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CAPT - Chimie Atmosphérique Processus Tendances

« Comprendre et quantifier le bilan régional et global de l'ozone et de ses précurseurs »

L'atmosphère est le point central de nombreuses questions environnementales auxquelles est confrontée notre société actuelle. Le changement climatique, la dégradation de la qualité de l'air et des écosystèmes dépendent étroitement de la chimie de l'atmosphère. La compréhension fine de la chimie atmosphérique repose sur des observations in-situ ponctuelles associées à des campagnes de terrain, des observations sur le long-terme via des réseaux d'observation ou encore sur des observations satellitaires. L'ensemble des processus atmosphériques est intégré dans des modèles atmosphériques plus ou moins sophistiqués permettant de suivre l'évolution de la chimie de l'atmosphère depuis l'échelle locale jusqu'à l'échelle du globe terrestre, à l'échelle de l'évènement ou sur plusieurs décennies.

L'équipe Ozone et Précurseurs (O3P) développe des expertises nécessaires à la compréhension de la chimie atmosphérique et notamment celle contrôlant le bilan de l'ozone, molécule phare pour son rôle avéré en tant que gaz à effet de serre et polluant nocif à la santé des populations. L'équipe regroupe des compétences complémentaires en modélisation, techniques de la mesure in-situ, analyse satellite, dynamique et chimie de l'atmosphère couvrant la méso-échelle et l'échelle globale, de la troposphère jusqu'à la basse stratosphère.

Le projet de l'équipe est orienté vers la connaissance de la variabilité interannuelle et des tendances de l'ozone et du monoxyde de carbone au travers d'études de processus clés et d'estimation du bilan de ces molécules dans l'environnement terrestre actuel sur des zones choisies (Europe, Asie, Afrique). Elle s'appuie sur le développement de nouveaux outils numériques eulériens et lagrangiens semi-opérationnels et de nouvelles paramétrisations issues de la synergie entre modélisation méso-échelle et globale. L'équipe soutient des projets innovants sur de nouveaux logiciels de restitution rapide des données satellite. Ce projet est porté et structuré par les deux services d'observations, MOZAIC-IAGOS et PAES que l'équipe coordonne.

« Estimer les tendances et la variabilité interannuelle de la composition chimique de l'atmosphère »

« Observer et modéliser l'évolution chimique de la surface à la basse stratosphère »

Axe 1. Transport et évolution chimique de la surface à la basse stratosphère

L'équipe s'investit en priorité sur l'étude de certains processus intervenant dans le bilan de l'ozone troposphérique: le pompage orographique, la dynamique et la chimie des feux de forêt et la convection nuageuse. Si chaque processus requiert une expertise dédiée, l'équipe s’appuie sur une méthodologie et des outils communs. Cette méthodologie s'appuie sur la synergie entre modèle mésoéchelle utilisé à haute résolution (généralement subkilométrique), modèle global, utilisation systématique d'un modèle lagrangien et observations in-situ.

Le pompage orographique

Les zones montagneuses sont le lieu de circulations à petite échelle (brises thermiques, convection favorisée) qui, aux heures chaudes de la journée, entrainent un pompage vertical intense de l'air des basses couches vers la troposphère libre. Le pompage orographique est susceptible de modifier significativement la composition et la chimie de la basse troposphère dans le sillage des massifs montagneux, et ce jusqu'à l'échelle intercontinentale. L'équipe travaille au développement d'un schéma sous-maille du pompage orographique à destination des modèles globaux de chimie-transport. Le modèle Méso-NH à l'échelle sub-kilométrique sert de référence pour le développement et la validation de la paramétrisation. Ce travail s'appuiera sur les données récoltées par le réseau PAES et les données satellites de type IASI pour les applications sur la zone Asie.

Les feux de forêt et les volcans

L'impact des feux de forêt ou des volcans sur la composition chimique de l'atmosphère dans l'environnement proche de la source et sous le vent de la source à l'échelle régionale puis globale est intimement liée à la connaissance de la dynamique du feu ou du volcan et de ses interactions avec la météorologie, par exemple en terme de hauteur d'injection. L'équipe s'investit dans le couplage feu/aérologie/chimie des modèles de feu Forefire (développé par l'Université de Corte) et Méso-NH. L'objectif est de construire un système validé de simulation des grands incendies à haute résolution prenant en compte le couplage et les rétroactions entre combustion, dynamique de propagation et météorologie. Ce travail s’appuie sur des campagnes de brulages dirigés. L'équipe investit également la problématique de la représentation des panaches émis par les volcans avec une application sur l'activité volcanique de l'Ile de la Réunion. Le passage vers l'échelle globale de ces sources sous-maille nécessite des approches alternatives comme des paramétrisations de la couche limite convective, aptes à représenter l'effet hétérogène des thermiques initiées par le feu ou le volcan à l'échelle de la maille.

