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L'aérosol de combustion dans une région en grande mutation, l'Asie. Laboratoire dAérologie / OMP Université Paul Sabatier Toulouse III Christelle Michel.

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1 L'aérosol de combustion dans une région en grande mutation, l'Asie. Laboratoire dAérologie / OMP Université Paul Sabatier Toulouse III Christelle Michel

2 Plan de lexposé 1)Laérosol de combustion en Asie: introduction 2)Élaboration dun inventaire démission de feux de biomasse: ABBI (Asian Biomass Burning Inventory) 3)Simulation MésoNH-C-ORISAM pendant ACE-Asia 4)Tests de sensibilité 5)Conclusions perspectives.....

3 L aérosol carboné : définition Ses composantes : primaire : Black Carbon ou carbone suie (BC) et Carbone Organique (OC p ) secondaire : Carbone Organique (OC sec ) Composantes ayant un impact important sur le climat: Forçage radiatif moyen au sommet de latmosphère [IPCC 2001]

4 Formation des aérosols espèces condensables : SOA, H 2 SO 4, HNO 3, H 2 O… transformations chimiques Précurseurs volatils : SO 2, NO x, NH 3, COV Trafic routier, émissions industrielles, urbaines, feux (biofuels, incendies) … COV biogéniques : Monoterpènes Emissions par les couverts forestiers de Composés Organiques Volatils Transport / Vieillissement Dépôts (sec et humide) Aérosols primaires BC, OC, sels marins, poussières nucléation Aérosols condensation / absorption / adsorption / coagulation

5 Impacts des aérosols de combustion Impact radiatif Rayonnement solaire Impact sanitaire Particules toxiques Noyaux de condensation pour les nuages Asian Brown Cloud au dessus de la Chine (UNEP/NASA): Couche de pollution de 3 km dépaisseur qui recouvre lAsie du Sud- est, la Chine et lInde.

6 Le carbone en Asie? Grande diversité daérosols: anthropiques et biogéniques. Plus de charbon et de biomasse brûlée quen Europe ou USA Pays en voie de développement industriel: combustion de fuels fossiles Pays en grande mutation (croissance démographique + industries)

7 La campagne ACE-Asia (mars-mai 2001) Améliorer notre compréhension de limpact des aérosols atmosphériques sur le système climatique terrestre. ACE-Asia: Aerosol Characterization Experiment in Asia Documenté par: Réseaux de stations sol Mesures aéroportées (avions: C-130, Twin-Otter) Télédétection depuis le sol (lidar) Mesures bateau (R.H. Brown) Mesures satellitales (TERRA, SeaWiFs, AVHRR) Mon objectif: élaborer un inventaire démissions issues des feux de végétation, inventaire inexistant pour létude de la campagne.

8 Plan de lexposé 1)Laérosol de combustion en Asie: introduction 2)Élaboration dun inventaire démission de feux de biomasse: ABBI (Asian Biomass Burning Inventory) Méthode des surfaces brûlées Résultats 3)Simulation MésoNH-C-ORISAM pendant ACE-Asia 3)Tests de sensibilité 4)Conclusions perspectives.

9 ABBI: Asian Biomass Burning Inventory Objectifs: Construire un inventaire démissions de gaz et particules émis par les feux de végétation en Asie durant la campagne ACE-Asia : 1 er Mars – 15 Mai 2001 Pourquoi utiliser les données satellites? Observations nombreuses et répétées dans le temps et lespace Disponibilité de longues séries: passées et futures Fréquences des observations Cohérences spatiales et temporelles de données Faible coût (comparé aux observations sols)

10 Pourquoi utiliser la cartographie des zones brûlées au lieu de la détection des évènements de feux (pixels de feux actifs)? Minimiser leffet de léchantillonnage temporel: signature spectrale durable/instantanée Un premier pas vers une évaluation de la surface végétale effectivement brûlée. SPOT-VEGETATION imagery Vue dhélicoptère Feux actifs Fumées Surfaces brûlées

