Nuages stratosphériques polaires « Compte rendu » du workshop SPARC sur les PSC, Zürich, 27-29 août 2014 Suivi lagrangien des propriétés des PSC en Antarctique à l’aide de Caliop N. Montoux Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec 1

* observations satellitales et lidar sol Workshop PSC : but Faire le point sur l’état des connaissances actuelles, les avancées récentes : * observations satellitales et lidar sol * observations avions et ballons * processus : nucléation, dénitrification, forçage dynamique * chimie et CTMs * paramétrisation des PSC dans les CCM, études empiriques Discuter de la nécessité de faire un nouveau papier de Review. Derniers en date : * Lowe and MacKenzie, 2008 * Peter and Grooβ, 2012 Discuter des incertitudes, verrous scientifiques restants Lowe and MacKenzie, Review of Polar Stratospheric Cloud Microphysics and Chemistry, 2008 Peter and Grooss, PSC and Sulfate Aerosols Particles : Microphysics, Denitrification and Heterogeneous Chemistry, 2012. Livre intitulé : Stratospheric Ozone depletion and Climate Change. Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec 2

Comparaisons Arctique/Antarctique Workshop PSC : études - Classifications des PSC au moyen des données satellites et sols (CALIOP, MIPAS, lidar sol) Comparaisons Arctique/Antarctique Nucléation hétérogène « rapide » sur des poussières désertiques (Hoyle et al., 2013, Ines et al., 2013) ou météorites pour former des NAT.  Taux d’activation des chlorines par les NAT divisé par 10. Importance de l’historique de la température de la masse d’air pour la formation des NAT (Lambert et Santee) Importance des ondes de relief (Michael Höpfner, 2006, MIPAS). - Présence de « NAT rocks »  22 µm (Sergej Molleker), asphériques ? Comment se forment-elles ? Rôle dans la dénitrification ? Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec 3

Climatologie des PSC en Antarctique et Arctique Workshop PSC : Caliop Nouvelle classification de la composition des PSC : Pitts et al. 2007 et 2013 Climatologie des PSC en Antarctique et Arctique Revised PSC composition classification separates external liquid-NAT mixtures into two classes based on instantaneous HNO3 sedimentation flux of NAT particles (Considine et al., 2000; Northway et al., 2002) Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec 4

Workshop PSC : modèles microphysiques Modèle du DMI toujours disponible mais plus entretenu  Pas de possibilité de faire des NAT sur des aérosols solides Modèle microphysique ZOMM : Zurich Optical and Meteorological model  Pas de distribution en tailles des PSC Ines et al., ACPD, 2013 Insertion de ZOMM dans CLAMS en cours Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS) 3D-Simulations of atmospheric chemisitry and denitrification NAT particle nucleation, growth and sedimentation Backward trajectories for simulated particles Details: Grooß et al. (2014) Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec 5

Workshop PSC : incertitudes - Types de supports pour formation hétérogène des NAT ? Présence de sites réactifs mais quels sont-ils ? Formation des NAT « rocks » ? Contribution à la dénitrification ? NAD observés en laboratoire (chambre AIDA) mais NAT observés en milieu naturel : pourquoi cette différence ? H2SO4 ? - Bonne paramétrisation des PCS nécessaire pour correctement reproduire et prédire le trou d’ozone et l’influence d’un changement de climat. Nombre de particules et quantité d’HNO3 capturée ? Incertitudes sur la température ? Sensibilité des instruments ? Classification des PSC, dépendance en T, HNO3 ? Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec 6

Suivi lagrangien des PSC : introduction Contexte : PSC constitués de différents types de particules : NAT (solide), STS (liquide), ICE, … activation des chlorines et destruction d’ozone dépend du type de particule. Objectifs : Mieux comprendre la formation et l’évolution des particules en fonction de l’environnement thermodynamique des masses d’air. Tester la capacité des modèles microphysiques à reproduire les observations. NAT = nitric acid trihydrate STS= supercooled ternary solution(HNO3/H2SO4/H2O) Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec 7