La convection nuageuse

La convection nuageuse contribue au transport vertical depuis la couche limite vers la haute troposphère-basse stratosphère. La convection nuageuse est également une source d'oxyde d'azote par les éclairs, un puits pour les espèces chimiques solubles et une source potentielle d'aérosols secondaires organiques. Sur ces questions, deux approches complémentaires sont privilégiées. La première repose sur l'utilisation des modules d'électrisation, de lessivage et de chimie aqueuse développés dans Méso-NH. Le modèle utilisé à haute résolution est exploité sur des campagnes dédiées passées (AMMA, STERAO, ...) ou à venir (DC3, SEAC4RS...). De l'utilisation de Méso-NH à l'échelle de la convection résolue sont extraits des diagnostics exploitables pour l'échelle de la convection paramétrée (dans Meso-NH et GEOS-Chem).

Axe 2.Bilans à l'échelle globale: O3 et CO

L'équipe O3P poursuit ses avancées sur le bilan de l'ozone et du monoxyde de carbone. L'équipe dispose de plusieurs atouts pour réaliser cet objectif: une expérience dans l'intercomparaison des modèles globaux avec des 'observations semi-opérationnelles' (programme MACC-GMES), l'expertise des données MOZAIC-IAGOS et PAES, l'implication dans l'exploitation des données satellites IASI/Metop et l'exploitation de modèles globaux et lagrangiens.

Identification de l'origine des masses d'air à l'échelle du globe

L'objectif est de tracer le portrait de l'origine des masses d'air observées par MOZAIC-IAGOS en se basant sur une identification systématique de l'origine spatiale, du processus de transport prépondérant et de l'âge des masses d'air. Cette classification reposera sur la modélisation lagrangienne multi-variables du modèle FLEXPART initialisé sur les observations aéroportées. Une application systématique de cette classification permettra de documenter l'historique des masses d'air dans la haute troposphère-basse stratosphère (zone d'échantillonnage privilégiée des avions MOZAIC-IAGOS) à l'échelle globale et des colonnes troposphériques sur les aéroports les mieux échantillonnés.

Sensibilité aux sources naturelles et anthropiques

Les modèles globaux de chimie-transport sont des outils incontournables pour accéder à une estimation du bilan de l'ozone à l'échelle globale. Le projet européen MACC-GEMS permet de poser les bases d'une stratégie d'intercomparaison de modèles de grande échelle dans leurs différentes versions (couplage avec IFS, assimilation multi-molécules et multi-satellite) avec des observations semi-opérationnelles. Cette approche est actuellement systématisée pour tester la sensibilité de la représentation de l'ozone et du monoxyde de carbone dans ces modèles aux émissions de surface, à l'assimilation et au forçage stratosphérique en confrontation avec les données MOZAIC-IAGOS et PAES. Il est prévu de tirer partie de cette approche systématique pour retravailler sur des signatures extrêmes comme les anomalies de 1998-1999, la canicule 2003 en Europe, les feux sibériens du printemps-été 2003, les feux canadiens de l'été 2004, les maxima d'ozone au dessus de la méditerranée et du moyen orient qui ont déjà fait l'objet d'études dédiées dans le groupe. Les outils privilégiés sont les modèles MOCAGE-PALM et GEOS-Chem déjà utilisés dans l'équipe et les modèles du programme MACC.