11 Forte incertitude liée aux cartes de feux actifs (dérivés de NOAA-AVHRR) zoom 22/04/01: Landsat TM 26/04/01 : SPOT-Vegetation 20 – 29 April 2001 : nb. fire events (derived from AVHRR) 0 50 La forte activité de feux détectée sur la côte est de lInde (carte des feux actifs) nest pas confirmée par les cartes de surfaces brûlées (même avec les images TM-Landsat hautes résolutions) Zoom sur lInde: comparaison des 2 méthodes dacquisition

12 26/03/2001 : SPOT-VGT 06/03/2001 : Landsat TM Les surfaces brûlées détectées sur les images TM sont également visibles sur les données SPOT-Végétation en dépit de la différence de résolution spatiale. Cohérence de la méthode dacquisition

13 Traitement des données et analyses Données dentrée: Images SPOT-Vegetation (S1, journalière, 1 km, réflectance au sol) Carte de végétation de luniversité du Maryland (Global Land Cover product) Filière de traitement: GBA-2000 (Tansey et al., 2002) Sorties: localisation (lat-long) des pixels classifiés comme brûlés et la date du feux Problèmes rencontrés Couverture nuageuse dense Feux de petites tailles et éparses Début de la saison de la mousson à la fin de la campagne Variété importante des types de végétation et des conditions (du désert à la forêt dense tropicale humide) Module dextraction des données de la zone à traiter de larchive global: 1 Gb/jour de 6.6 Gb/jour Module de pré-traitement (masque des nuages, ombres, neige, saturation SWIR, angles extrêmes, surface non-végétale, composition temporelle) Module de traitement Masque des zones forestières et non forestières Algorithme: Ershov et al., 2001 Tester plusieurs algorithmes en particulier sur la zone sud de notre domaine

14 Analyse par les SIG (Système dInformation Géographique) Grille de 1°x1° Bandes latitudinales Carte administrative Carte de végétation Carte des pixels brûlés SIG Surfaces brûlées / pays / latitudes Surfaces brûlées* / pays / végétation Surfaces brûlées / végétation / 1°x1° Surfaces brûlées / … / … * Hypothèse: 1 pixel brûlé = 1 km 2

15 Construction de linventaire démission ABBI Le flux démission de lespèce X ( Q ) est calculé comme suit [Seiler and Crutzen, 1980] : Q = M x EF(X) EF(X), facteur démission, défini comme le rapport entre la masse de X émise et la masse de végétation sèche consommée durant la combustion (g/kg de matière sèche). M : biomasse brûlée M = A x B x x – Où: A surface brûléedisponible (SPOT-VGT) B densité de biomasselittérature fraction de biomasse au dessus du sol coefficient defficacité de brûlage

16 Adaptation des différents facteurs aux classes de végétation Bibliographie pour lhomogénéisation des densités de biomasse et efficacité de brûlage [daprès Palacio et al., 2002] Pour les aérosols carbonés: re-estimation des facteurs démissions en fonction des classes de végétation présentes en Asie [daprès Liousse et al., 2004] [Michel et al., 2005] Pour les gaz: facteurs démissions dAndreae and Merlet [2001]

17 Résultats de la distribution spatio-temporelle des émissions (Mars-Mai 2001) Émissions de BC (du 1 er au 10 mai 2001) Distribution journalière pour toutes les espèces gazeuses et les espèces particulaires BC et OC (du 1 er mars au 15 mai 2001): inventaire ABBI [Michel et al., 2005]

18 Comparaison ABBI [ Michel et al., 2005 ] – ACESS [ Streets et al., 2003 ]: distribution temporelle BC BC (ABBI) = 2.5E+5 tonnes (dont 1.39E+5 tonnes pour les pays de la FSU et Kazakhstan) BC (ACESS) = 1.83E+5 tonnes Attention !! ACESS ne prend pas en compte les pays de la FSU et le Kazakhstan

19 Résumé Comparaison des ABBI-ACESS approche multi-système feux actif en forêt tropicale dense surface brûlée pour les autres types de végétation facteurs saisonniers pour les densités de biomasse et les efficacités de brûlage Comparaison : forte variabilité interannuelle Variation différente pour la distribution spatio-temporelle des surfaces brûlées, la quantité de biomasse brûlée et les émissions. dépendant du type de végétation brûlée et des effets compétitifs entre variations des densités de biomasse et facteurs démissions.

