En dépit des récents efforts de modélisation (cycle du soufre, aérosols de combustion, aérosols minéraux), il reste beaucoup d'incertitudes sur les distributions spatiales et temporelles des aérosols, ainsi que sur leurs propriétés optiques et thermodynamiques, notamment dans le cas de l'aérosol mélangé. La présente proposition a pour but d'aider à la compréhension des cycles biogéochimiques des principaux constituants du panache d'aérosols venant du sous-continent indien (sulfates, carbone-suie, carbone organique, aérosols minéraux). L'accent est mis sur le transport des aérosols, leur évolution pendant le transport (paramétrisations des processus de lessivage et de transport convectif), et leurs effets radiatifs. Nous espérons que le problème fondamental que pose l'aérosol mélangé pourra être abordé dans une phase ultérieure qui profiterait des connaissances acquises pendant INDOEX. Cette proposition est aussi l'occasion de stimuler la coopération entre les différents groupes français travaillant sur la modélisation des aérosols. Le premier point (étude du transport dans la région d'INDOEX) est déjà engagé dans le cadre d'une réflexion pré-INDOEX (voir également en I.1, le projet d'établissement d'une climatologie de la zone d'INDOEX) ; il devrait aider à la planification de l'expérience. Le second point (modélisation des cycles des aérosols à méso- et à grande échelle) est constitué d'actions en cours ou à venir. INDOEX donnera une unité à ces différents travaux et permettra une validation appropriée des paramétrisations qui sont ou seront développées. Dans le cadre d'une prospective post-INDOEX, nous pourrons aborder les problèmes liés au degré de mélange des aérosols, avec la détermination de leurs propriétés optiques et de leurs effets indirects au niveau des nuages.
1. Etude des trajectoires, des rétrotrajectoires et du transport de traceurs passifs dans la région d'INDOEX (Étude pré-INDOEX)
Armando Babiano, Claude Basdevant, Yves Balkanski, Marine Bonazzola, Olivier Boucher, Victor Duval, Christian Ethe, Frédéric Hourdin, Robert Sadourny
Il s'agit dans un premier temps de comprendre l'histoire des masses d'air qui pourront être rencontrées pendant la campagne INDOEX. Cette étude préalable a un quadruple objectif :
-comprendre la nature des masses d'air de l'hémisphère sud qui vont venir se mélanger aux masses d'air advectées depuis le sous-continent indien. Vérifier que ces masses d'air sont effectivement propres et évaluer l'importance éventuelle d'aérosols provenant de l'Australie,
-comprendre la nature des masses d'air arrivant sur l'Ile de la Réunion et vérifier si les mesures qui y seront effectuées peuvent servir de référence non polluée,
-aider à un choix judicieux du lieu des expériences (lâchers de ballons, trajectoires des avions et des bateaux),
-évaluer la qualité des simulations du transport dans le modèle de circulation générale LMD-Z et éventuellement corriger les défauts du modèle.
Nous proposons d'adopter plusieurs méthodes complémentaires :
-calcul d'ensembles de rétrotrajectoires aboutissant à différents sites de l'Océan Indien (îles de la Réunion, de Malé, et le long des axes supposés de mesures par avions et bateaux), à partir de champs de vent analysés au CEPMMT ou à FSU (Krishnamurti et al., 1997) ou simulés par le modèle de circulation générale LMD-Z (modèle global avec "zoom" focalisé sur l'océan Indien, cf. Sharma et al., 1987), pour des périodes allant de janvier à avril ;
-calcul d'ensembles de trajectoires issus de divers sites de lâchers potentiels de ballons, à partir de champs de vent analysés au CEPMMT ou simulés par le modèle de circulation générale LMD-Z focalisé sur l'océan Indien, pour des périodes allant de janvier à mars. Ces études prépareront les simulations à réaliser pendant les lâchers de ballons d'INDOEX ;
-étude du transport de traceurs passifs émis par diverses sources continentales fictives situées en Inde, en Australie et éventuellement en Asie, à l'aide du modèle de circulation générale LMD-Z ;
-analyse des situations météorologiques synoptiques (vents et précipitations) rencontrées dans le modèle de circulation générale LMD-Z pour la période janvier à avril. Cette analyse devrait être étendue à une évaluation climatologique plus complète des performances de LMD-Z, par référence aux travaux menés en I.1.
