur fonction de phase

ainsi que leurs propriétés physiques, caractéristiques de la nature de ces aérosols :

* la granulométrie (à partir des mesures de l'auréole)

* et l'indice de réfraction (à partir de la fonction de phasepolarisée).

De plus, des mesures directes de flux permettront d'estimer le forcage radiatif des aérosols et de le comparer aux sorties des modèles radiatifs (cf actions de Chazette/Balkanski et de modélisation).

En plus de ces mesures réalisées avec des moyens relativement lourds, nous nous proposons d'effectuer des mesures en routine avec des photomètres de type CIMEL qui équipent le réseau de mesures photométriques AERONET (The AErosol RObotic NETwork; Holben et al., sous presse).Un photomètre est déjà installé dans la zone INDOEX, sur l'île de Malé, en collaboration avec le GSFC/NASA. Il estopérationnel depuis Octobre 1996. D'autres seront installés pendant la période intensive de mesures : un sur l'île de Tromelin, et un instrument du CFR-LMCE sur la côte à Goa à l'endroit des lâchers de ballons dérivants par le LMD (cf demande au PATOM) afin de caractériser les aérosols juste à leur sortie du continent indien. Ces instruments mesurent l'épaisseur optique et la luminance du ciel dans 4 canaux entre0.45 et 1.05 um, le contenu en vapeur d'eau à partir de la méthode de l'absorptiondifférentielle et la luminance polarisée à 0.865 um. Ils permettront de retrouver les mêmes grandeurs que la station sol maisavec une précision moindre.

Nous prévoyons également d'effectuer des mesures de flux descendants solaire et infra-rouge sur le site de La Réunion qui sera équipé d'un CIMEL mis en oeuvre par le Laboratoire de Physique de l'Atmosphère. Un néphélomètre (en collaboration avec le LISA) sera également installé pendant la période intensive d'observations sur l'île de Malé. Il permettra de comparer les propriétés des aérosols déterminées à partir de mesures intégrées sur toute la colonne atmosphérique à celles mesurées au niveau de la surface.

En ce qui concerne les mesures satellitales, consécutivement à la mise en poste du satellite Météosat-5 au-dessus de l'Océan Indien, il est projeté en collaboration avec le CFR d'appliquer la stratégie du programme MEDUSE pour le traitement en temps réel des images Meteosat VIS et IR (Dulac et al., sous presse). Les images seraient acquises par la station de réception opérée par le CFR et les images IR transférées au LOA. L'imagerie "aérosols" serait alors réalisée au LOA en ce qui concerne les régions continentales (IDDI) et par le CFR pour ce qui concerne les régions océaniques (épaisseur optique). Les résultats seront diffusés sur Internet.

Grâce à l'IR, nous pourrons étendre à l'Asie du Sud-Ouest et au sous-continent indien, (i) l'observation satellitaire des aérosols désertiques au-dessus des terres et (ii) l'identification de leurs sources émettrices. Pour cela nous appliquerons la méthodologie déjà utilisée pour suivre les aérosols sahariens sur l'Afrique à partir des images du canal infrarouge thermique de la série des géostationnaires Météosat (Météosat-IR) suivant une technique de base bien établie qui consiste à quantifier le refroidissement apparent de la surface en milieu de journée, dû à la présence de poussières en suspension dans l'atmosphère (Legrand et N'Doumé, 1993; Legrand et al., 1994; 1995). Le suivi de l'l'imagerie IDDI permettra l'identification des régions source et la description de leur activité saisonnière. Les données IDDI seront aussi utilisées pour la validation du modèle d'émission du LISA (cf action B. Marticorena), selon une démarche analogue à ce qui a été fait avec les sources sahariennes. Il est prévu en outre une comparaison de ces images avec les données d'aérosols "absorbant l'UV" produites à partir des images TOMS.

L'épaiseur optique en aérosols dans le visible, sera comparée localement avec les mesures photométriques coïncidentes servant de validation (Moulin et al., 1997b), nous pourrons alors quantifier l'épaisseur optique des aérosols sur toute la zone, en étudier les gradients et les comparer aux sorties du modèle de circulation générale (cf actions de modélisation).

La nouvelle génération de capteurs nous permet d'envisager demieux caractériser les aérosols depuis l'espace. Avec le capteurMODIS sur EOS qui sera lancé en juillet 1998, nous disposerons d'une information spectrale étendue (de 0.45 à 2.1mm) et il sera possible de remonter à la granulométrie des aérosols. En supposant que la distribution entaille peut être décrite à l'aide de 2 modes de particules, un mode dit d'accumulation et un mode ditgrossier, la dépendance spectrale des réflectances mesurées parMODIS nous permet de déterminer la contribution de chaque mode et le rayon effectif de la granulométrie résultante (Tanré et al., 1996; Tanré et al., 1997). Cesmesures permettront également de tester les modèles de transport(cf actions de modélisation).

Le capteur POLDER va également nous permettre, grâce à ses 8mois de fonctionnement (de Novembre 96 à Juin 97) de localiser les zones sources et les trajectoires privilégiées pendant la période intensive d'observations. Nous utiliserons également ces mesures pour valider, et éventuellement adapter, le modèle d'aérosols obtenu à partir des mesures Cimel. Elles nous permettront de faire une première étude de l'évolution des caractéristiques des aérosols au cours de leur transport. La mesure de polarisation sur l'océan sera utilisée pour estimer la partie réelle de l'indice de réfraction.

Enfin, l'imagerie UV du capteur TOMS permet d'obtenir une cartographie des aérosols 'absorbants' aussi bien au-dessus des terres que de l'océan, et ces observtions sont peu perturbées par la présence des nuages (J. Herman et al., 1997). Cette approche est complémentaire aux autres observations satellitales.

Résultats obtenus. Les différentes méthodologies qui seront utilisées pour l'analyse des mesures optiques au sol et satellitales sont éprouvées (Bréon et al.,1997; Holben et al. sous presse; Jankowiak et Tanré, 1992; Tanré et al., 1996; Moulin et al., 1997a; 1997b; Dulac et al, sous presse; Legrand et al., soumis). Depuis Juillet 1996, la production opérationnelle d'images IDDI et d'épaisseur optique en aérosols désertiques sur l'océan, sur une base journalières et en temps réel est réalisée en collaboration avec le LMCE qui assure la réception des images Météosat de pleine résolution et le transfert des images IR pour traitement au LOA. L'effort informatique et logistique réalisé permet de contribuer à la validation prévisionnelle d'un modèle météorologique, relativement aux incursions de poussières sahariennes sur le bassin méditerranéen (programme européen MEDUSE : MEditerranean DUSt Experiment; Söderman et Dulac, sous presse).

En ce qui concerne l'imagerie IR, des images d'indice infrarouge de poussière (IDDI pour Infrared Difference Dust Index) ont été produites selon une fréquence journalière à partir de 10 années d'images Météosat-B2. La validation a été faite en appliquant plusieurs techniques alternatives : (i) par utilisation des visibilités du réseausynoptique météorologique, (ii) à l'aide des épaisseurs optiques dérivées de Météosat-VIS au-dessus de l'océan (Legrand et al., 1994), et (iii) par comparaison avec des simulations. Le traitement statistique de ces données a permis d'obtenir la distribution spatio-temporelle des poussières sur l'Afrique (Legrand et al., soumis au J. Climate). Une retombée de cette étude est l'identification géographique des sources sahariennes et la détermination de leur activité saisonnière, information originale et importante pour la communauté scientifique impliquée dans les études d'environnement et de climat global (érosion éolienne, sécheresse et désertification) ainsi que pour les modélisateurs (en particulier vers la prévision météorologique). L'imagerie IDDI permet d'observer "en direct" l'émission de poussière par les sources, ce qui, par comparaison avec les vents de surface issus des analyses du CEPMMT, a permis d'estimer le seuil de la vitesse du vent de surface pour l'émission, caractéristique de diverses sources sahariennes (Chomette et Legrand, en préparation). Une autre application réalisée à partir du produit IDDI est la validation du modèle physique de soulèvement des aérosols désertiques mis au point au LISA (Legrandet al., 1995; Marticorena et al., 1997). Dans cette étude, qui constitue en fait une intervalidation entre le modèle et le produit satellitaire, on a mis en évidence une relation entre l'indice de poussière, obtenu par télédétection, et le flux en masse de poussière émise, simulé par le modèle. Ce résultat en accord avec les prévisions théoriques, permet d'envisager l'utilisation de l'indice pour l'estimation des masses soulevées.