20 Plan de lexposé 1)Laérosol de combustion en Asie: introduction 2)Élaboration dun inventaire démission de feux de biomasse: ABBI (Asian Biomass Burning Inventory) 3)Simulation MésoNH-C-ORISAM pendant ACE-Asia Analyse du transport des émissions issues des feux de biomasse Étude de la distribution des concentrations de particules sur les îles du Japon 4)Tests de sensibilité 5)Conclusions perspectives.

21 Journées choisies: du 25 au 28 avril 2001 Peu de pluie et de poussière désertique 27 et 28 avril: rapport BC/OC typique des feux de biomasse (très fortes concentrations de OC mesurées) Modélisation Configuration du modèle MésoNH-C Résolution horizontale 75 km x 75 km (domaine 10°S – 60°N / 50°E – 180°E) Résolution verticale: 74 niveaux étirés: 50 m au sol à m Résolution temporelle: 40s Conditions initiales et de forçage : dynamique: ARPEGE chimique: MOCAGE Schéma chimique ReLACS (37 espèces – 128 réactions)

22 Cadastre démissions gazeux: ABBI + Streets + GEIA 25/04 26/04 27/0428/04 Journée type avril 2001 Émissions de CO (fuels fossiles et biofuels) [ppp.m.s -1 ] Émissions de CO (feux de biomasse) [ppp.m.s -1 ]

23 x Pékin Objectifs : étude du transport continental des polluants émis par les feux (notamment pour la 1ère fois, étude du transport des polluants émis au nord de lAsie, non considérés jusque là) le transport des feux du Kazakhstan Pékin le transport des feux de Mongolie îles japonaises Transport intercontinental documenté Transport continental??

24 Transport des émissions de feux de végétation sur Pékin A linitialisation: Différenciation de lorigine du CO: création de traceurs CO « feux », CO « fuel fossiles » et CO « biofuels » (uniquement émis et déposés, pas de réactions chimiques). Suivi de lorigine des émissions Concentration en CO feux à la verticale de Pékin (29 avril à 6 UTC) 3 couches distinctes: C1 (~1000m), C2 (2000m), et C3 (3000m) Emissions de CO feux le 25/04 (ppp.m.s -1 ) ?

25 D Thalweg 2 Thalweg 1 Axe du thalweg Ligne de convergence Isohypses (courbe de niveau dune surface isobare) à 700 hPa le 26 avril 2001 à 12 UTC Analyse du transport des émissions de feux 26 avril 2001 à 12 UTC

26 Lignes de convergence Analyse du transport des émissions de feux Déplacement vertical des particules à Z = 5000 m, dans les 12h précédent le 26 avril 2001, 12 UTC Mouvement ascendant Mouvement subsident Coupe verticale 26 avril 2001 à 12 UTC

27 Analyse du transport des émissions de feux Concentration en CO feux Coupe verticale de Z 0 26 avril 2001 à 12 UTC

28 12 UTC 26/04 Analyse du transport des émissions de feux 12 UTC 26/04 24 UTC 27/04 20 UTC 27/04 12 UTC 28/04 20 UTC 27/04 24 UTC 27/04 12 UTC 28/04 27 avril 2001 à 24 UTC Température potentielle équivalente (θe à 350 hPa) Ligne de convergence

29 Analyse du transport des émissions de feux Déplacement vertical des particules à Z = 5000 m, dans les 12h précédent le 28 avril 2001, 24 UTC Mouvement ascendant Mouvement subsident Coupe verticale 28 avril 2001 à 24 UTC

30 Analyse du transport des émissions de feux Concentration en CO feux Coupe verticale de Z 0 28 avril 2001 à 24 UTC

31 Conclusion sur le transport des émissions de feux Concentration en CO feux à la verticale de Pékin C1: masse dair qui constitue la couche limite de Pékin. C1 a traversé une partie du Liaoning, zone démissions de feux. CO feux = 9 ppb C2: arrive sur Pékin à 2000m. Bien que prenant sa source en zone de feux, la pollution présente dans C2 sest diluée au cours de son transport. CO feux = 6.8 ppb C3: arrive sur Pékin à 3000m. Provient des zones de feux du Kazakhstan, mais son transport en haute altitude lui a permis de peu se diluer (pas de dépôt et moins de turbulence). CO feux = 12 ppb

