Analyse de la distribution 3D du CO2 dans l’atmosphère: rôles respectifs du transport, des sources et puits de carbone naturels ou anthropogéniques 9 Mars Mars 2011 Soutenance de Stage M2 A. E. de Mohamadou Diallo Directeur de Stage: Bernard Legras

2 Sommaire Introduction Introduction I- Contexte et enjeux scientifiques II- Observation spatiale de l'atmosphère: ACE-FTS III- Modèle Lagrangien du transport atmosphérique: Traczilla/Flexpart IV- Analyse des résultats Conclusion et perspectives Conclusion et perspectives Séminaire des doctorants 2011

3 Partie 0: Introduction Séminaire des doctorants 2011

4  Aujourd'hui, le réchauffement climatique est un problème majeur.  Ses conséquences commencent à se faire ressentir par: Accroissement de l’intensité des catastrophes naturelles: crues, canicules Accroissement de l’intensité des catastrophes naturelles: crues, canicules Fonte rapide des Glaciers, Fonte rapide des Glaciers, Montée des niveaux de mer Montée des niveaux de mer  Ce changement climatique est lié à une hausse des gaz à effets de serre dans l'atmosphère:  En particulier, le CO2 mais aussi le CH4  Besoins de connaître l'évolution du climat dans le futur: Important et opportun d'étudier la distribution 3D du CO2 Introduction Séminaire des doctorants 2011

Qu’est ce que l’effet de serre ? Qu’est ce que l’effet de serre ?  La régulation de la température sur la surface terrestre :  Effet de serre naturel  Le CO 2 est responsable de ~30% de l’effet de serre naturel,  Sensibilité de sa concentration :  aux échanges du système terre/atmosphère/océan  à l’activité humaine : effet de serre additionnel 5 Quel rôle joue l’effet de serre? Séminaire des doctorants 2011

6 Le cycle de carbone et Taux de croissance :  Océan  Photosynthèse (croissance de la végétation)  Océan  Respiration de la biosphère, la biosphère,  Émissions anthropiques anthropiques  Feux de biomasse Le bilan carbone est positif pour l’atmosphère: + 3Gt par an Les échanges de CO 2 entre atmosphère, la biosphère et les océans  Taux de Croissance moyen annuel:  2ppm par an  Cycle saisonnier:  Plus marqué dans l’hémisphère Nord Respiration Croissance de la végétation Séminaire des doctorants 2011

Circulation atmosphérique et circulation de Brewer-Dobson: Circulation atmosphérique et circulation de Brewer-Dobson: 7 La distribution 3D du CO 2 peut nous renseigner sur les temps caractéristiques et l’intensité de transport à grande échelle spatio-temporelle comme la circulation de Brewer-Dobson.  Variation de la radiance solaire incidente  Forme sphérique  Circulation atmosphérique:  Mouvement à l’échelle planétaire  Redistribution de l’énergie solaire  Circulation de Brewer-Dobson:  Circulation méridienne dans la stratosphère  Facteur principal du transport des masses d’air stratosphérique des tropiques vers les latitudes élevées Séminaire des doctorants 2011

Circulation atmosphérique et circulation de Brewer-Dobson: Circulation atmosphérique et circulation de Brewer-Dobson: 8 La propagation verticale des ondes planétaires crée deux effets sur l’écoulement moyen : accéleration HS et frénage HS  Circulation de Brewer-Dobson (Circulation méridienne dans la stratosphère )  A ces effets sur l’écoulement moyen s’ajoute les réchauffements stratosphériques soudains dûe au déferlement des ondes planétaires  Provoquant une très forte descendance des masses d’air aux pôles d’hivers Ce phénomène dure plusieurs jours et peut entrainer une augmentation de 30-50°C dans la Stratosphère Séminaire des doctorants 2011