Une climatologie de 11,5 années d'images quotidiennes de la distribution de l'épaisseur optique en poussières sahariennes sur l'Atlantique de l'Est et la Méditerranée a également étéobtenue, mettant en évidence le contrôle de l'intensité des exportations de poussières par les variations climatiques de grande échelle sur l'Atlantique Nord (Moulin et al., Nature, 1997c).

Demande financière. Le budget demandé est de 372 kF. Il comprend :

-un disque dur externe Unix Seagate pour les données spatiales (cf devis joint au projet LOA) : 13 kF

-des consommables informatiques (DON, disquettes, sorties graphiques couleur, etc) 15 kF) pour l'analyse des données. 15 kF

-la mise à jour de la station Meteosat-PDUS du CFR pour la réception de Meteosat-65deg.E (cf devis DataTools Products joint au projet LOA) : 17 kF

-l'expédition (A/R) du matériel sur sites (40F/kg pour un trajet (cf facture jointe au projet LOA); pour Malé : 500 kg (station-sol et mesures de flux); pour La Réunion : 100 kg (CIMEL + flux); pour Goa : 60 kg(CIMEL) : 53 kF

-la maintenance de la station sol (composants électroniques, filtres, polaroïds, suivant l'expérience acquise précédemment) : 20kF

-des frais de terrain pour l'ensemble des sites équipés pendantl'expérience (téléphone, fax, taxis, ...) : 15 kF

-l'adaptation d'un photomètre CIMEL aux conditions océaniques (changement du révêtement extérieur, , cf Devis CIMEL joint à la demande LOA) : 25 kF

-les frais de missions :

-4 missions Lille-Paris et frais de séjours (3 jours) 4 kF

-4 missions Lille-Malé et frais de séjours (Billet d'avion : 5000F + 30 Jours à 1000F/J), 30 kF pour 140 kF

-1 mission à Goa (Billet : 8000F + 3 semaines à 1000F/j) 30 kF

-1 mission Lille-La Réunion+Tromelin (Billet : 8000F + 400F/j x 20j),24 kf pour le trajet avion AR La Réunion-Tromelin (facture jointe au projet LOA) : 40 kF

Calendrier. L'année 98 sera consacrée audépouillement des données acquises depuis Octobre 1996 par le photomètre sur l'île de Malé. Nous avons à notre disposition un nombre suffisant de mesures pour en déduire un modèle moyen d'aérosols sur toute la période, étudier les variations saisonnières et la cohérence des mesures sur deux années successives. L'année 1998 sera aussi consacrée à la préparation de l'expérience proprement dite, avec les tests et la remise à niveauéventuelle des instruments, leurs étalonnages et l'expédition dumatériel. A partir de juillet, Meteosat-5 sera opérationnel à65deg.E, et la station de réception du CFR sera testée pour pouvoir effectuer un suivi en temps quasi-réel des épaisseurs optiques sur la mer à partir du canal Visible et des aérosols sur le continent grâce au canal IR. Le modèle d'aérosols issu des mesures photométriques sera testé pour inverser les images du canal visible. Début 1999 sera consacré àl'expérience proprement dite, qui aura lieu en Février-Mars. Le dispositif expérimental sur l'île de Malé nécessitera la présence de 2 personnes pendant la campagne. Il est prévu d'effectuer une rotation des personnes effectuant les mesures in-situ à mi-période.

L'instrument CIMEL sur l'île de Tromelin sera installé début 1999, nous profiterons de cette mission pour installer les mesures de flux sur l'île de la Réunion. Cette installation est coûteuse car un trajet La Réunion-Tromelin doit être pris en charge par le laboratoire, mais le site de Tromelin est exceptionnel pour caractériser l'aérosol marin de fond dans les alizés. Le prédépouillement et l'analyse des résultats sera effectuée en 1999.

Références des proposants.

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Chiapello I., G.Bergametti, B. Chatenet, P. Bousquet, F.Dulac and E. Santos Soares (1997) Origins of African dust transported over the North-Eastern Tropical Atlantic.J. Geophys. Res. 102,13701-13709.

Dulac F., Tanré D., Bergametti G,Buat-Ménard P., Desbois M. and Sutton D.(1992) Assessment of the african airborne dust mass over the western mediterranean sea using Meteosat data.J. Geophys. Res. 97, 2489-2506.

Dulac F., E. Hamonou, X. Schneider, C. Moulin, P.Chazette, G.L. Liberti, D. Paronis, C.E. Lambert,M. Legrand, J.B. Défossez, D. Balis, A. Papayannis, G. Ancellet and N. Mihalopoulos (sous presse)Meteosat and ground-based optical measurements of desert dust within European project MEDUSE. Proc. Meteorological Satellite Data Users' Meeting, EUMETSAT, Darmstadt, Germany, 8 pp. sous presse.

Herman M., Deuzé J.L., Devaux C., Goloub P., BréonF.M. and Tanré D., Remote Sensing of Aerosols over Land Surfaces Including Polarization Measurements : Applications to POLDER Measurements, J. Geophys.Res. 102, 17039-17050, 1997.

Holben B.N., Eck T.F., Slutsker I., Tanré D., BuisJ.P., Setzer A., Vermote E., Reagan J.A., Kaufman Y., Nakajima T., LavenuF. and Jankowiak I. (sous presse) Multi-Band Automatic Sun and Sky Scanning Radiometer System for Measurements of Aerosols, Remote Sens. Environ.

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Personnels impliqués.

Isabelle Chiapello, LOA ; comparaison IDDI-TOMS : 20%

Christine Deroo, LOA; traitement des données Météosat-IR : 20%

Jean-Baptiste Défossez; LOA; participation à la campagne de mesures en 1999, et dépouillement des données CIMEL : 20%

Jean-Luc Deuzé, LOA; campagne 1999 et traitement des données POLDER : 20%

Claude Devaux, LOA; campagne 1999 et analyse des données de la station sol : 20%

Maurice Herman, LOA; traitement des données POLDER : 20%

Philippe Goloub, LOA, campagne 1999 et traitement des données POLDER : 20%

Isabelle Jankowiak, LOA; participation à la campagne de mesures en 1999 et traitement des données Metéosat: 20%

Michel Legrand, LOA; analyse des images IDDI: 20%

Didier Tanré, LOA; campagne 1999 et traitement des données MODIS: 20%

Bernadette Chatenet, Assist. ingénieur Univ. Paris 7, LISA;participation à la campagne de mesures en 1999 et dépouillement des données CIMEL: 20%

Laurent Gomes, CR1 CNRS, LISA; analyse des mesures néphélométriques: 10%

François-Marie Bréon, ing. CEA, LMCE; traitement des données POLDER: 10%

François Dulac, ing. CEA, CFR; traitement des données Meteosat-VIS, participation à la campagne en 1999: 15%

Dimitris Paronis, thésitif, CFR; station de réception des données Météosat: 10%

IV. VIEILLISSEMENT ET DISTRIBUTION VERTICALE DES AÉROSOLS CONTINENTAUX EXPORTÉS PENDANT INDOEX

Responsable : F. Dulac, CFR ; laboratoire associé : LISA

Contexte. Nous venons de montrer que différents schémas de dépôt humide d'aérosols dans un mêmemodèle de transport global fournissent des résultats comparables, et acceptables par rapport aux observations, en matière de dépôt ou de concentrations atmosphériques au sol, mais des distributions verticales tout à fait différentes (Guelle et al., soumis). Or la simulation du forçage radiatif des aérosols nécessite de bien représenter leur distribution verticale. Les modèles de transport 3D doivent donc être validés par des profils verticaux.

On savait depuis les années 70 que les poussières sahariennes étaient principalement transportées dans une couche d'altitude dite Saharan Air Layer (Prospero et Carlson, 1972) et les observations lidar au Japon ont confirmé ceci pour les sorties de poussières d'Asie vers le Pacifique (Iwasaka et al., 1988). Les mesures aéroportées de radon-222 ont montré que des masses d'air peuvent s'élever de la couche limite à 12 km au-dessus de l'Asie et traverser le Pacifique en trois jours (Kritzet al., 1990). La mise en oeuvre de lidar aéroportés au cours de la récente campagne ACE-2 au large du Portugal confirme que les aérosols continentaux sont majoritairement exportés vers l'océan au-dessus de la couche limite marine.

D'autre part, l'étude des changements globaux requiert une quantification des impacts respectifs des aérosols naturels et anthropiques. L'association maintenant avérée de composés d'origines différentes (sulfates, suie, poussières minérales, sels marins, ...) au sein des mêmes particules commence à peine à être prise en compte, bien qu'elle produise des effets importants sur la granulométrie et les propriétés chimiques et hygroscopiques des particules (Parungo et al., 1992; Levin et al., 1996).