Le transport intercontinental dans le bilan global de O3 et du CO

L'objectif est d'identifier les principaux axes de transport intercontinental, leur saisonnalité et le vieillissement des masses d'air associés à ce transport. Pour réaliser cet objectif, l'équipe s'appuie sur la complémentarité de ses outils et de ses compétences en modélisation globale, modélisation lagrangienne, assimilation, satellites (IASI) et observations aéroportées. Les recherches se concentrent sur des zones ateliers particulières. L'Anticyclone de la Mousson Asiatique est un vecteur privilégié de piégeage de la pollution asiatique dans la haute troposphère-basse stratosphère qui pose aussi la question du rôle du forçage orographique dans le soulèvement au dessus du plateau tibétain des masses d'air polluée. Cette action bénéficie des nouvelles mesures aéroportées du programme MOZAIC-IAGOS en Asie, des données satellites MOPITT, MLS, IASI et de la disponibilité d'un schéma chimique linéarisé de O3 et CO dans le modèle MOCAGE-PALM permettant des applications numériques plus rapides qu'un modèle de chimie transport complet. L'origine et le transport des anomalies d'ozone observées au dessus du continent africain par l'avion MOZAIC-AIR NAMIBIA est un second axe d'étude. La discrimination des processus influençant la variation saisonnière de l'export depuis le continent nord-américain vers l'Europe est couverte par la modélisation globale avec GEOS-Chem et les données MOZAIC-IAGOS.

Axe 3. Variabilité interannuelle et tendances.

La disponibilité de séries longues d'observations de l'ozone et du monoxyde de carbone par les programmes MOZAIC-IAGOS et PAES encourage à dépasser des études de type épisodiques ou liées à des campagnes ponctuelles pour aller vers une analyse plus systématique et sur le long terme des anomalies observées, de leur impact radiatif donc climatique.

A partir de 2013, la base de données MOZAIC-IAGOS offre au moins 18 ans de mesures d'ozone et 11 ans de mesures de CO dans la troposphère et la région critique haute troposphère-basse stratosphère. Une des missions prioritaires de l'équipe est d'évaluer les variabilités interannuelles et de dégager les premières tendances de ces composés. Compte tenu de nos résultats passés, l'équipe privilégie deux approches complémentaires qui consistent à évaluer les colonnes troposphériques d'une part et les distributions dans la zone haute troposphère-basse stratosphère d'autre part, majoritairement aux latitudes moyennes de l'hémisphère nord. L'objectif est de caractériser les causes de l'augmentation d'ozone et la pressentie diminution du CO. Des études sur les origines possibles des anomalies à l'intérieur des séries temporelles sont privilégiées qui incluent les régimes de temps, le contenu et la dynamique de la stratosphère et les émissions en surface. Le décryptage des origines de la variabilité interannuelle et des tendances nécessite l'utilisation d'un modèle à l'échelle globale bénéficiant d'une bonne représentation de la stratosphère (CEPMMT, ARPEGE puis MOCAGE et/ou IFS-MOZART).

L'objectif est de quantifier l'impact de l'ozone sur le bilan radiatif terrestre pour évaluer les incidences des anomalies d'ozone, par exemple dans la haute troposphère-basse stratosphère sur le bassin méditerranéen ou au Moyen Orient, sur la modification des températures de surface et sur le bilan d'énergie en surface. Une priorité sera donnée à l'estimation de l'impact des anomalies persistantes d'ozone dans la haute troposphère-basse stratosphère dans les zones de subsidences, à partir de modèles climatiques capables de reproduire au mieux de longues séries temporelles d'ozone observées par la climatologie MOZAIC-IAGOS.

Le service d'observation PAES dispose de 16 ans de mesures O3 continues au Puy de Dôme, et 11 ans au Pic du midi, et de 8 ans de mesures de CO sur ces deux sites. Ces données uniques permettent d'amorcer les premières études de tendances de l'ozone et du monoxyde de carbone dans la basse troposphère.

Responsable

Brice BARRET, CR CNRS

Chercheurs

François GHEUSI Phys. Adj. CNAP        (resp. SO PAES) 50%
Alma HODZIC CR CNRS  
Maud LERICHE CR CNRS  
Céline MARI DR CNRS  
Bastien SAUVAGE MC Univ Toulouse  
Valérie THOURET Phys. CNAP      (resp. SO MOZAIC-IAGOS)  
     

ITA

Gilles ATHIER IR CNRS  
Jean-Marc COUSIN IE CNRS  
Eric LE FLOCHMOËN IR CNRS  
Philippe NEDELEC IR CNRS  
Damien BOULANGER IR UMS OMP  
Romain BLOT IR CNRS  

Doctorants

Yann COHEN
Fabien BROSSE

CDD

Hervé PETETIN
Hannah CLARK
Flore TOCQUER

IAGOS (In Service Aircraft for a Global Observing System: http://www.iagos.fr) est une Infrastructure de Recherche Européenne qui opère un réseau d'observations à long terme de la composition de l'atmosphère (gaz traces réactifs, gaz à effet de serre, aérosols et particules nuageuses) à l'échelle globale à partir d'une flotte d'avions commerciaux qui embarquent de l'instrumentation pour de la mesure de routine et in-situ.