9 Partie I: Contexte et enjeux scientifiques Séminaire des doctorants 2011

I. Contexte et Enjeux Scientifiques Une meilleure compréhension du cycle de carbone:  Une meilleure compréhension du cycle de carbone:  Analyse de la distribution 3D du CO2 atmosphérique  Isoler les sources et puits de carbones  Utilisation du CO2 comme traceur de la dynamique atmosphérique  Meilleure compréhension des échanges au sein de la tropopause  Amélioration de notre compréhension de la Circulation générale  Deux moyens nécessaires pour réaliser cette étude:  L’observation spatiale: L’instrument ACE-FTS sur SCISAT1  La modélisation Numérique: FLEXPART, modèle de circulation atmosphérique 10 Séminaire des doctorants 2011

11 Partie II: Observation spatiale de l’atmosphère: ACE-FTS Séminaire des doctorants 2011

II. Observation spatiale de l’atmosphère: ACE-FTS  ACE-FTS (Atmosphéric Chemestry Experiment- Fourier Transform Spectrometer) sur SCISAT:  Mesures avec visée au limbe en occultation solaire  Profils verticaux de CO2 entre 5 et 25km  Avantages de ACE-FTS:  Couverture globale et continue  Source infinie: Soleil  Très bonne résolution verticale :Radiance solaire mesurée hors atmosphère (z > 150km) :Radiance solaire mesurée à l’altitude z après traversée de l’atmosphère (5-150km) Z i : altitude tangente associée à chaque mesure 12 Séminaire des doctorants 2011

13 Détermination de profil de CO2 à partir des fonction de transmission  Equation du transfert radiatif: Rayonnement atmosphérique Jv négligeable devant la source solaire Rayonnement atmosphérique Jv négligeable devant la source solaire  Discrétisation de l’atmosphère en 100 couches de 1km  Code de transfert radiatif 4A  Base de données spectroscopiques GEISA  Paramètres de visée : Altitudes tangentes, Température et Pression des données CO2 d’ACE Foucher et al Foucher et al Coefficient d’absorption (connu : modélisation) Concentration (inconnue) Chemin optique atmosphérique (réfraction/géométrie) σ moy =1.58 σ max =2.17 σ min =1.05 Séminaire des doctorants 2011

14 Partie III: Modèle Lagrangien de transport atmosphérique : Traczilla/Flexpart Séminaire des doctorants 2011

15 Modèle Lagrangien du transport atmosphérique: Traczilla/Flexpart FLEXPART Intégration sur plusieurs années FLEXPART Intégration sur plusieurs années Champs de vent ERA- Interim (réanalyses) de l’ECMWF Fonction source en temps et latitude des émissions de CO 2 au sol à partir du WDCGG Distribution 3D du CO 2 Concentration de CO 2 en fonction du temps et de l’espace Age de l’air: Association d’un temps de transport à chaque parcelle d’air (Stohl et al, 2005)  Adaptation de Flexpart au problème de transport 3D (grille 3D uniforme)  A quoi consiste Traczilla ?  Rétro –trajectoires d’un grand nombre de parcelles d’air atmosphérique.  Fonctionnement du modèle :  Modèle requiert 4 champs de données 3D: Vents, Température. Séminaire des doctorants 2011

 Le CO2 est:  Inerte dans l’atmosphère  Source uniquement en surface  un bon traceur de la dynamique atmosphérique  Sa fonction contient deux information pour le transport  Une tendance  Le cycle saisonnier  Ces deux informations sont utiles pour:  Estimer les temps de transport de la zone source à la stratosphère  Pour le calcul du CO2 moyen, le principe est semblable celui de l’âge de l’air: avec avec  Les coefs sont obtenus par ajustement de moindre carrée sur les données du Mauna Loa Calcul de la distribution du CO2 moyen 16 Séminaire des doctorants 2011