Il n'est donc pas suffisant pour décrire le transport des aérosols, leurs propriétés et leur forçage radiatif de les échantillonner au sol, ou de mesurer leurs propriétés moyennes sur la colonne atmosphérique par télédétection: il est nécessaire d'effectuer des mesures aéroportées in-situ et de disposer d'un système de collecte des aérosols pour leur caractérisation physico-chimique au laboratoire.

Objectif. L'objectif scientifique de ce projet est de déterminer la composition, la granulométrie et la distribution verticale des aérosols troposphériques exportés du sous-continent indien vers l'Océan pour en déduire leur évolution au cours du transport, valider les modèles de grande échelle, et estimer la contribution des différents types d'aérosols au forçage radiatif à l'échelle régionale.

Stratégie. Cet objectif sera réalisé grâce àune expérience aéroportée effectuée en Mars 1999 durant la campagne intensive INDOEX. Les vols seront effectués à l'aide duFalcon 20 du DLR, présent sur le site dans le cadre d'une expérience coïncidente. La charge utile comprendra un lidar rétrodiffusion, des granulomètres optiques aérosols et nuages, les mesures météorologiques et des mesures de flux descendants et montants dans le visible et l'IR, une ligne du LISA pour le prélèvement par impaction sur grille de microscope, et enfin la chaîne AVIRAD du CFR comprenant une veine isocinétique asservie pour le prélèvement isocinétique d'aérosols, un passeur de filtre, et un compteur de radon-222.

Les discussions avec la Division Technique de l'INSU ont fait apparaître l'incompatibilité à bord du Mystère 20 INSU du lidar LEANDRE et de la chaîne AVIRAD essentielle à la présente demande. Par contre la veine isocinétique a déjà été intégrée à bord du Falcon 20 du DLR lors d'une mission STAAARTE en juin 1997. Sous réserve de financement européen, le Falcon sera basé à Malé en Mars 1999 dans le cadre de l'expérience THESEO/APE-II. Le DLR a confirmé la possibilité d'intégrer AVIRAD avec OLEX, et accepté le principe d'effectuer une trentaine d'heures de vol supplémentaires pour INDOEX.

Les vols nécessiteront des paliers à niveau et vitesse constante de 20 à 40 mn, en fonction de la charge en aérosols, depuis la couche limite jusqu'à la troposphère libre, soit en moyenne 5 paliers par vol + transits (l'autonomie duFalcon est de 5h30 maximum pour des conditions de vol en haute troposphère). Les vols auront lieu de préférence plusieurs jours de suite avec l'objectif de suivre les masses d'air continentales lors de leur déplacement vers le Sud. Les ballons dérivants du LMD lâchés de Goa (cf contribution INDOEX-France de Robert Sadourny) et les observations satellitaires (cf action de D. Tanré) et analyses météorologiques serviront à définir avec précision les plans de vol. Il est prévu deux séries de 3 vols de 5 heures sur 3-4 jours successifs, soit au minimum une trentaine d'heures de vol au total. Le premier vol de chaque suivi aura lieu sur la zone de lâchés de ballons où sera également installée une station sol (cf action d'H. Cachier). Nous chercherons de préférence à voler dans des conditions de ciel clair pour permettre le suivi satellital des aérosols, alors que les objectifs de la campagne THESEO nécessitent plutôt des nuages hauts.

Les prélèvements in-situ et les mesures de télédétection n'offrent pas un grand degré de compatibilité. Le lidar OLEX pointant vers le haut, un premier passage devrait être effectué à très basse altitude pour observer le profil de rétrodiffusion dans la partie supérieure de la couche limite, limitant fortement la duréetotale du vol. Pour assurer la couverture lidar coïncidente dans les basses couches, il sera donc extrêmement profitable de combiner les plans de vol du Falcon avec ceux du Mystère 20 (cf action de P. Flamant) et du C-130 s'il est muni d'un lidar. D'autre part le C-130 sera équipé de mesures de l'aérosol carboné que nous ne pouvons pas installer à bord du Falcon.

Le suivi lagrangien des aérosols proposé est original dans INDOEX et doit compléter les vols du C-130 prévus dans différentes régions sous influence marine ou continentale. Notre sonde isocinétique sera également originale et elle permettra un échantillonnage représentatif des particules de taille micronique (donc d'accéder à la fois à la composition en sels marins, poussières minérales et sulfates). Les filtres seront analysés a posteriori au LISA pour déterminer la composition chimique élémentaire et ionique des aérosols et son évolution en fonction de l'altitude et du vieillissement des aérosols. On analysera en particulier la composition en différents traceurs des composantes minérales, sels marins, sulfates marins (MSA) et anthropiques, et en acides organiques à faible poids moléculaire, pour vérifier si le mélange d'aérosols est conservatif à l'échelle de quelques jours au cours du transport au-dessus de l'océan ouévolue de façon notable. La microscopie sera utilisée pour rechercher l'association des sulfates et des particules carbonées et minérales, qui modifient complétement leur comportement hydrophile. On cherchera plus particulièrement à quantifier l'éventuel accroissement de la proportion de particules mélangées avec le vieillissement de la masse d'air et la présence de nuages au sommet de la couche limite.

Le radon-222 sera dosé sur chaque filtre, permettant de tracer lecaractère continental de l'air échantillonné. Le compteur de radon-222 sera également utilisé lors des vols THESEO du Falcon en altitude. Les résultats obtenus seront utilisés pour valider le transport convectif dans le modèle LMDz (cf projet de Frédéric Hourdin).

Dans sa thèse Isabelle Chiapello (LISA) avait utilisé les mesures au sol effectuées à l'Ile de Sal au large du Cap-Vert (composition et granulométrie des sulfates, sels marins et aérosols minéraux) pour effectuer un bilan de la contribution des différents aérosols à l'extinction totale, grâce à des calculs de Mie et en faisant des hypothèses sur la répartition verticale des différents aérosols. La combinaison de nos résultats sur la distribution verticale, la granulométrie et la composition des aérosols en altitude avec les mesures physico-chimiques au sol (stations de Goa et Malé, mesures àbord du navire de recherche indien), et la couverture satellitale à l'échelle régionale (Meteosat, MODIS) permettra d'effectuer le même type de bilan de façon plus précise et de l'extrapoler à l'échelle régionale. De plus les différentes mesures radiatives effectuées permettront de contraindre des calculs de forçage dans l'IR pour extrapoler ce bilan aux grandes longueurs d'onde et en déduire les forçages nets. A terme le modèle du LMDz permettra d'effectuer les mêmes bilans et sera contraint par ces observations.

Résultats obtenus. En Juin dernier, notre participation aux vols du programme STAAARTE à bord du Falcon 20 de recherche allemand nous a permis de tester l'intérêt scientifique d'une configuration associant lidar, granulomètres et veine isocinétique pour localiser et différencier les différentes couches d'aérosols (couche limite marine, couche limite synoptique polluée, aérosols désertiques, troposphère libre) dans lesquelles ont été effectués les prélèvements. Les analyses des échantillons sont en cours avec comme objectif la caractérisation de l'aérosol carboné, minéral et soufré. Les teneurs en MSA, traceur des sulfates d'origine marine et en certains acides organiques légers ont pu être déterminées. Les mesures de granulométrie à bord ont clairement montré la différence de nature des particules entre la couche limite et la couche supérieure, contenant des particules de taille supérieure. L'analyse en temps réel des images Meteosat effectuée au CFR pendant la campagne a permis d'identifier cette couche comme étant d'origine Africaine. Le lidar a mesuré dans cette couche un taux de dépolarisation relativement plus important, témoin du caractère non sphérique des particules minérales.

Demande financière. La présente demande est conditionnée au financement européen pour la participation du Falcon 20 du DLR à APE-II et TRACES. Le DLR n'a donc pu formuler son offre spécifique pour INDOEX et cette demande budgétaire a été effectuéesur la base du tarif standard 1997 fourni par le DLR. La demande sera réactualisée dès que possible. Le financement demandé au PNCA(468 kF) comprend:

-20 heures de vols de recherchedu Falcon 20 DLR à environ 6200 DM/h soit 21,5 kF/h (incluant l'équipage, l'acquisition des données de bord et le post-traitementau sol, y compris les données lidar): 430 kF

-ligne d'échantillonnage pour la microscopie (LISA): 3 kF

-mission fin 1998 pour l'intégration (transport du matériel Paris-Oberpfaffenhofen en véhicule, 3j): 5 kF

-mission en mars 1999 pour un scientifique à Malé:

- billet d'avion Paris-Maldives: 5 kF

- séjour (25 jours x 1 000 F/ jour) 25 kF

Le financement de ce projet inclus par ailleurs les demandes suivantes:

-INSU: équipements mi-lourds 1998, projet AVIRAD (310 KF)

-CEA: financement de 10 heures de vol du Falcon DLR (215 kF); petit fonctionnement spécifique à la préparation de la participationà INDOEX (env. 15 kF)

-DLR: intégration et vol technologique d'essai (env. 50 kF); le transit du Falcon, son immobilisation à Malé, les vols en altitude seraient financés par l'Europe.