32 Conclusion sur le transport des émissions de feux Contribution des émissions de feux de végétation à la pollution de Pékin. (jusquà 95% de la totalité du CO transporté à 3000 m daltitude et 44% du CO total) Empreinte des feux du Kazakhstan La trajectoire moyenne des masses dair C2 et C3 semble représentative de transports fréquemment observés et engendrant de forts épisodes de pollution particulaire [Wang et al., 2004]. les particules arrivant sur Pékin sont certainement un mélange aérosol carboné – poussière désertique.

33 Plan de lexposé 1)Laérosol de combustion en Asie: introduction 2)Élaboration dun inventaire démission de feux de biomasse: ABBI (Asian Biomass Burning Inventory) 3)Simulation MésoNH-C-ORISAM pendant ACE-Asia Analyse du transport des émissions issues des feux de biomasse Étude de la distribution des concentrations de particules sur les îles du Japon 4)Tests de sensibilité 5)Conclusions perspectives.

34 Couplage MésoNH-C / ORISAM [ Cousin et al., 2005 ] interaction chimie gazeuse – chimie particulaire « black carbon » carbone organique H2OH2O H2OH2O HNO 3 NO 3 - Chimie hétérogène des nitrates [Jacob, 2000] H 2 SO 4 H +, SO 4 2-, HSO 4 -, H 2 SO 4 Chimie aqueuse des sulfates Émission primaire SOA(g) SOA(p) Schéma chimique ReLACs modifié pour la production des SOA. Rendement associé [Moucheron et Milford, 1996] NH 4 + Émission primaire NH 3

35 Variation en taille dans le modèle sur 4 bins (de 0,039 à 10 µm) avec représentation log-normal répartie dans 2 modes. Initialisation des concentrations de BC et OC p selon un rapport moyen BC/CO (respectivement OC p /CO) en surface Émissions de ABBI pour les feux et Inventaire du Laboratoire dAérologie pour les fuels fossiles et biofuels. Module daérosol ORISAM [ Bessagnet, 2000 ]: initialisation BC = 50% OC p = 50% 0,327 1,700 Mode 1 Mode 2 µm Répartition des émissions

36 Présentation des 4 îles du Japon Zone détude Honshu

37 Concentrations en aérosols sur les 4 îles du Japon Hachijo Sado Rishiri Chichi-jima

38 26 avril à 6UTC Situation synoptique 27 avril à 6UTC Mouvement anticyclonique Branche ascendante 28 avril à 6UTC

39 Concentrations en aérosols sur les 4 îles du Japon BC (µg/m 3 ) 26/04/01 12 UTC OC (µg/m 3 ) 26/04/01 12 UTC BC (µg/m 3 ) 27/04/01 12 UTC OC (µg/m 3 ) 27/04/01 12 UTC BC (µg/m 3 ) 28/04/01 12 UTC OC (µg/m 3 ) 28/04/01 12 UTC

40 Concentrations à Rishiri (nord de Honshu) Rishiri BC simu BC obs Points de grille voisins au sud-est de Rishiri (Résultat identique à Sado) 27 avril 2001

41 Pour ces 4 îles, surestimations de OC lié uniquement aux concentrations en OC p (comme BC). Concentrations en SOA très faibles: au maximum, 0.33 µg/m 3 formé. BC surestimé mais expliqué: Sado et Rishiri proches de systèmes complexes décalage dun point de grille permet une restitution correcte. Chichi-jima et Hachijo sous influence océanique problème lié aux conditions dinitialisation (concentrations de fond) sous-estimation des concentrations le 28 avril à Rishiri: problème lié aux conditions aux limites des concentrations en aérosols. Mais surestimation de OC pour les 4 îles: différents des autres études (vols avions et autres stations) car tendance générale à la sous-estimation. Résumé Esquif [Liousse, Michel et al., 2005]: OC sec /OC tot = 43% et 61%

42 Plan de lexposé 1)Laérosol de combustion en Asie: introduction 2)Élaboration dun inventaire démission de feux de biomasse: ABBI (Asian Biomass Burning Inventory) 3)Simulation MésoNH-C-ORISAM pendant ACE-Asia 4)Tests de sensibilité Sensibilité aux émissions (MésoNH-C-ORISAM) Sensibilité aux conditions dinitialisation (ORISAM 0D) 5)Conclusions perspectives.