17 Calcul de l’âge de l’air stratosphérique  Rétro –trajectoires de 20 ans sont initialisées à :  une altitude et latitude spécifique  à des longitudes et temps variables  Détermination journalière des:  fractions de parcelles ayant traversé la tropopause  L’âge moyen de l’air est donnée:  avec  Avec F la densité de probabilité des trajectoires avec un âge < T  Après l’intégration en arrière,  plus de 90% des trajectoires ont traversé la tropopause  Et pour le reste, un ajustement de type exponentielle est appliqué Séminaire des doctorants 2011

18 Partie IV Analyse des résultats Séminaire des doctorants 2011

Comparaison Âges moyens de l’air (89-09) et Observations  Vitesses verticales  Comparaison avec les observations (Andrews et al. 2001)  Un très bon accord  Â ges plus jeunes au niveau des tropiques (car c’est là que l’air entre dans la stratosphère)  Âges plus vieux au niveau des latitudes élevés (Caractéristique de la Circulation B-D)  Taux de chauffage diabatique 19 Séminaire des doctorants 2011

Spectre d’âges moyens de l’air stratosphérique:  Spectre de distribution d’âges moyens de 2005 par bande de latitudes  Un accord avec les prédictions théoriques  Une lentes décroissance pour les pôles  Une modulation de l’âge moyen par : Cycle bi-annuel (QBO) ? Cycle annuel ? 20 Séminaire des doctorants 2011

21 Modulation Annuelle d’âges moyens de l’air stratosphérique: Séminaire des doctorants 2011

22  Comparaison avec les observations de MIPAS (G. Stiller et al.)  Â ges plus jeunes au niveau des tropiques (car c’est là que l’air entre dans la stratosphère)  Âges plus vieux au niveau des latitudes élevés (Caractéristique de la Circulation B-D)  Bon accord et il reste les tendances (été et printemps ) à élucider Comparaison Âges moyens de l’air (89-05) et Observations  Stiller and al. MIPAS 2009  Heating diabatic rate Séminaire des doctorants 2011

23 Meridional distribution of mean CO2 and seasonal variability Meridional distribution of mean CO2 and seasonal variability Séminaire des doctorants 2011

24 Variability of the seasonal cycle in the both hemispheres which is shown on the panel. Good agreetment between the Observation in Sawa et al., 2008, in Engel et al., 2008 and simulation about the inversion of CO2 concentration in the tropopause during June and August Meridional distribution of mean CO2 and seasonal variability Meridional distribution of mean CO2 and seasonal variability Séminaire des doctorants 2011

Comparaison de profils moyens verticaux de Flexpart et ACE-FTS  Comparaison sur le mois de Janvier et novembre 2006 sur la bande 45-65°N  Une comparaison satisfaisant entre les profils de ACE et Flexpart  Un décalage d’un mois est constaté 25 Séminaire des doctorants 2011

26 Conclusion et perspectives Partie V Séminaire des doctorants 2011

27 Conclusion Deux enjeux important pour la distribution 3D du CO2 Deux enjeux important pour la distribution 3D du CO2 Meilleure Caractérisation de la circulation de Brewer-Dobson Meilleure Caractérisation de la circulation de Brewer-Dobson Meilleure identification des sources et puits de carbone surfacique Meilleure identification des sources et puits de carbone surfacique Comparaison cohérente entre : Comparaison cohérente entre : Ages moyens de l’air et les observations de Andrews et al Ages moyens de l’air et les observations de Andrews et al Une corrélation entre les distributions globales de l’Âges moyens et le CO2 Une corrélation entre les distributions globales de l’Âges moyens et le CO2 Profils verticaux mensuels du CO2 de ACE-FTS par bande de latitude de 10° (Foucher et al. 2009) et ceux du modèle de transport Flexpart Profils verticaux mensuels du CO2 de ACE-FTS par bande de latitude de 10° (Foucher et al. 2009) et ceux du modèle de transport Flexpart Perspectives  Comparaison plus poussées avec plus de données de ACE-FTS  Comparaison avec les données de SF6 de G. Stiller et al en cours  Etudes de l’influence de la QBO  Etude de la variabilité saisonnière et de la tendance des âges  Un décalage d’un mois dû à une surestimation de la circulation Brewer- Dobson par le modèle est constaté Séminaire des doctorants 2011