Calendrier. La campagne aura lieu en Mars 1999. 1998 sera mise à profit pour terminer le développement de la chaîne instrumentale, puis pour son intégration avec le système lidar OLEX dans le Falcon 20 du DLR et un vol d'essai (coll. DivisionTechnique du DLR). Les prochaines réunions INDOEX au Pays-Bas et en Inde permettront la définition des plans de vol en concertation avec les autres avions.

Références

Balkanski Y., Schulz M., Marticorena B.,Bergametti G., Guelle W., Dulac F., Moulin C. andLambert C.E. Importance of the source term and of the size distribution to model mineral dust cycle. The Impact of African Dust Across the Mediterranean, S. Guerzoniand R. Chester eds., Kluwer, 69-76, 1996.

Cachier H., Liousse C., Gaudichet A., Echalar F.,Kuhlbusch T., Lacaux J.P., Particulate emissions during savanna fires inKruger National Park (South Africa). J. Geophys. Res., inpress.

Chiapello I., Bergametti G., Gomes L., Chatenet B., Dulac F., Pimenta J. and Santos Suares E., An additional low layer transport ofSahelian and Saharan dust over the north-eastern tropical Atlantic.Geophys. Res. Lett. 22, 3191-3194, 1995.

Dulac F., Moulin C., Lambert C.E., Guillard F., PoitouJ., Guelle W., Quétel C.R., Schneider X. and Ezat U.,Quantitative remote sensing of African dust transport to the Mediterranean.The Impact of African Dust Across the Mediterranean, S. Guerzoniand R. Chester eds., Kluwer, 25-49, 1996.

Echalar F., Gaudichet A., Cachier H. and Artaxo P.,Aerosol emisions by biomass burning in Africa and in the Amazon basin: characteristic trace elements and fluxes. Geophys. Res.Lett. 22, 3039-3049, 1995.

Ezat U. et Dulac F., Granulométrie des aérosols minéraux à l'Ile d'Amsterdam et retombées sèches dans l'océan Indien austral. C. R. Acad. Sci.Paris 320, ser. IIa, 9-14, 1995.

Gaudichet A. et al., Trace elements in tropical african savanna biomass burning aerosols. J. Atmos. Chem. 22,19-39, 1995.

Kritz M.A., Le Roulley J.C. and Danielsen E.F., TheChina Clipper: fast advective transport of radon-rich air from the Asian boundary layer to the upper troposphere near California. Tellus 42B, 46-61, 1990.

Liousse C., Dulac F., Devaux C. and Cachier H., Aging of savanna biomass burning aerosols: consequences on their optical properties. J. Atmos. Chem. 22, 1-17,1995.

Moulin C., Lambert C.E., Dulac F. and Dayan U., Control of the African dust export by the North Atlantic Oscillation. Nature 387, 691-694, 1997.

Moulin C., Guillard F., Dulac F. and Lambert C.E., Long-term daily monitoring of Saharan dust load overocean using Meteosat ISCCP-B2 data, 1. Methodology and preliminary resultsfor 1983-1994 in the Mediterranean. J. Geophys. Res. 102,16947-16958, 1997.

Moulin C., Dulac F.,Lambert C.E., Chazette P., Jankowiak I., Chatenet B. and Lavenu F.,Long-term daily monitoring of Saharan dust load over ocean using Meteosat ISCCP-B2 data. Part II: Accuracy of the method and validation using sunphotometer measurements. J.Geophys. Res. 102, 16959-16969, 1997.

Novakov T., Cachier H., Gaudichet A., Masclet P. andClark J., Characterization of combustion particles. Sediment Records of Biomasss Burning and Global Change, J. Clark ed.,Springer-Verlag, sous presse.

Ramonet M., Le Roulley J.C., Bousquet P. and Monfray P., Radon-222 measurements during the Tropoz II campaign and comparison with a global atmospheric transport model. J. Atmos. Chem. 23,107-136, 1996.

Personnels impliqués.

CFR (CNRS-CEA):

François Dulac ingénieur CEA coordination du projet 15%

Jean-Cl. Le Roulley IR1CNRS responsable technique, chef de projet AVIRAD 20%

Dominique Filippi doct., bourse CIFRE développement et mise enoeuvre d'AVIRAD 30%

Claude Basbayou technicien CEA dessinateur-projeteur, intégration 10%

Ullah Ezat IR2 CNRS tests et préparation des supports de filtration 10%

Annie Gaudichet M.d.Conf. Univ. P12 études microscopiques 5%

Rémi Losno M.d.Conf. Univ. P7 analyses chimiques, tests des blancs analytiques 5%

Michel Maillé Techn. Univ. P12 préparation de la ligne d'éch. pour microscopie 5%

DLR (Deutsche Forschungsanstalt für Luft and Raumfahrt, Oberpfaffenhofen, Allemagne):

Heinrich Brockstieger, intégration à bord du Falcon

Martin Wirth, mesures lidar

GKSS Forschungszentrum (Geestacht, Allemagne):

Frank Albers mesures granulométriques

V. DISTRIBUTION VERTICALE À GRANDE ÉCHELLE DES AÉROSOLS PENDANT INDOEX

Responsable : P. Flamant, LMD ; laboratoire associé : SA

Contexte. La contribution du Mystère 20 est au coeur même des objectifs d'INDOEX, à savoir l'échantillonnage de la distribution spatiale des aérosols avec le souci de valider les données satellitales et de contraindre les modèles 3D de chimie-climat. La présente proposition articule la complémentarité des mesures aéroportées sur le Mystère 20 avec l'ensemble du dispositif expérimental d'INDOEX (données satellites, en particulier METEOSAT (cf action de D. Tanré et proposition INDOEX-France coordonnée par M. Desbois), bateau instrumenté (Sagar Kanya), sites instrumentés à Malé, La Réunion et Tromelin, avions C -130 américain et Falcon du DLR (cf. action de F. Dulac)) ainsi qu'avec la composante modélisation de grande échelle et de méso-échelle, contrainte par les observations. Dans la mesure où les observations passées (en particulier durant la campagne récente ACE-2) semblent indiquer que les aérosols continentaux sont généralement transortés au-dessus de la couche limite marine, il est important de pouvoir quantifier, grâce au lidar, la contribution de l'aérosol marin de couche limite et celle des couches supérieures dans les mesures verticalement intégrées des photomètres ou des imageurs spatiaux.

D'autre part, les tests effectués au LMCE sur plusieurs schémas de lessivage des aérosols dans un modèle de transport global 3D ont montré que la connaissance de la répartition verticale des aérosols est indispensable. En effet par des phénomènes de compensation les schémas de lessivage sont susceptibles de fournir des concentrations ou des dépôts au sol comparables mais pouvant provenir de répartitions verticales des aérosols troposphériques totalement différentes (Guelle et al, soumis).Or la répartition verticale des aérosol est un paramètre déterminant de leur forçage radiatif.

Objectif. L'objectif de cette action est de documenter la répartition verticale des aérosols et des nuages et de mesurer le rayonnement dans la haute troposphère au-dessus de l'océan indien, pour en déduire le forçage radiatif des aérosols.

Stratégie. Il est proposé d'embarquer une charge utile sur le Mystère 20 de l'INSU composée du lidar rétrodiffusion LEANDRE, de radiomètres à visée nadir dans le visible et l'infrarouge et de capteurs in-situ (noyaux de condensation, vapeur d'eau, température, ...). Le Mystère 20 contribuera à établir une couverture détaillée du panache de pollution issu des côtes de l'Inde se déployant vers la zone de convergence intertropicale (ZCIT), et il explorera les deux cotés de la ZCIT. Les vols du Mystère 20 seront établis en concertation étroite avec les autres avions, en particulier le C-130 américain qui devrait emporter un lidar comparable à LEANDRE, et le Falcon du DLR qui devrait emporter la veine isocinétique d'échantillonnage d'aérosols du CFR et des granulomètres optiques (cf action de F. Dulac). Les données seront utilisées pour mettre en évidence un gradient nord-sud de la distribution en aérosols, et l'étude des effets directs et indirects sur le bilan radiatif à l'échelle régionale. Ces objectifs demandent également une collaboration étroite avec les composantes Satellites et Modélisation d'INDOEX.