Suivi lagrangien des PSC : cadre Méthode : «Match» pour relier l’évolution des propriétés et du type de PSC observés par lidar en Antarctique avec l’évolution de la pression et de la température le long de trajectoires. Projet : International Polar Year : ORACLE-O3 : "Ozone layer and UV RAdiation in a changing CLimate Evaluated during IPY" Dates: 2006 à 2008 de mai à septembre Lidars impliqués : Sol : Davis, Dumont D’Urville et McMurdo + spatial : CALIOP Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec 8

Suivi lagrangien des PSC : résumé de la campagne Mesures : nombre de jours de mesures durant les 3 années Trajectoires : Début : milieu des sessions d’observation lidar Altitude : 10 niveaux verticaux entre 13 et 25 km Modèle : serveur GSFC (NCEP et DAO)  4790 trajectoires avec NCEP et 3240 avec DAO Critères de match : dtraj-lidar< 200 km et ∆PV<40% (∆t <2.5min avec Caliop) 161 trajectoires avec NCEP et 85 avec DAO Moins de PSC à DDU : bord du vortex moins de puissance laser et diamètre du télescope plus petit McMurdo : 20 min de mesures par jour DAO pas disponible en 2008 3% NCEP et 2,6% avec DAO ECMWF via BADC également (biais température dans NCEP ?) Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec

Suivi lagrangien des PSC : cas d’étude Trajectoires et température - Trajectoires semblent suivre le même chemin mais différence temporelle peut être importante [H2O]=3.5 ppmv–[HNO3]=6 ppbv Carte du modèle MIMOSA de tourbillon potentiel Ex : différence de 10 h (~1100 km) entre les trajectoires au voisinage de Dumont d’Urville en 6 jours. Davis : NAT, McMurdo : ICE, DDU : NAT. Vérifier dans les modèles ? - Différences entre les trajectoires plus faibles pour les températures froides (où PSC attendus) Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec

Suivi lagrangien des PSC : cas d’étude Propriétés optiques 3 août : fort SR et depo vers McM  ICE mais désaccord intensité sol/lidar  présence d’ondes de relief ? Température ne permet pas d’expliquer la présence de certains PSC mais plutôt l’évolution de température : 9 août 9:51 UTC, T=191.5K : pas de PSC 11 août 21:10 UTC, T=194.2K : STS+NAT Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec

Suivi lagrangien des PSC : cas d’étude Modélisation : modèle du DMI Entrée : T,P le long des trajectoires, H2O et HNO3 MLS V3.3 initiaux Sorties : microphysique, chimie, optique Signaux optiques modélisés plus faibles que ceux observés : ondes ? Densité des particules varie d’un facteur 3 entre les trajectoires Bon accord modèle/obs MLS : chimie, T Good agreement between the DMI model chemistry and temperature evolutions and MLS (criteria:t<30min andd<200km,closer pressure evel) The modelled optical signals are smaller than those observed with the lidars : due to mountain waves not reproduced in the trajectories ? Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec

Suivi lagrangien des PSC : cas d’étude Modélisation : WRF Entrée : analyses NCEP (1° - 6 heures) Sorties : vent vertical, température (1 heure, 20 km, 120 niveaux verticaux  10hPa) Mesures jusqu’en septembre 2010 à Mc Murdo (77.9°S;166.5°E). Lidar à Dôme C depuis janvier 2014 (74.50°S, 123°E, 3280m) - Différence jusqu’à 7 K dans la zone de Mc Murdo où présence d’onde de gravité Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec

Suivi lagrangien des PSC : cas d’étude Conclusion et perspectives Forte variation des propriétés optiques sur de petites échelles : Ondes de relief produisent des fluctuations rapides de température jusqu’à 7 K d’après les simulations WRF peut expliquer différence obs./modèle ? A tester - Histoire de la masse d’air importante (évolution de la température) pour expliquer présence de particules - Etude statistique nécessaire (différentes périodes, types de PSC) pour tester capacité des modèles à reproduire les observations  10 cas d’étude déjà sélectionnés. - Compteur de particules nécessaire pour dissocier imperfection module microphysique ou paramètres optiques (indice de réfraction, forme) dans le modèle du DMI. Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec

Suivi lagrangien des PSC : collaboration Andrew Klekociuk Michael Pitts Philippe Keckhut Luca Di Liberto Marcel Snels Niels Larsen Vincent Noël Workshop ECCLAT, 20 janvier 2015, Perros-Guirec 15