Pluriannual simulations of mineral dust emissions from North-eastern Asia and North Africa Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques.

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1 Pluriannual simulations of mineral dust emissions from North-eastern Asia and North Africa Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques European Geophysical Union, Vienna, 2-7 April 2006 Benoit Laurent, Béatrice Marticorena, Gilles Bergametti blaurent@lisa.univ-paris12.fr

2 Le cycle des aérosols désertiques Apport de nutriments (Fe, P …) dans les zones de retombées Impact sur le bilan radiatif terrestre Participation à la chimie multiphasique atmosphérique Conséquences socio-économiques Appauvrissement des sols (horizons fertiles) en zone source Géomorphologie éolienne (ergs, loess …) Sédimentation océanique profonde Différents impacts

3 D’après Chester [1986]  Variabilité spatiale due à la distance aux zones sources (6 ordres de grandeurs)  Variabilité temporelle due à la fréquence et à l’intensité des émissions (3 ordres de grandeurs) Variabilité des concentrations d’aérosols désertiques Concentrations typiques d’aérosols désertiques au dessus des océans (µg.m -3 )

4 L’érosion éolienne, un phénomène à seuil Émissions spatialement hétérogènes et sporadiques Seuil d’érosion → caractéristiques de surface = variables dans l’espace → paramètres météo = variables dans le temps et l’espace Étude des émissions journalières pour une période représentative sur un plan climatologique Étude de domaines continentaux avec une résolution adaptée pour étudier la variabilité spatiale des émissions Plusieurs échelles de temps mise en jeu Vastes étendues désertiques et spécificités des sources Au sein des grandes régions désertiques  sources localisées et variables Forte variabilité temporelle sur ≠ échelles de temps (daily, seasonal, annual)

5 Quantifier les émissions d’aérosols désertiques Déterminer des zones les plus émettrices en fréquence et en intensité Documenter la variabilité des émissions journalières, saisonnières, interannuelles Simulations des émissions d’aérosol désertique Principaux objectifs Pour le nord-est de l’Asie et le nord de l’Afrique

6 Modélisation à l’échelle continentale - Utilisation du modèle d’émission explicite MB95 - Établissement de données d’entrée à une résolution adaptée Simulation des fréquences et des flux d’émission d’aérosols désertiques sur plusieurs années avec un pas de temps inférieur à la journée pour le NE de l’Asie et pour le N de l’Afrique Cohérence des données et des résultats à partir des données disponibles Simulations des émissions d’aérosol désertique Méthode générale développée

7 Modèle d’émission d’aérosols désertiques MB 95 Modèle d’émission MB95 développé au LISA [Marticorena et Bergametti, 1995] Description physique des processus d’émission Variables intégratives pour une application à grande échelle

8 U * > U * t  Seuil d’érosion Principe général du seuil d’érosion Dans des conditions de neutralité thermique: Représentation de l’effet du sol sur l’écoulement de l’air contrainte tangentielle de cisaillement t exercée par l’écoulement sur le sol Moteur de l’érosion éolienne: contrainte de cisaillement

9 Vitesse de friction seuil pour une surface lisse et un sol sec Énergie minimale requise Énergie éolienne transmise Parametrisation de U * t

10 Vitesse de friction seuil pour une surface lisse et un sol sec U * t = f (D p,  a,  p ) [Iversen et White, 1982] Énergie minimale requise poids forces de cohésion interparticulaires Forces de maintien = f(D p ) U * t augmente avec D p U * t augmente quand D p diminue Parametrisation de U * t

11 Humidité résiduelle des sols (w’) = f (% argile) [Fécan et al., 1999] Film d’adsorption poids forces de cohésion interparticulaires forces capillaires poids forces de cohésion interparticulaires Vitesse de friction seuil pour une surface lisse et un sol humide Énergie minimale requise W > W’ Film d’adsorption Eau entre les interstices FcFc Parametrisation de U * t

12 U* tw /U* td = f (w,%argile) [Fécan et al., 1999] Vitesse de friction seuil pour une surface lisse et un sol humide poids forces de cohésion interparticulaires forces capillaires poids forces de cohésion interparticulaires Énergie minimale requise Parametrisation de U * t Sable  Silt  Argile

13 Énergie éolienne transmise Éléments de rugosité (cailloux, végétation pérenne …) Fraction efficace f eff = f(Z 0, Z 0s )  tot ss rr rr  tot =  r +  s Vitesse de friction seuil pour une surface rugueuse poids forces de cohésion interparticulaires forces capillaires poids forces de cohésion interparticulaires Énergie minimale requise ss Parametrisation de U * t

14 Vitesse de friction seuil pour une surface rugueuse [Marticorena et al., 1997] U * t = f (D p,Z 0 ) Énergie éolienne transmise Éléments de rugosité (cailloux, végétation pérenne …)  tot ss rr rr  tot =  r +  s Parametrisation de U * t Fraction efficace f eff = f(Z 0, Z 0s )

15 Principe du modèle d’émission d’aérosols désertiques CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACE Hauteur de rugosité (Z 0 Z 0s ) Répartition de l’énergie éolienne entre les obstacles et la surface érodable Énergie minimale nécessaire pour initier le mouvement Vitesse de friction seuil DONNEES METEOROLOGIQUES Humidité des sols (w, w’) Vents de surface (U10m) Taille des grains du sol (D p ) Texture (%argile, %sable,%silt) Precip., alb., T°, geopot. SEUIL D’EROSION