Une première estimation du nombre de vols àeffectuer par le Mystère 20 pour répondre aux objectifs affichésest la suivante :

-2 transects complets Malé-Gan (ou Diego Garcia)-Les Seychelles-La Réunion et retour;

-3 vols à partir de Malé vers le sous continent indien;

-2 vols à partir des Seychelles vers l'ouest et le continent africain;

-2 vols à partir de la Réunion vers le sud et l'ouest.

Les paramètres atmosphériques qui seront restitués directement par le lidar sont les altitudes et les profils de rétrodiffusion et d'extinction pour les aérosols et les nuages, et la hauteur de la couche limite et de la zone d'entraînement. Le lidar permet de déterminer l'épaisseur optique des nuages bas à partir des mesures de coefficient d'extinction au sommet. Une valeur du rayon effectif des gouttelettes nuageuses peut être obtenue (en première approximation) en supposant que le profil d'eau liquide est adiabatique (pour les fortes valeurs du coefficient d'extinction). Les mesures d'épaisseur optique et de rayon effectif devraient permettre de restituer un contenu en eau liquide. Les mesures de CCN seront utiles pour l'étude portant sur la mise en évidence d'effet indirect des aérosols sur le bilan radiatif par la modification de la couverture nuageuse. L'avion volant à 10-11 km d'altitude, il sera nécessaire de basculer la ligne devisée du lidar du nadir au zénith (et vice versa) pour sonder toutela troposphère, de la couche limite au sommet des cirrus tropicaux.Cette opération devra être répétée toutes les 5 minutes, soit pour des distances de 50 km, pendant toute la durée du vol (environ 3 h). Le changement de visée peut être effectuée en moins d'une minute.

Les vols du Mystère 20 conduiront à des échantillonnages bi-dimensionnels précis de la distribution des aérosols au nord et au sud de la ZCIT. Cette thématique est du seul ressort du bateau indien (Sagar Kanya) et du Mystère 20. Les plans de vols suivront des transects Malé-Gan (ou Diego Garcia)-Les Seychelles-La Réunion, et retour. Les études de trajectographie conduites dans le cadre de la modélisation en liaison directe avec les analyses (cf. la proposition de modélisation INDOEX-France coordonnée par O. Boucher) permettront de déterminer l'origine des masses d'air rencontrées durant les transects.

Des vols du Mystère 20 seront dirigés vers le sous-continent Indien à partir de Malé pour établir une cartographie détaillée des panaches de pollution issus des côtes de l'Inde (sources) qui se déploient du coté nord de la ZCIT. Pour atteindre cet objectif, les plans de vols seront établis en concertation étroite avec les autres avions participant à l'expérience, en particulier le C-130 américain qui devrait emporter une instrumentation complémentaire de celle du Mystère 20 (peut-être un lidar identique à LEANDRE) et le Falcon du DLR emportant la veine isocinétique du CFR et le lidar OLEX du DLR (visant vers le haut uniquement). Les trois avions effectueront des mesures complémentaires pour une cartographie détaillée des différents types d'aérosols dans la partie nord de l'océan indien au voisinage de Malé et en direction du sous continent. Les vols à partir de Malé pendront en compte une intercomparaison avec les mesures effectuées sur le site même (radiométrie, lidar, physico-chimie, ...).

De la même manière, des vols seront effectués à partir des Seychelles vers le continent africain pour documenter les gradients et la variabilité des aérosols et des nuages en relation avec la dynamique de grande échelle documentée par les ballons plafonnant.

Un vol sera conduit pour partie autour de l'île de La Réunion pour une intercomparaison avec le site instrumental équipé en lidar et en radiomètres, et pour partie vers l'ouest car ce site devrait servir de référence pour les données satellitales. À cet effet il est essentiel de documenter la nature des masses d'air entre le continent africain et l'île. Le vol sera conçu, suivant les conditions météorologiques du moment, pour documenter la représentativité des mesures locales et la pertinence des séries temporelles. Les études de représentativité s'appuieront aussi sur les données satellitales. Les vols à partir de La Réunion et les transects survoleront l'îlot de Tromelin pour une intercomparaison avec les mesures photométriques intégrées sur la colonne (cf action deTanré).

Un vol sera conduit au sud de la ZCIT pour s'assurer que les masses d'air sont "propres" ou "polluées" en aérosols en provenance d'Australie ou d'Afrique du Sud. Dans la mesure du possible, nous chercherons à coordonner une partie des transects du Mystère 20 avec ceux du SagarKanya pour une intercomparaison. Le vol avion autour du bateau (+/- 100 km compte tenu de la limitation imposées par la durée d'un transect) sera utilisé pour estimer la représentativité des mesures bateau.

Les coupes bi-dimensionnelles réalisées pendant les transects seront la vérité terrain, quant à l'altitude et les propriétés optiques des aérosols, et quant à la présence éventuelle de nuages semi-transparents d'épaisseurs optiques faibles comprises entre 0,02 et 0,2. Cette validation est utile pour la climatologie des aérosols développée au moyen des données satellitales (cf. proposition de D. Tanré).

Le rôle du phénomène de brise de mer pour le soulèvement puis l'advection des aérosols continentaux vers l'océan sera étudié pour mieux comprendre les sources et l'alimentation en aérosols, en synergie avec l'activité de modélisation (études proposées par R. Rosset sur Méso-NH et les applications à la modélisation en-ligne de grande échelle).À cet effet, les mesures lidar et radiométriques et les prélèvements à différentes altitudes par le Falcon (cf action de Dulac) seront utilisées pour quantifier la présence des aérosols continentaux advectés sur l'océan et des aérosols de la couche limite marine.

Un volet important pour INDOEX est la validation des modèles de transport et radiatifs au moyen des mesures. L'ensemble des observations nécessaires comprend celles obtenues par les avions, le bateau et les satellites. Il s'agit de déterminer le gradient vertical des flux radiatifs dans le visible et dans l'infrarouge au moyen des avions Mystère 20, C-130 et Citation, de mesurer les flux radiatifs à la surface par le Sagar Kanya, l'avion P-3 américain et les sites instrumentés, et les flux radiatifs au sommet de l'atmosphère par les satellites NOAA-12 et 14 et Scarab/Resurs. Les mesures de rayonnement en présence et en l'absence de nuages, et la connaissance de la distribution verticale des aérosols et des paramètres des nuages permettront de contraindre le code radiatif utilisé pour estimer le forçage radiatif des aérosols, suivant la procédure proposée pour traiter les données d'ASTEX et ACE-2 (cf. action de Chazette et Balkanski).

En ce qui concerne les effets radiatifs indirects, les variations d'albédo des nuages bas seront observées par radiométrie solaireà bord du Mystère 20 et corrélées aux mesures d'épaisseur optique et rayon effectif des gouttelettes effectuées par lidar et radiométrie IR. Les analyses porteront sur les différents transects du Mystère 20 afin de mettre en évidence une action du panache continental sur la couverture nuageuse au-dessus de l'océan indien, la présence d'un gradient nord-sud à partir de la côte vers la ZCIT, et d'une dissymétrie entre les deux cotés de la ZCIT, thermodynamiquement semblables. Là encore les mesures lidar et radiométriques embarquées devraientservir de vérité terrain aux études conduites au moyen des données satellitales et des modèles 3D.

Résultats obtenus. L'Institut Pierre Simon Laplace (Laboratoire de Météorologie Dynamique et Serviced'Aéronomie) a acquis un important savoir faire pour la conduite d'expérience aéroportées et la mise en oeuvre d'un système lidar à bord de l'avion de recherche par des participations à de nombreuses campagnes de mesures internationales ces dernières années: PYREX (1990), ASTEX-SOFIA (1992), SEMAPHORE (1993), EUCREX (1994), ECRIN (1996) et ACE-2 (1997). Lesexpériences ASTEX et ACE-2 auxquelles a participé LEANDRE ont permis de montrer que les aérosols d'origine continentale sont transportés au-dessus de la couche limite marine. Pour un épisode de transportd'aérosols sahariens observé au cours d'ASTEX, nous avons pu effectuer une première analye en synergie les observations LEANDRE et Meteosat pour obtenir la distribution de l'épaisseur optique en aérosols désertiques à grande échelle au-dessus de l'Atlantique et sa répartition verticale (Chazette et al.,1997). D'autre part, la synergie entre le lidar et la radiométrie infrarouge et visible a été développée avec succès dans les campagnes précédentes, en particulier durant ASTEX et EUCREX pour déterminer les propriétés structurales et optiques des nuages (Sauvage et al. 1997, Chepfer et al.1997).