43 Tests: sensibilité aux émissions 1 ère simulation: ABBI (feux de biomasse): Michel et al., ème simulation: ACESS (feux de biomasse): Streets et al., 2003 Impact des émissions de feux de biomasse au sein de MésoNH-C-ORISAM Tests: sensibilité aux émissions 1 ère simulation: ABBI (feux de biomasse): Michel et al., ème simulation: ACESS (feux de biomasse): Streets et al., 2003 Impact des émissions de feux de biomasse au sein de MésoNH-C-ORISAM 28/04/ UTC 27/04/ UTC 26/04/ UTC Concentration OC ABBI [µg/m 3 ] Concentration OC ACESS [µg/m 3 ] à 25 m

44 Tests: sensibilité aux émissions Différence entre les concentrations en aérosols carbonés organiques simulés avec les 2 inventaires: Différence sur la formation daérosol carboné organique secondaire ? SOA (ABBI) – SOA (ACESS) (µg/m 3 ) 26/04/ UTC 28/04/ UTC Uniquement lié aux fortes émissions par les feux du nord: problème dans la prise en compte de la formation des aérosols secondaires pour émissions par les feux.

45 Sensibilité aux conditions dinitialisation (OCsec/OCtot) Pékin Gosan Simu-ref: simulation effectuée avec ORISAM-0D ABBI + Streets et al., [2003] pour les émissions gazeuses et ABBI + Laboratoire dAérologie pour les émissions particulaires (sur 24h) Test1: simu_ref avec [gaz_init] = 0 Test2: simu_ref avec émissions gazeuses de Paris (GENEMIS 3km) Test3: simu_ref avec émissions gazeuses de Paris (GENEMIS 3km) + [gaz_init] = 0 Test4: simu_ref avec émissions aérosols de Paris (inventaire LA) Test5: simu_ref avec émissions et concentrations initiales en aérosols de Paris Validité de linventaire démissions issues des fuels fossiles sur lAsie??

46 Plan de lexposé 1)Laérosol de combustion en Asie: introduction 2)Élaboration dun inventaire démission de feux de biomasse: ABBI (Asian Biomass Burning Inventory) 3)Simulation MésoNH-C-ORISAM pendant ACE-Asia 4)Tests de sensibilité effectués avec ORISAM-0D 5)Conclusions perspectives.

47 Première utilisation du modèle sur un domaine aussi grand et complexe. temps de calculs « gigantesques » rendant impossible la réalisation de tests de sensibilité. perspectives: Amélioration de MésoNH-C Lutilisation dautres modèles (ex: couplage RegCM/ORISAM) Amélioration des conditions aux limites Prise en compte du lessivage et dun mode grossier dans ORISAM Études des mélanges poussières – aérosols carbonés et impact radiatif (version radiative ORISAM-RAD [Mallet et al., 2005]) Conclusions et perspectives

48 Utilisation dune approche intégrée tridimensionnelle à linterface entre émission - modélisation 1 ère fois quune telle étude est effectuée sur cette zone Élaboration dun inventaire dédié à la zone détude Lélaboration de linventaire démissions ABBI a mis en évidence limportance de considérer ces émissions pour étudier le transport continental des polluants (en particulier, impact des feux de lAsie du nord sur Pékin) Importance de ces feux sur le transport intercontinental?

49 Sous-estimation systématique des concentrations en aérosols organiques carbonés paramètres clefs: concentrations de fond et émissions gazeuses Toutefois, caractérisation des émissions de feux de biomasse nécessaire, mais pas suffisante. résultats de la modélisation montrent une insuffisance au niveau de la caractérisation des émissions de fuels fossiles sur lAsie. (ré-évaluation des facteurs démissions pour les COV) choix de rendements adaptés aux feux choix dun schéma chimique adapté aux aérosols Conclusions et perspectives

50 FIN


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