Le calcul de rétrotrajectoires permet de connaître l'origine d'une masse d'air mais sans présumer des processus de dissipation. L'étude du transport de traceurs passifs permet au contraire de suivre une masse d'air et de visualiser les processus de dissipation. En ce sens, ces deux approches sont complémentaires. Les outils nécessaires à cette étude préliminaire existent déjà. Le calcul des rétro-trajectoires est effectué au LMCE par inversion des analyses de vent du Centre Européen. Plusieurs schémas de transport ont été introduits dans le modèle LMD-Z. Les deux schémas d'origine (schéma dit de Prather [Prather, 1986] et de pentes [Russel and Lerner, 1981]) sont très précis mais coûteux en temps de calcul et inadaptés au traitement des paramétrisations physico-chimiques des traceurs. Un troisième schéma [Van Leer, 1977], un peu moins précis mais aussi moins coûteux, a été introduit [Hourdin et Armangaud, 1997]. Ce schéma permet d'utiliser des résolutions plus fines ou de transporter un nombre plus important de traceurs (par exemple un ensemble de constituants chimiques).
Les calculs des trajectoires directes seront effectués avec les schémas très précis développés au LMD pour l'étude des propriétés de transport et de dispersion lagrangienne dans les écoulements turbulents bidimensionnels en général, et dans le vortex polaire Antarctique en particulier.
2. Etude couplée météorologique-chimique de processus convectifs et de couche limite à méso-échelle dans la région d'INDOEX
Robert Rosset, Karsten Suhre, Céline Mari, Olivier Boucher
La campagne de mesures INDOEX offre une occasion unique d'étudier de manière interactive la météorologie et la physico-chimie de la convection profonde dans l'ITCZ, de la couche limite propre au sud, et de la couche limite polluée au nord. Dans ce contexte, on se propose d'étudier, à l'aide des modèles Méso-NH et Méso-NH-Chimie, à l'échelle locale et à la méso-échelle, les phénomènes et les processus suivants :
-le transport convectif et l'entraînement dans la troposphère libre des espèces chimiques présentes dans la couche limite, dans les zones d'alizés et dans l'ITCZ,
-les processus d'entraînement et de détraînement au sommet des nuages convectifs et leur impact physico-chimique (e.g. la nucléation d'aérosols sub-microniques),
-le couplage entre dynamique et physico-chimie dans la couche limite au nord et au sud de l'ITCZ, dans le prolongement des programmes ACE-1 et ACE-2.
En plus de ses aspects météorologiques et de chimie en phase gazeuse, cette contribution intégrera comme élément majeur l'évolution des aérosols, notamment dans les deux couches limites marines. Des modules d'aérosols à différents degrés de complexité dans leur granulométrie (spectres ou quelques modes seulement) et leur physico-chimie (sulfates, nitrates, NH3, eau, primaires avec et sans prise en compte d'espèces organiques) seront mis en oeuvre. Ceci passera d'une part par une analyse de processus et d'autre part, par l'insertion de modules d'aérosols paramétrisés dans Méso-NH. Dans ces études, nous bénéficierons des travaux en cours dans ACE-1 et ACE-2. Au-delà de ces études de processus et à méso-échelle, les modélisations dévéloppées et testées dans INDOEX devraient déboucher sur des paramétrisations pour les modèles à grande échelle. Les travaux de modélisation des aérosols à grande échelle décrits plus haut gagneront beaucoup à ces études de méso-échelle. Cette intégration des résultats de Méso-NH concernera plus particulièrement l'entraînement des composés soufrés gazeux et leur éventuelle nucléation dans la troposphère libre, ainsi que l'effet indirect des aérosols sur la microphysique des nuages.
3. Modélisation à grande échelle du cycle des aérosols et autres traceurs et de leur impact radiatif
3.a. Mise en place d'une chimie simplifiée "on-line" du soufre et validation des résultats dans la région d'INDOEX
Olivier Boucher, Maria Kanakidou, Patrick Mercier, Mai Pham, Jean Sciare
La mise en place d'une chimie simplifiée ``en ligne'' du soufre dans un modèle de circulation générale, par rapport aux versions ``hors ligne'' développées dans les modèles de chimie-transport (Pham et al., 1995, Figure 8) se justifie par la nécessité d'accéder à la variabilité spatiale et temporelle des aérosols pour comprendre leurs mécanismes de vieillissement et d'interaction avec les nuages.