Demande financière. Aucune demande n'est faite au PNCA pour 1998. Le budget 1999 lié à l'expérience est estimé à1242 kF, se répartissant en 970 kF d'immobilisation et heures de vols du MYSTERE 20 (transits inclus), 100kF pour le transport et la logistique d'une volothèque allégée (stations informatique INSU et LEANDRE) et les frais de mission pour 6 personnes pendant les 3 semaines de l'expérience (172 kF). Des financements de 350 kF sont demandés au PNCA et au PATOM pour la réalisation de l'expérience elle-même, répartis en:

- immobilisation et vols du MYSTERE 20: 285 kF

- transport et logistique volothèque : 30 kF

- missions: 35 kF

Le complément nécesaire sera demandé à l'Agence Spatiale Européenne (ASE) dans le cadre de la préparation des missions spatiales "Atmospheric Dynamic Mission" (lidar ventdans l'espace) et "Earth Radiation Mission" (lidar type LEANDRE et radar 94GHz). D'autre part, le budget prévisionnel des analyses et la constitution de la base de données est estimé à 150 kF, dont 90 seront demandés à l'ASE, 30 au PATOM et 30 au PNCA, mais cette demande sera précisée etre présentée lors de l'appel d'offre 1999.

Calendrier. La campagne aura lieu en Mars 1999. 1998 sera mise à profit pour l'intégration de LEANDRE dans le MYSTERE 20 et des vols d'essais (coll. Division Technique INSU), la mise au point des procédures de vol dans INDOEX, la définition des plans de vol en concertation avec les autres avions, le bateau et les sites instrumentés en particulier, la mise au point des algorithmes pour le traitement en temps réel de bord. Le développement des méthodologies en synergie lidar/radiométrie sera poursuivi grâce à des études de cas à l'aide des donnéesASTEX et ACE-2.

Références pertinentes des proposants.

Chazette P., J. Pelon, C.Moulin, V. Trouillet, I. Carrasco, F. Dulac, W. Guelle, P. Bousquet andP.H. Flamant. Synergy between lidar and Meteosat measurements for a Saharan dust event during SOFIA/ASTEX. J. Aerosol Sci. 28/Suppl. 1, pp.S659-S660 (1997).

Chepfer H., G. Brogniez, L. Sauvage,P. H. Flamant, V. Trouillet and J.Pelon. Remote sensing of cirrus radiative properties duringEUCREX'94. Case study of 17 april 1994. Part 2: Microphysical modelling, Mon. Weather Rev. (enrévision).

Doutriaux M., J.Pelon, V. Trouillet, G. Sèze, H. Le Treut, P.H.Flamant and M. Desbois. Simulation of a monthly cloudiness as observed from space by a backscatter lidar and radiometer using the LMD general circulation model, J. Geophys. Res. (en révision).

Elouragini S. and P. H.Flamant. Iterative method to determine an averaged lidar ratio and the range resolved extinction in cirrus, Appl. Opt. 35,1512-1518 (1996)

Elouragini E., J. Pelonand P. H. Flamant. Radiative impact of cirrus at meso-scale using a 1D-radiative transfer model and ground-based lidar, ground-based radiometers and satellite data,In Advances in Atmospheric Remote Sensing with Lidar, A. Ansmann, R. Neuber, P. Rairoux, U. Wandinger Eds., Springer, Berlin, pp. 87-90 (1996).

Flamant C. and J.Pelon. Atmospheric boundary-layer structure over the Mediteranean during a Tramontane event, Q. J. R. Meteorol. Soc. 122,1741-1778 (1996).

Flamant P. H., Elouragini S. andJ. Pelon. Mesure du contenu en eau nuageuse et du rayon effectif des gouttelettes par télédétection optique active (lidar), C. R. Acad. Sc. Paris 323, IIa, 563-568 (1996).

Flamant C., J.Pelon, P. H. Flamant and P. Durand. Lidar determination of the entrainment zone thickness at top of the convective marine atmospheric boundary layer, Boundary-Layer Meteorol. 83, 247-284 (1997).

Nicolas F., L. Bissonnette andP. H. Flamant. Lidar effective multiple-scattering coefficients in cirrus clouds, Appl. Opt. 36, 3458-3468(1997).

Raschke E., P. H.Flamant, Y. Fouquart, P. Hignett, H. Isaka, P.R. Jonas, H.Sundquist and P. Wendling. Cloud-radiation studies during the European cloud and radiation experiment (EUCREX), Survey in Geophysics (sous presse).

Sauvage L., H.Chepfer, V. Trouillet, P.H. Flamant, G.Brogniez, J. Pelon and F. Albers. Remote sensing of cirrus radiative properties during EUCREX'94.. Case stydy of 17 April 1994. Part 1: Observations, Mon. Weather Rev. (en révision).

Trouillet V., P. Chazette, C. Flamant and J. Pelon. Wind speed dependence of atmospheric boundary layer optical properties and ocean surface reflectance by airborne backscatter lidar,J. Geophys. Res. (en rév.)

Personnels impliqués.

Pierre H. Flamant       LMD       DR2              Responsable avion       20 %       
                                                   Vols, Analyses                   
 Laurent Sauvage       IPSL      Thèse             Vols, Analyses        20 %       
  Jacques Pelon          SA       DR2                  Analyses           10 %       
 Hélène Chepfer        LMD       Postdoc              Analyses           10 %       
        X              LMD       Thèse (nouvelle)    Vols, Analyse        80 %       
                                                   Base de données                  
Frédéric Blouzon     DT/INSU     IE-2             Opération, Vols,       20 %       
                                                   Base de données                  
   Pascal Genau          SA       IE-2              Base de données       10 %       
Christophe Boitel       LMD       IE-2             Base de données        20 %       

VI. SOURCES DES POUSSIÈRES MINÉRALES SUR LA ZONE INDOEX

Responsable : B. Marticorena, LISA ; laboratoires associés : PRODIG et LOA

Contexte. Les aérosols minéraux issus des zones arides et semi-arides sont les plus abondants et il est nécessaire de les prendre en compte dans les estimations du forçage radiatif des aérosols troposphériques. L'intensité de leurs émissions et de leur transport à grande distance varie fortement d'une année à l'autre en fonction des conditions climatiques. La zone de la future campagne INDOEX se trouve sous l'influence des zones arides et semi-arides de la Péninsule arabique, du Moyen-Orient et du sous-continent Indien (Husar et al., 1997; Herman et al., 1997). Les bilans de concentration et d'effets radiatifs des aérosols nécessitent donc la prise en compte des aérosols minéraux. Les modélisations 3D du cycle des aérosols désertiques effectuées par le passé ont achoppé sur la mauvaise qualité des sources.Un progrès considérable a été fait grâce à une nouvelle paramétrisation explicite des flux de poussières minérales éoliennes développée et validée pour le Sahara par le LISA (Marticorena et Bergametti, 1995;Marticorena et al., 1997). Pour être appliquée aux modélisations 3D des aérosols pendant INDOEX, un travail préalable de cartographie des états de surface des régions sources est nécessaire.

Objectif. L'objectif de cette action est de réaliser une cartographie des états de surface des régions sources d'aérosols minéraux éoliens sur le pourtour de la zone INDOEX. En suivant ce qui a été fait pour le sous-continent Nord africain, il s'agit de cartographier les paramètres pertinents (répartition des zones érodables, types de sols, densité des éléments non érodables, ...) et d'appliquer un modèle pour simuler les flux émis en fonction de ces paramètres et des conditions de vent à la surface.

Stratégie. La méthodologie, déjà éprouvée pour la cartographie des états de surface de l'Afrique du Nord-Ouest (Marticorena et al., 1997) consiste à:

1- rassembler l'ensemble des documents nécessaires (cartestopographiques, géologiques, photographies aériennes, données satellitaires, monographies...) à l'inventaire des états de surface;

2- établir sur une maille de 1deg. carré une cartographie qualitative de ces états de surface;

3- réaliser une mission de terrain pour obtenir les informations quantitatives (taille et densité des éléments érodables; type de sol, ...) nécessaires au calage de la cartographie;

4- calculer les flux soulevés quotidiennement sur des périodes mensuelles à l'aide du modèle d'émission (Marticorena et Bergametti, 1995) et des champs de vent analysés du centre météorologique européen;

5- comparer ces simulations à des données satellitaires donnant des informations sur le contenu en aérosols au-dessus des continents (Meteosat, TOMS);

6- éventuellement, pour les zones de désaccord, revenir sur la cartographie pour agglomérer des informations supplémentaires.

