Vers une diagnose opérationnelle des échanges stratosphère - troposphère (ÉST) Michel Bourqui, Rachid Moustabchir, Pier-Yves Trépanier, Université McGill Avec remerciements à Mike Moran, Environnement Canada Heini Wernli, Université de Mainz Michael Sprenger, ETHZ Environnement Canada, Dorval, 25 mai 2007

Plan du séminaire Introduction La méthode Lagrangienne Illustration par une étude de cas Climatologies déchanges stratosphère – troposphère Un exemple de prédictions déchanges stratosphère – troposphère au-dessus de lEurope Potentiels pour une diagnose opérationnelle

Introduction: La circulation globale et ÉST ÉtéHivers W = vent douest; E = vent dest

Hémisphère sudHémisphère nord PVU Circulation globale et ÉST Tropopause instantanée (Surface 2PVU calculée à partir de données ECMWF)

Effets des ÉST sur la qualité de lair 1.Effets directs sur la qualité de lair dans la couche limite: Injections épisodiques dair stratosphérique dans la couche limite PVU

Effets des ÉST sur la qualité de lair 1.Effets directs sur la qualité de lair dans la couche limite: Injections épisodiques dair stratosphérique dans la couche limite Propriétés: Transport vertical rapide (quelques jours) par rapport à la chimie troposphérique Évènements relativement rares (fréquence ?) Épisodes de forte pollution

Effets des ÉST sur la qualité de lair 2.Effets sur la troposphère libre: contribution au budget moyen dozone perturbations épisodiques de la chimie troposphérique

SH NH O3O3 2. Effets sur la troposphère libre

Effets des ÉST sur la qualité de lair 2.Effets sur la troposphère libre: contribution au budget moyen dozone perturbations épisodiques de la chimie troposphérique Propriétés: Évènements de transport trans-tropopause fréquents Contribution moyenne importante à la chimie troposphérique (env. 30% de lozone troposphérique) Contribution à la qualité de lair (?)

Autres effets des ÉST Injections épisodiques dair troposphérique (pollué) dans la basse stratosphère ? H 2 O CO...

Létat actuel de la recherche sur les ÉST Processus physiques des ÉST: Processus diabatiques liés aux nuages Turbulence associée au cisaillement dans les vents Convection Déferlement des ondes de gravité Ces connaissances proviennent détudes de cas individuels, simulés avec des modèles à haute résolution. Importance relative de ces processus?

Létat actuel de la recherche sur les ÉST Impacts des ÉST sur la chimie troposphérique: Estimations du budget de lozone troposphérique avec des modèles chimie – transport à relativement basse résolution représentation des petites échelles? Échanges rapides stratosphère – couche limite: fréquence? persistance? Effets de ces perturbations sur la qualité de lair au Canada?

Données: champs de vents et température tri – dimensionnels, par exemple: Modèle méso - échelle (HRM): résolution horizontale 50km, verticale ~ 20hPa, temporelle 1 heure ERA-15 (ECMWF): résolution horizontale 1° x 1°, verticale ~ 30hPa, temporelle 6 heures Tropopause: surface de tourbillon potentiel constant 2PVU La méthode Lagrangienne pour quantifier les ÉST

Discrétisation Lagrangienne du fluide atmosphérique: Un ensemble dense de trajectoires est calculé pour chaque tronçon de 24h Les trajectoires traversant la tropopause sont ensuite prolongées de 4 jours dans le future et dans le passé Seules les trajectoires ayant des temps de résidence suffisamment grands sont sélectionnées comme trajectoires déchange

strat trop 2PVU selected trajectory strat. trop. ST Transp: F STT ( ) TS Transp: F TST ( ) = 12,..., 96 h La méthode Lagrangienne pour quantifier les ÉST Discrétisation Lagrangienne du fluide atmosphérique:

tropopause Temps de résidence A+BC La méthode Lagrangienne pour quantifier les ÉST

Flux normalisés La méthode Lagrangienne pour quantifier les ÉST ST Transp: F STT ( ) TS Transp: F TST ( ) = 12,..., 96 h

Illustration par une étude de cas 1 er septembre 1997 Développement dune onde baroclinique au-dessus de lEurope de louest, avec la tropopause atteignant une altitude de 6 km.

Bourqui, ACP 2006 Link

Unités: kg km -2 s -1 Sprenger and Wernli 2003, basé sur ERA15 Climatologies: Flux à travers la tropopause

Unités: 10 6 kg/(km s) STT-TST WinterSTT-TST Summer Basé sur les données danalyse ECMWF ( ) Adapté de Bourqui, 2001 Généralisé pour les surfaces 1.5 – 8PVU: La branche inférieure de la circulation globale Climatologies: Flux à travers la tropopause

Zoom pour lAmérique du nord et stations de mesures par ballon - sondes STT, Hivers

Zoom pour lAmérique du nord et stations de mesures par ballon - sondes STT, Été

Stratosphère Couche limite tropopause 700 hPa max 4 jours Stratosphère Couche limite tropopause 700 hPa max 4 jours STT étendus TST étendus Lieu de passage à travers la tropopause Destinations / origines des trajectoires dans la couche limite Cheminement dans la troposphère Échanges rapides entre la stratosphère et la couche limite

Unités: kg km -2 s -1 Unités: probabilité en % quune parcelle quelconque de la couche limite vienne de la basse stratosphère dans les 4 jours Flux trans-tropopauseDestinations dans la couche limite b)a) STT étendus: Tropopause et destination

Flux trans-tropopause associé aux destinations de la côte ouest Flux trans-tropopause associé aux destination de la côte est Unités: kg km -2 s -1 STT étendus: Cheminement dans la troposp.

Unités: kg km -2 s -1 Unités: probabilité en % quune parcelle quelconque atteigne la basse stratosphère dans les 4 jours Flux trans-tropopauseOrigines dans la couche limite Sprenger and Wernli 2003, basé sur ERA15 a) TST étendus: Tropopause et origines

Un exemple de prédiction dÉST à lETHZ Calculs automatiques basés sur les données de prévision de lECMWF (resp. Michael Sprenger) Fréquence: journalière Diagnostiques: Trajectoires STT de 4 jours Pression et PV le long des trajectoires

Animation pour la période 10 mars – 16 mai Source: Michael Sprenger, ETHZ

Un exemple intéressant (17-22 mars)

Ces quatre derniers jours (21-24 mai)

Vérification de la prédiction: Trajectoires démarrant le 19 mars Calcul fait le 18 marsCalcul fait le 19 mars

Vérification de la prédiction: Trajectoires démarrant le 4 mai Calcul fait le 3 maiCalcul fait le 4 mai

Potentiels pour une diagnose opérationnelle Prédiction des échanges stratosphère – troposphère Prédiction du cheminement de lair stratosphérique dans la troposphère Prédiction dépisodes de transport rapide dair stratosphérique dans la couche limite En conjonction avec le future modèle de prédiction de la qualité de lair dEnvironnement Canada: Prédictions possibles concernant la qualité de lair: Évaluation du transport Lagrangien dans le modèle (ÉST ou autres) Détermination des sources de pollution Préparations de campagnes de mesures

Potentiels pour une diagnose opérationnelle Production de cartes de la fréquence et persistance dévènements déchanges: entre la stratosphère et la troposphère entre la stratosphère et la couche limite Analyse systématique des processus physiques... Potentiels dune telle base de donnée, si archivée:

Unités: kg km -2 s -1 Flux trans-tropopause associé aux origines dans latlantique ouest et le pacifique ouest TST étendus: Cheminement dans la troposp.