En ce qui concerne la chimie en phase gazeuse, le cycle du soufre sera basé sur des champs précalculés de radicaux hydroxyles (OH), de nitrates (NO3), d'ozone (O3) et de peroxyde d'hydrogène. Les émissions incluront les émissions continentales de SO2 et d'autres constituants, et les émissions océaniques de DMS. Un travail de mise à jour du schéma chimique du soufre, et en particulier de l'oxydation du DMS, est en cours ( J. Sciare, étudiant en thèse au CFR) pour utilisation dans les modèles globaux. Ce schéma chimique amélioré sera incorporé dans le modèle du LMD. Dans un premier temps donc, la chimie de OH et des oxydes d'azote NOx restera découplée de celle du soufre.
Les paramétrisations de la chimie en phase aqueuse restent à définir mais devront être couplées aux paramétrisations physiques des nuages déjà existantes dans LMD-Z. Elles feront intervenir l'oxydation du SO2 dissous par l'ozone et par le peroxyde d'hydrogène. Le transport convectif des différentes espèces chimiques est traité grâce au schéma de flux de masse de Tiedtke récemment introduit dans le modèle.
Les mesures réalisées durant INDOEX serviront à la validation des paramétrisations proposées. Les champs simulés de DMS, de SO2 et de sulfates, ainsi que les taux de dépôt, seront comparés de manière exhaustive aux mesures avion, sol et bateau (cf. ci-dessous). Afin d'offrir la meilleure base possible pour l'exercice de comparaison avec les mesures, plusieurs simulations avec différents états initiaux seront réalisées et les simulations se rapprochant le plus des analyses météorologiques produites par Krishnamurti et al. (1997) seront utilisées. Un zoom sur la région d'INDOEX est également envisagé. Ce projet ouvre la voie aux études d'interaction chimie-climat, à une meilleure prise en compte des interactions aérosols-nuage et des effets radiatifs des aérosols dans les modèles climatiques.
Les mesures suivantes seront utilisées pour la validation :
-Mesures avion : Profils verticaux de la concentration de sulfate en excès (C-130)
-Mesures sol : Concentration de sulfate en excès (Ile de Malé, Maring, Savoie and Prospero)
-Mesures bateau : Concentration de sulfate en excès et granulométrie (R/V Sonne, Dickerson), Concentration de MSA (RV/Sonne, Dickerson), Concentration de DMS, SO2 et (H2SO4)g (R/V Sonne, Moeller)
3.b. Etude à l'aide de TM2z du transport des aérosols de combustion dans la région d'étude d'INDOEX
Cathy Liousse
La campagne INDOEX offre une possibilité unique de valider les paramétrisations des sources de l'aérosol de combustion dans cette région en grande mutation. Parmi les sources de combustion, il en est deux qui sont pour l'instant très peu connues mais d'une importance croissante : les feux domestiques et les feux agricoles. Ces sources figurent dans des inventaires existants mais de façon insatisfaisante par manque d'étude de terrain.
Une fois le schéma de ces sources validé, nous étudierons à l'aide de TM2z et en effectuant un zoom sur la zone d'étude d'INDOEX, le transport des aérosols de combustion émis par les combustibles fossiles et les divers feux de végétation. Nous pourrons ainsi comparer les concentrations de carbone suie et de carbone organique simulés par le modèle à celles mesurées pour différents sites (voir proposition française pour le volet expérimental).
Couplant notre étude à celles du soufre et des poussières, des cartes d'épaisseur optique et d'albédo de diffusion pourront être obtenues. Enfin, nous envisageons de calculer l'impact radiatif des aérosols de combustion dans cette région par un travail collaboratif avec le modèle du LMD prenant en compte les climatologies d'aérosols obtenues avec TM2z.
Les mesures utilisées dans cette étude seront :
-Mesures des concentrations d'aérosols carbonés et du rapport carbone total sur carbone suie sur l'île de Malé, le site de l'île de la Réunion et le bateau R/V Sonne,
-Mesures d'aérosols carbonés dans les précipitations (Ile de Malé et bateau R/V Sonne).
3.c. Etude des sources d'aérosols minéraux dans la zone d'INDOEX et de leur transport au-dessus de l'Océan Indien
Yves Balkanski, Gilles Bergametti, Yves Callot, Isabelle Chiapello, Michel Legrand, Béatrice Marticorena
La difficulté de la prise en compte des aérosols par les modèles de transport résulte en grande partie de leur temps de résidence court et de l'hétérogénéité spatiale et temporelle de leurs émissions. Il est donc nécessaire de disposer de modules d'émission adaptés aux temps caractéristiques impliqués. Le LISA est engagé dans le développement de tels modules depuis plusieurs années. Nous visons à utiliser les compétences existant sur les poussières désertiques afin de fournir une représentation satisfaisante des sources d'aérosols minéraux pour la zone concernée par la campagne INDOEX. L'un des objectifs de la campagne internationale est de quantifier l'effet radiatif direct et indirect des aérosols troposphériques. Un modèle d'émissions de poussières minérales, basé sur une représentation physique des phénomènes mis en jeu, a été développé au LISA . Ce modèle associé à une cartographie des états de surface des zones arides et semi- arides, autorise une représentation fine dans le temps et dans l'espace des émissions de poussières.