Peu de données sont disponibles sur la zone considérée. Une première validation sera effectuée à l'aide des images TOMS d'indice d'aérosols absorbants (Herman et al., 1997).Ceux-ci seront comparés aux indices déduits de Meteosat-IR sur l'Afrique, ces derniers ayant été largement exploités pour valider le modèle de soulèvement sur leSahara (Maricorena et al., 1997). Les images Meteosat-65deg.E IR devraientêtre disponibles à partir de Juillet 1998. Elles seront analysées au LOA suivant la méthode de Legrand et al. (1994) (cf action de Tanré). L'indice de poussières est dérivé du refroidissement apparent de la surface causé en milieu de journée par la présence d'aérosols en suspension, par rapport à une image de référence chaude sur la période. Elles seront utilisées pour une validation finale sur cinq mois types. La source développée pourra être utilisée en 1999 pour la modélisation 3D du transport des aérosols minéraux pendant la période INDOEX (cf actions de Balkanski et de Cautenet).

Résultats obtenus. Au-delà de l'intérêt direct pour la campagne INDOEX, cette demande s'inscritégalement dans la démarche plus générale du LISA visant àétablir une source globale de poussières pour les modèles globaux. Cette source est opérationnelle pour le Sahara occidental depuis deux ans (Marticorena et Bergametti, 1996; Marticorena et al., 1997) et aété introduite dans le modèle de transport d'aérosols TM2 du CFR-LMCE (Balkanski et al., 1996).Récemment, dans le cadre du projet Européen MEDUSE, une extension couvrant la partie orientale du Sahara (principalement Libye, Egypte et Soudan) a été réalisée. Par ailleurs, des paramétrisations complémentaires (humidité de sols et prise en compte de la végétation) ont permis d'étendre le modèle à la zone sahélienne (Fécan et al., soumis). Enfin, la collaboration établie lors du séjour qu'a effectué D.A. Gillette durant trois mois au LISA, devrait déboucher à courte échéance sur l'élaboration d'une caractérisation des sources pour les zones semi-arides d'Amérique du Nord (Marticorena et al., 1997b). Les observations satellitaires d'aérosols (AVHRR, Husar et al., 1997; TOMS, Herman et al., 1997) sur la région concernée par le programme INDOEX font apparaître la péninsule Arabique comme principale zone-source d'aérosols minéraux vers l'Océan Indien. La phase cartographie des états de surface des zones-sources de poussières initiée en 1997 a donc porté de façon prioritaire sur la péninsule Arabique. Elle a été basée sur la documentation disponibleà l'Institut National de Géographie, complétée par desimages satellites AVHRR pleine résolution de cette région. A ce jour,une cartographie complète de l'Arabie Saoudite a été établie.

Demande financière. Les crédits attribués en 1997 ont été consacrés à la réalisation de la cartographie de l'Arabie Saoudite (mission de Y. Callot de Tours à Paris; frais de consultations documentaires facturés par l'Institut National de Géographie; achats d'images AVHRR et de cartes topographiques). Les crédits attribués pour 98 au titre de l'appel d'offre 97 seront utilisés pour assurer les frais induits par la poursuite de la cartographie (documentation cartographique, frais de consultations, etc ...) et accroître les capacités de stockage nécessaires à la mise en oeuvre des simulations (achat d'un disque dur externe 9Go). Les crédits demandés pour 1998 (44,5 kF) concernent:

-les consommables informatiques: 10 kF

-une mission de vérité-terrain pour le calage quantitatif des paramètres cartographiés (1 billet AR Paris-Ryad à 6000 F, frais de séjour 21j x 763F/j, et location d'1 vehicule tout-terrain 15j x 600F/j): 31 kF

-missions de travail de 2 j pour 1 personne (2 Paris-Tours et 1 Paris-Lille) 3,5 kF

Calendrier. L'ensemble de la péninsule Arabique sera couverte à brève échéance. Les premiers mois de 1998 seront consacrés à la validation des émissions journalières simulées pour la Péninsule Arabique et l'ouest du Moyen-Orient en utilisant les indices d'empoussièrement déduits du canal infra-rouge thermique dans la limite de la fenêtre habituelle de Météosat 6/7, et les indices TOMS. D'autre part l'établissement de la cartographie du Moyen-Orient et de l'Inde sera entreprise et une mission de calage effectuée au moyen-orient. La validation finale sera effectuée fin 1998-début 1998 pour l'ensemble des zones sources cartographiées, grâce aux observations de Météosat 5.

Références pertinentes des proposants.

Balkanski Y., M. Schulz,B. Marticorena, G. Bergametti, W.Guelle, F. Dulac, C. Moulin and C.E. Lambert (1996) Importance of the source term and of the size distribution to model the mineral dust cycle. In The Impact of Desert Dust Across the Mediterranean, S. Guerzoni and R. Chester eds., Kluwer,69-76.

Callot Y. et T. Oulehri (1996) Géodynamique des sables éoliens dans le Nord-Ouest Saharien: Relations entre aérologie et morphologie. Geodin. Acta..

Chiapello I., G. Bergametti, L.Gomes, B. Chatenet, F. Dulac, J. Pimenta and E. Santos-Soares (1995) An additional low layer transport of Sahelian and Saharan dust over the North-Eastern Tropical Atlantic. Geophys. Res. Lett. 22, 3191-3194.

Chiapello I., G. Bergametti, B.Chatenet, P. Bousquet, F. Dulac and E. Santos Soares (1997) Origins of African dust transported over the north-eastern tropical Atlantic.J. Geophys. Res. 102, 13701-13709, 1997.

Fécan F., B.Marticorena and G. Bergametti (soumis) Parameterization of the influence of soil moisture on the aeolian erosion threshold. J. Geophys. Res.,

tx4536Legrand M., C. N'Doumé andI. Jankowiak (1994) Satellite-derived climatology of the Saharan Aerosol. In Passive Infrared Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere II: proc. SPIE 2309, 127-135, D. K. Lynch ed.

Marticorena B. and G. Bergametti(1995) Modeling the atmospheric dust cycle: 1-Design of a soil derived dust production scheme, J. Geophys. Res. 100, 16415-16430.

Marticorena B. and G. Bergametti(1996) Two-year simulations of seasonal and interannual changes in Saharan dust emissions. Geophys. Res. Lett. 23,1921-1924.

Marticorena B., G. Bergametti, B.Aumont, Y. Callot, C. N'Doumé and M. Legrand(1997) Modeling the atmospheric dust cycle: 2-Simulation of Saharan sources, J. Geophys. Res. 102, 4387-4404.

Marticorena B., G. Bergametti, D.A. Gillette and J. Belnap (1997) Factors controlling threshold friction velocity in semi-arid and arid areas of the United States. J. Geophys. Res. 102, 23277-23288.

Personnels impliqués.

Marticorena Béatrice, CR CNRS, LISA/URA 1404, responsable scientifique : 25%

Cartographie des états de surface, algorithmes de conversion des paramètres cartographiés en grandeurs physiques, simulations des émissions, validation des sorties de modèle, interprétation des flux simulés

Bergametti Gilles, DR CNRS, LISA/URA 1404: 10%

Algorithmes de conversion des paramètres cartographiés en grandeurs physiques, validation des sorties

Callot Yann, Professeur, Université deTours/UMR CNRS 183 : 15%

Cartographie des états de surface (traitement des données cartographiques, photos-aériennes et télédétection), vérités-terrain

Legrand Michel, Professeur, LOA/URA 713,USTL : 15%

Traitement des données satellitaires (aérosols), validation des sorties du modèle

Chiapello Isabelle, Chercheur Post-doctorant CNES, LOA/URA 713, USTL : 15%

Intercomparaison sur l'Afrique du Nord, des index d'aérosols déduits de l'IRT Météosat et UV TOMS archivées, pré-validation des sorties du modèle sur l'est du Moyen-Orient et l'Inde à partir des données TOMS.

VII. INTERACTIONS CHIMIE-RAYONNEMENT CLIMAT LIÉES AU CYCLE DU SOUFRE ET APPLICATION À INDOEX

Responsable : O. Boucher, LOA ; laboratoires associés : SA et CFR

Contexte. En dépit des progrès récents réalisés dans la simulation tri-dimensionnelle des aérosols, et notamment des aérosols soufrés, il persiste de grandes incertitudes dans la représentation des effets directs et indirects de ces aérosols. Ce manque de réalisme est dû en particulier à une mauvaise prise en compte des interactions entre la chimie du soufre et la météorologie.

Il est nécessaire pour calculer les forçages radiatifs des aérosols de connaître les variations simultanées des concentrations d'aérosols et de divers paramètres météorologiques (nuages, humidité relative, ...). Seule une approche "on-line", par opposition aux approches"off-line", permet de résoudre ce problème et de fournir l'ensemble des paramètres nécessaires à la prise en compte adéquate des processus de lessivage et de convection (par exemple la distribution verticale de la précipitation ou les flux de masse verticaux).

Objectif. L'objectif scientifique est de décrire et quantifier les interactions aérosols soufrés-rayonnement-climat à l'échelle globale. Le modèle développé sera appliqué àl'expérience INDOEX dans une version zoomée et forcée par des champs analysés.