IGAS (IAGOS for the GMES Atmosphere Service: http://www.bgc-jena.mpg.de/bgc-systems/pmwiki2/pmwiki.php/Staff/IGAS) est la composante in-situ du programme européen GMES (Global Monitoring for Environment and Security) . Ce programme a pour objectif la délivrance en temps quasi-réel des données délivrées par MOZAIC-IAGOS et la validation des observations IASI pour l'intégration dans le programme GMES de surveillance de l'atmosphère terrestre.

Le service d'observation PAES (Pollution Atmosphérique à l'Echelle Synoptique) documente et met à disposition de la communauté scientifique les variations temporelles des concentrations des constituants gazeux O3, CO et de composés azotés sur les zones peu couvertes par les réseaux de mesure notamment en troposphère libre et/ou loin des sources de pollution directe ( http://paes.aero.obs-mip.fr/).

Le programme MISTRALS (Mediterranean Integrated STudies at Regional And Local Scales: http://www.mistrals-home.org), dédié à l'étude multidisciplinaire de la région méditerranéenne, fédère des études géophysiques (océan, atmosphère et surface continentale) et des études d'impact (anthropisation de la région euro-méditerranéenne, …). L'équipe est particulièrement investie dans l'instrumentation et l'exploitation des données du site Corsica au Cap Corse et dans la mise en œuvre des campagnes aéroportées et ballons du programme CHARMEX (http://charmex.lsce.ipsl.fr/).

Le projet ANR-IDEA (Incendies, de la combustion aux émissions atmosphériques) est consacré à l'étude des feux de forêt depuis l'échelle de la flamme jusqu'à celle des grands incendies ( http://anridea.univ-corse.fr).

Le projet ANR-CUMULUS (Chimie organique Multiphasique des nuages troposphériques) est dédié à l'étude de la formation des aérosols secondaires organiques dans la phase aqueuse.

Le projet IASI-Chimie du programme TOSCA financé par le CNES coordonne les efforts à l'échelle nationale pour la restitution et l'exploitation des données du sondeur IASI. L'équipe travaille depuis 2008 au développement d'un algorithme pour la restitution de profils de CO et d'O3 à partir des radiances mesurées par ce sondeur nommé SOFRID (Software for a Fast Retrieval of IASI Data). L'équipe développe également des outils de validation des données IASI CO et O3 à partir des données aéroportées MOZAIC-IAGOS. L'équipe s'implique également dans la définition du futur sondeur IASI-NG (Nouvelle Génération) qui devrait être lancé en 2017.

L'équipe participe à l'élaboration et l'analyse du programme SEAC4RS ( http://espo.nasa.gov/missions/seac4rs/content/SEAC4RS_Home_Page) dont la NASA est maitre d'oeuvre. Le projet de l'équipe porte sur les processus convectifs responsables du transport des polluants de la couche limite jusqu'à la haute troposphère pendant la mousson asiatique en s'appuyant sur des observations spatiales (IASI, TRMM), les nouvelles observations IAGOS sur la zone Asie et sur la modélisation méso-échelle.

Nationaux:

Laboratoire des Sciences Pour l’Environnement (Corte), CERFACS, Centre National de la Recherche Méteorologique (Meteo-France), Laboratoire de Physico-Chimie de l'Atmosphère (Université du Littoral Côte d’Opale), Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (Paris), Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (Paris), Laboratoire de Météorologie Physique (Université Blaise Pascal),Centre National des Etudes Spatiales (CNES), Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE), Laboratoire d'Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (LERMA)

Internationaux

Allemagne : DLR, Juelich, MPI-Mainz, MPI-Jena, KIT, IFT

Portugal : Université d'Aveiro

Royaume-Uni : Université de York, Université de Leeds, Université de Manchester

Amérique du Nord : NCAR (États-Unis), Université de Harvard (États-Unis), Dalhousie University (Canada)

Amérique du Sud: INPE (Brésil)

Asie: NPL Delhi

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