La modélisation des émissions de poussières minérales susceptibles d'être transportée dans la zone d'étude de la campagne expérimentale INDOEX suppose d'associer le modèle développé à une cartographie des états de surface des zones d'émission intéressant la région d'étude (Péninsule arabique, Moyen-Orient, sous-continent indien).
Ce travail nécessite l'établissement, sur une maille de
1
x1, d'une cartographie qualitative des états de surface dans
ces régions. Celle-ci sera établie à partir de documents divers
(cartes topographiques, géologiques, photographies aériennes,
données satellitaires, monographies...) et recalée d'un point de
vue quantitatif grâce à une mission de terrain.
Les premières simulations réalisées pour des situations typiques
seront comparées à des données satellitaires, afin d'identifier
d'éventuelles zones de désaccord puis de revenir sur la
cartographie en agglomérant des informations supplémentaires.
Ce travail est assez long et doit être engagé bien avant la campagne si l'on veut pouvoir disposer d'une source précise et validée en 1999. Des observations préliminaires du transport d'aérosols minéraux sur la région concernée par la programme INDOEX font apparaître la péninsule Arabique comme principale zone-source de ces poussières. La phase cartographie des états de surface des zones-sources de poussières a donc porté de façon prioritaire sur la péninsule Arabique. Elle a été basée sur la documentation disponible à l'Institut National de Géographie, complétée par des images satellites AVHRR pleine résolution de cette région. A ce jour, une cartographie complète de l'Arabie Saoudite a été établie. L'ensemble de la péninsule Arabique devrait être couverte à échéance de quelques mois.
Nous nous consacrerons ensuite 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 METEOSAT 6/7 et d'autre part à l'établissement de la
cartographie du Moyen-Orient et de l'Inde et à son calage par une mission
de terrain. Le déplacement du capteur METEOSAT 5 vers 65E
va permettre la mise a disposition d'un produit équivalent pour les zones
sources situées plus à l'est (Moyen-Orient, Inde). Cependant, en raison
des délais de déplacement du capteur, nous ne disposerons d'une
couverture globale des zone-sources de poussières d'intérêt pour
la campagne INDOEX, qu'à partir de juillet 98 environ. Un délai
supplémentaire de quelques mois est en outre nécesaire à
l'obtention d'un jeu de données significatif et utilisable en
terme de validation des simulations des émissions de poussières.
Aussi, afin d'initier plus rapidement la phase de validation,
nous proposons de réaliser une première qualification des données
cartographiées, en utilisant les indices d'aérosols déduits des
mesures UV TOMS archivées. Pour ce faire, une intercomparaison
préalable entre les index d'aérosol tirés de TOMS et ceux déduits
des observations dans le canal IR METEOSAT sera réalisée sur
l'Afrique du Nord. La validation finale sera effectuée pour une
période de cinq mois postérieure à juillet 98, grâce aux
observations de METEOSAT 5.
Le LMCE a introduit un module d'aérosol dans le modèle de transport off-line TM. Le transport des poussières désertiques utilisant le modèle d'émission du LISA a été validé par comparaison aux données satellitaires METEOSAT (Schulz et al., 1996a,b ; Balkanski et al, 1996). Les bonnes corrélations obtenues entre épaisseurs optiques dérivées du satellite et calculées par le modèle ont montré que le modèle de source du LISA, et le traitement de la distribution en taille de l'aérosol contribuent tous deux à cet accord. Nous proposons d'étudier la distribution des aérosols minéraux pendant la campagne INDOEX et d'interpréter cette distribution par rapport aux images satellitaires (METEOSAT) qui seront acquises en temps réel.
3.d. Validation des paramétrisations de lessivage et de transport convectif dans les modèles
Olivier Boucher, Yves Balkanski, Mai Pham
La campagne INDOEX offre une possibilité unique de valider les paramétrisations de lessivage et de transport convectif de traceurs dans les modèles. On peut envisager deux types de validation. La première est basée sur les données in-situ (analyses des concentrations d'aérosols dans l'air et dans les précipitations) qui permettront une validation directe des paramétrisations et des paramètres utilisés dans le lessivage. La seconde validation est plus indirecte mais tout à fait appropriée à notre problème. Les gradients latitudinaux (entre l'Inde et l'ITCZ) des différents types de traceurs et d'aérosols fournis par les bateaux à la surface et par les avions dans la troposphère seront comparés à ceux obtenus dans les modèles. De même, les profils verticaux d'aérosols mesurés par avion seront comparés à ceux obtenus dans les modèles. Ceci offre donc une validation à plus grande échelle des paramétrisations.