28 Je vous remercie de votre attention!! Des questions????? Des questions????? Séminaire des doctorants 2011

Séminaire Raffinage-Pétrochimie 2009 – Table ronde Modélisation

30 Conclusion Deux enjeux important pour la distribution 3D du CO2 Deux enjeux important pour la distribution 3D du CO2 Meilleure Caractérisation de la circulation de Brewer-Dobson Meilleure Caractérisation de la circulation de Brewer-Dobson Meilleure identification des sources et puits de carbone surfacique Meilleure identification des sources et puits de carbone surfacique Comparaison cohérente entre : Comparaison cohérente entre : Ages de l’air et les observations de Andrews et al Ages de l’air et les observations de Andrews et al Profils verticaux mensuels du CO2 de ACE-FTS par bande de latitude de 10° (Foucher et al. 2009) et ceux du modèle de transport Flexpart Profils verticaux mensuels du CO2 de ACE-FTS par bande de latitude de 10° (Foucher et al. 2009) et ceux du modèle de transport Flexpart Un décalage d’un mois dû à une surestimation de la circulation Brewer- Dobson par le modèle. Un décalage d’un mois dû à une surestimation de la circulation Brewer- Dobson par le modèle. Perspectives  Comparaison plus poussées avec plus de données de ACE-FTS  Comparaison avec les données de SF6 de G. Stiller et al  Etudes de la variabilité et de la tendance Soutenance de stage du Master 2 Aéronautique et Espace 2010

Détermination de profils de CO 2 à partir des fonctions de transmission Profils de concentrations Profils de Pression et de Température Altitude tangente Modèle Longueur d’onde Objectif : Déterminer les profils de concentration de CO 2 Outil : Code de transfert radiatif 4A/OP adapté au limbe ( m ) Paramètres de visée : Altitudes tangentes, Température et Pression provenant des données ACE à partir d’un profil a priori de CO 2. Problèmes : Impossible dans ces conditions de déterminer un profils de CO2 indépendant de l’a priori Grande précision nécessaire sur CO 2 (1-2 ppm) Bonne résolution verticale nécessaire pour les profils de CO 2 (~2km). Nécessité de contraindre l’inversion de CO 2 Solutions retenues: Détermination autonome des altitudes tangentes en utilisant l’absorption du continuum de N 2 Sélection de raies de CO 2 peu sensibles à la température Méthode d’inversion globale (profil total) Détermination d’une contrainte optimale assurant les performances requises Foucher et al, 2009 Soutenance de stage du Master 2 Aéronautique et Espace 2010

Méthode globale d’inversion des profils de CO 2 Méthode de type moindres carrés, processus itératif de Levenberg-Marquardt On cherche à minimiser la fonction de coût y obs le vecteur des observations, y(x i ) les transmissions simulées à chaque itération i, x i le profil de CO 2 à déterminer, e erreur sur la mesure, x a le profil à priori issu du modèle MOZART, S e la matrice variance-covariance du bruit, R la matrice dite de régularisation. Le choix de la matrice de régularisation R est déterminant pour l’obtention d’un profil cohérent et l’amélioration des performances. 3 types de régularisations:-solution mathématique (Tikhonov): R= α* L T L, Contrainte sur la dérivée d’ordre 1 -solution physique: R=α*S a -1, S a -1 : matrice inverse variance covariance des concentrations issue du modèle MOZART -solution physique: R=α*S a -1, S a -1 : matrice inverse variance covariance des concentrations issue du modèle MOZART -compromis: R= α* L T L *diag(S a -1 ) -compromis: R= α* L T L *diag(S a -1 ) Au moins 10 mesures sont nécessaires pour obtenir une précision significative. Ecart type de ~2 ppm et une précision verticale de ~2 km. ~2 ppm et une précision verticale de ~2 km. Soutenance de stage du Master 2 Aéronautique et Espace 2010