Stratégie. Il s'agit de poursuivre l'introduction du cycle du soufre (sources, transport, chimie, dépôt sec et lessivage) dans le modèle du LMD-Z, à partir de l'inventaire le plus récent des émissions de SO2, et du module de chimie du soufre développé dans le modèle IMAGES. Les champs d'oxydants seront prescrits. L'année 1998 sera plus particulièrement consacrée à l'amélioration de la chimie en phase aqueuse (oxydation du SO2 par l'ozone et le peroxyde d'hydrogène), de la perte de SO2 sur les sels marins, et du lessivage. En parallèle nous travaillerons sur le schéma d'oxydation du DMS, pour implanter un schéma amélioré dans LMD-Z courant 1999. L'étude des effets radiatifs globaux et l'application de cette modélisation avec un zoom sur la zone INDOEX sera réalisée à partir de fin 1998.

Résultats obtenus. Les paramétrisations des fluxsources, du mélange de couche limite, du transport par l'advection et la convection sont déjà en place dans le modèle de circulation générale LMDZ. Elles ont maintenant été largement testées. Les fichiers des flux sources de SO2 anthropique et naturel et du DMS océanique et terrestre ont été mis au format de LMDZ. Il est à noter que la formulation choisie rend très simple un changement de résolution ou l'utilisation du zoom. L'analyse des effets des sulfates sur la mousson d'été indienne a été finalisée en mode off-line à l'aide du modèle du LMD sur la base de distributions calculées par ailleurs à l'aide du modèle IMAGES. Nous montrons qu'une augmentation importante de la concentration d'aérosols soufrés, comme celle attendue pour la décennie 2050, peut entraîner une modification sensible de la circulation et des précipitations de mousson (Boucher et al., Ann. Geophys., sous presse).

Demande financière. Les crédits 1997 (11 kF) ontété utilisés pour des missions Lille-Paris, des frais de publication et frais de douane sur du matériel informatique importé. Le reliquat est affecté à l'action de K. Suhre qui n'a pas effectué de nouvelle demande. La demande 1998 (46 kF) comprend:

-frais de fonctionnement télématique : 12 kF

-frais de publication: 3 kF

-5 missions d'une journée Lille-Paris ou Paris-Lille : 4 kF

-1 mission à l'EGS, Nice, printemps 1998: 5 kF

-1 mission au workshop WCRP-IGAC on "A comparison of the performance of large scale models in simulating atmospheric sulfate aerosols", Oct. 1998, Nouvelle Ecosse : 10 kF

-1 terminal Tektronix pour le visiteur indien et le post-doc: 12 kF

Par ailleurs un financement d'échanges franco-indien est demandé au CEFRIPA pour les collaborations avec l'IIT Delhi etBombay.

Calendrier. Ce projet est précurseur d'une représentation "on-line" dans un même modèle climatique de l'ensemble des types d'aérosols (aérosols soufrés, désertiques (cf action de Balkanski) et carbonés (cf. action de Liousse)). Le cycle du soufre (chimie et lessivage) sera incorporé dans LMD-Z. début 1998. L'année 1998 sera plus particulièrement consacrée aux premières simulations et à l'amélioration des paramétrisations de la chimie du DMS, de la chimie en phase aqueuse (oxydation duSO2 par l'ozone et le peroxyde d'hydrogène), de la perte de SO2 sur les sels marins, ainsi qu'au processus de lessivage. Le nouveau schéma de DMS sera introduit dans LMDZ courant 1999 (voir aussi action de Legrand). L'étude des effets radiatifs et l'application de cette modélisation dans le cadre d'INDOEX sera réalisée à compter de fin 1998 et pendant l'année 1999. A terme, nous disposerons d'un modèle du cycle de l'aérosol global qui devrait permettre une bonne estimation des effets radiatifs et climatiques des aérosols.

Références pertinentes des proposants.

Baboukas E., J. Sciare, G. Kouvarakis,N. Mihalopoulos, B.C. Nguyen and M.Kanakidou, Sulfur cycle in the Indian Ocean: Rainwater composition at three islands in the southern Indian Ocean, in Proc. 7th Europ. Symp.Physico-Chemical Behaviour of Atmospheric Pollutants on the Oxidizing Capacity of the Troposphere, Venice, Italy, Oct. 2-4, 1996, in press.

Boucher O., H. Le Treut, and M.B. Baker, Precipitation and radiation modelling in a GCM: Introduction of cloud microphysics,J. Geophys. Res., 100:16395-16414, 1995.

Boucher O. and T.L. Anderson, GCM assessment of the sensitivity of direct climate forcing by anthropogenic sulfate aerosols to aerosol size and chemistry, J. Geophys. Res.,100:26117-26134, 1995.

Boucher O. and U. Lohmann, The Sulfate-CCN-Cloud Albedo Effect: A Sensitivity Study Using Two General Circulation Models, Tellus, 47B:281-300, 1995.

Boucher O., GCM Estimate of the indirect aerosol forcing using satellite-retrieved cloud effective droplet radii, J.Climate, 8:1403-1409, 1995.

Boucher O., Aérosols et climat, LaMétéorologie 8e série, no 17, 11-22, mars 1997.

Boucher O., M. Pham and R. Sadourny, General circulation model simulations of Indian summer monsoon with increasing levels of sulphate aerosols, Ann. Geophys., sous presse.

Boucher 0., S.E. Schwartz, T.P. Ackerman, T.L. Anderson,B. Bergstrom, B. Bonnel, P. Chylek, A. Dahlback, Y. Fouquart, Q. Fu, T. Iversen, J.Haywood, S. Kato, S. Kinne, A. Kirkevag, E. Knapp, A. Lacis, I. Laszlo, M. Mishchenko, S. Nemesure, V. Ramaswamy, D. Roberts, P. Russell, M. Schlesinger, G.L. Stephens, R. Wagener, M. Wang, J. Wong and F. Yang, Intercomparison of models representing shortwave radiative forcing by sulfate aerosols, J. Geophys.Res., soumis.

Kanakidou M., F.J. Dentener, and P.J. Crutzen, A Global three-dimensional study of the fate of HCFCs and HFC-134a in the troposphere, J. Geophys. Res., 100:18781-18801, 1995.

Le Treut H., M. Forichon, O. Boucher, and Z.-X. Li,Sulfate aerosol indirect effect and CO2 greenhouse forcing: equilibrium response of the LMD GCM and associated cloud feedbacks, J.Climate, sous presse.

Mihalopoulos N., E. Stephanou, M.Kanakidou, S. Pilitsidis and P. Bousquet, Tropospheric aerosol ionic composition in the Eastern Mediterranean region, Tellus B, 49B:314-326, 1997.

Pham M., J.-F. Muller, G. Brasseur, C. Granier, and G.Mégie, A three-dimensional study of the tropospheric sulfur cycle,J. Geophys. Res., 100:26061-26092, 1995.

Pham M., J.-F. Muller, G.P. Brasseur, C. Granier and G.Mégie, A 3D model study of the global sulphur cycle: Contributions of anthropogenic and biogenic sources, Atmos. Environ.,30:1815-1822, 1995.

Sciare J., E. Baboukas, R. Hancy, N.Mihalopoulos and B.C. Nguyen, Seasonal variation of dimethylsulfoxide (DMSO) in rain-water at Amsterdam island in the southern Indian ocean: Implications for the sulfur cycle, J. Atmos. Chem., sous presse.

Venkataraman C., B. Chandramouli and A. Patwardhan, Anthropogenic sulphate aerosol from India: Estimates of burden and direct radiative forcing, Atmos. Environ., soumis.

Personnels impliqués.

Olivier Boucher, LOA, CR2CNRS; transport convectif, lessivage humide, simulations sur la zone INDOEX, coordination: 50%

Mai Pham, SA, MdC Univ.; écriture du code chimique, paramétrisation de la chimie aqueuse : 30%

Patrick Mercier, SA, post-doc; sources SO2 et DMS, concentration d'oxydants: 30%

Maria Kanakidou, CFR, CR1; modélisation 0-D de la chimie du DMS: 10%

Jean Sciare, CFR, doctorant; modélisation 0-D de la chimie du DMS: 30%

Frédéric Hourdin, LMD, CR2; schéma d'advection, physique LMDzdécouplée : 5%

Chandra Venkataraman; Ass. prof. IIT, Inde, séjour en France : raffinement des sources SO2 sur la zone INDOEX, mesures de sulfates pendant INDOEX: 20%

Nikolaos Mihalopoulos, Ass. prof., Univ. Heraklion; données campagne MARATHON en Atlantique.