3.e. Expériences radiatives de fermeture (Prospective post-INDOEX)
La modélisation de tous les types d'aérosols étant abordée parmi les différents groupes français, il sera possible de réaliser une expérience de fermeture concernant le forçage direct des aérosols. La somme des épaisseurs optiques obtenues par l'ensemble des modèles (aérosols soufrés, aérosols carbonés, aérosols minéraux) sera comparée aux épaisseurs optiques mesurées (cf. ci-dessous). Le forçage radiatif des aérosols sera ensuite calculé en utilisant soit des propriétés optiques d'aérosols mesurées, soit les propriétés optiques des aérosols couramment utilisées dans nos modèles. Ce travail permettra donc de prédire de manière précise l'effet radiatif direct des aérosols dans la région d'INDOEX.
Les mesures utilisées seront :
-Propriétés optiques des aérosols pour contraindre les modèles,
-Epaisseur optique des aérosols mesurée par les différents instruments satellitaires (MODIS, METEOSAT, et peut-être INSAT),
-Epaisseur optique des aérosols mesurée par les instruments CIMEL (Tromelin, Ile de la Réunion, Ile de Malé) et la station sol du LOA,
-Distribution verticale en aérosols le long des transects échantillonnés par le lidar Léandre à bord du Mystère-20,
-Flux radiatifs et forçages radiatifs mesurés par les avions lors des exercices de fermeture.
3.f. Appréhension des processus intervenant dans la formation des mélanges d'aérosols dans le panache venant du sous-continent indien et de l'effet indirect des aérosols (Prospective post-INDOEX)
La campagne de mesure INDOEX devrait permettre d'appréhender les processus intervenant dans la formation des mélanges d'aérosols. Il convient d'aborder ce problème en établissant, à partir des mesures qui seront réalisées, l'importance relative des processus (i) de coagulation, (ii) de condensation des précurseurs gazeux sur les aérosols préexistants (ou aérosols primaires), et (iii) de modification de composition des aérosols résultant de leur passage dans les nuages (cycles condensation/évaporation).
En ce qui concerne ce dernier processus, l'idée consiste à considérer que les aérosols solubilisés dans une goutte vont recristalliser lors de l'évaporation sur les particules insolubles incorporées par impaction. Les structures de cristallisation devraient suivre les lois de la thermodynamique et les espèces formées correspondre au minimum d'enthalpie. Des simulations de cette nature basée soit sur des incorporations d'aérosols soit sur des analyses d'eau de pluie (fournissant la composition de la phase aqueuse) peuvent facilement être réalisées. La sortie d'un tel modèle thermochimique serait la composition de la particule support et la nature des dépôts cristallins formés. L'évaluation du degré de réalisme de ce modèle chimique pourrait aisément être apportée par des analyses de particules au microscope électronique couplé à une microanalyse chimique. INDOEX permettra également de déterminer l'importance du degré de mélange (interne/externe) des aérosols en relation avec l'effet indirect. Des activités de modélisation à l'aide des modèles LMD-Z et TM2z pourront alors être envisagées.
LABORATOIRES ET PERSONNES IMPLIQUES DANS INDOEX/MODELISATION
Centre des Faibles Radioactivités, CEA/CNRS
Maria Kanakidou, Cathy Liousse, Jean Sciare
Laboratoire d'Aérologie, Toulouse
Robert Rosset, Karsten Suhre, Céline Mari
Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques, Paris
Bernard Aumont, Gilles Bergametti, Béatrice Marticorena
Laboratoire de Météorologie Dynamique du CNRS, Paris
Armando Babiano, Claude Basdevant, Marine Bonazzola, Victor Duval, Frédéric Hourdin, Robert Sadourny
Laboratoire de Modélisation du Climat et de L'Environnement, CEA, Saclay
Yves Balkanski
Laboratoire d'Optique Atmosphérique, Lille
Olivier Boucher, Isabelle Chiapello, Michel Legrand
PRODIG, Université de Tours
Yves Callot
Service d'Aéronomie, Paris
Patrick Mercier, Mai Pham
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