16 Saltation Vent de surface Flux horizontal G Processus mis en jeu dans la production des aérosols désertiques U* > U* t Flux horizontal de saltation des grains du sol (G) [Marticorena and Bergametti,1995] [White,1979]

17 Pas de particules de taille micronique libres dans les sols Nécessité d’une action mécanique Processus mis en jeu dans la production des aérosols désertiques Distribution en taille des particules dans les sols D’après Shao, [2000] Sol argileuxSol sableux ○ Faiblement dispersé  Dispersé  Dans leur état naturel

18 Processus mis en jeu dans la production des aérosols désertiques Flux vertical F Flux vertical d’émission d’aérosols désertiques (F) Saltation Sandblasting Vent de surface Flux horizontal G [Marticorena and Bergametti,1995] F =  G [Marticorena and Bergametti,1995] et  = f(% argile) U* > U* t

19 Principe du modèle d’émission d’aérosols désertiques CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACE Hauteur de rugosité (Z 0, Z 0s ) Répartition de l’énergie éolienne entre les obstacles et la surface érodable Énergie minimale nécessaire pour initier le mouvement Vitesse de friction seuil DONNEES METEOROLOGIQUES Humidité des sols (w, w’) Vents de surface (U10m) Couverture neigeuse Taille des grains du sol (D p ) Texture (%argile, %sable,%silt) Precip., alb., T°, geopot. SEUIL D’EROSION Flux horizontal, G Flux vertical d’aérosols désertiques, F SALTATION SANDBLASTING %surface érodable (E) %argile Capacité du sol à libérer des particules transportables Rapport du flux vertical au flux horizontal, 

20 Principe du modèle d’émission d’aérosols désertiques CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACE Hauteur de rugosité (Z 0, Z 0s ) Répartition de l’énergie éolienne entre les obstacles et la surface érodable Énergie minimale nécessaire pour initier le mouvement Vitesse de friction seuil Humidité des sols (w, w’) Taille des grains du sol (D p ) Texture (%argile, %sable,%silt) SEUIL D’EROSION Flux horizontal, G Flux vertical d’aérosols désertiques, F SALTATION SANDBLASTING %surface érodable (E) %argile Capacité du sol à libérer des particules transportables Rapport du flux vertical au flux horizontal,  DONNEES METEOROLOGIQUES Vents de surface (U10m) Couverture neigeuse Precip., alb., T°, geopot. Intensité des émissions (quantités) Fréquence des soulèvements (localisation spatiale et temporelle)

21 Données d’entrée du modèle d’émission Taille des grains du sol (D p ) Texture (%argile, %sable,%silt) %surface érodable (E) CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACE Hauteur de rugosité (Z 0, Z 0s ) DONNEES METEOROLOGIQUES Vents de surface (U10m) Couverture neigeuse Precip., alb., T°, geopot.

22 Estimation de Z 0 à partir du coefficient de protrusion POLDER-1 Méthodes non adaptées pour une étude à grande échelle Mesures de profil vertical de vitesse de vent Détermination de Z 0 [Callot et al., 2000] Estimation (étude géomorphologique) LIMITATIONS - Qualité et quantité de documentation/données disponibles à haute résolution - Observations directes = calage quantitatif LIMITATION - Mesures ponctuelles

23 Coefficient de protrusion PC = k 1 /k 0, caractérise la rugosité de surface Mesures de  (  s,  v,  ) + Modèle de BRDF de Roujean Ajustement sur trente jours Produits standards: k 0, k 1, et k 2 liés aux caractéristiques de surface 200 observations Estimation de Z 0 à partir du coefficient de protrusion POLDER-1 Détermination de Z 0 Télédétection POLDER-1 (POLarization and Directionality of the Earth’s Reflectance)  s: angle zénithal de la source  v: angle zénithal de visée  : angle azimutal relatif Réflectance bidirectionnelle:  (  s,  v,  ) - Nombreuses mesures: (période de revisite quasi-quotidienne, jusqu ’ à 14 visées à chaque passage du satellite) - Couverture globale, résolution (~6 km x 7 km, ~1/16°) - Deux longueurs d ’ onde (670 nm et 865 nm) - Huit mois de fonctionnement (30 Octobre 96 au 30 Juin 97) Chaîne de traitement POLDER-1

24 Estimation de Z 0 à partir du coefficient de protrusion POLDER-1 [Marticorena et al., 2004] Z 0 = a.exp (PC / b) a = 4.859.10 -3 cm, b = 0.052 Relation empirique Produits de surface POLDER-1  Estimations (Sahara) □ Mesures (USA, Namibie) Z 0 (cm) PC = k 1 /k 0

25 Estimation de Z 0 à partir du coefficient de protrusion POLDER-1 Cartes des Z 0 Nord-est de l’Asie Nord de l’Afrique Mêmes données, même composition pour les deux régions → Tests sur la résolution: optimale ¼°  ¼° → Cartes composites des PC: critères de qualité, représentativité

26 carte Z 0 (¼° × ¼°) carte de vitesse seuil d’érosion à 10 m (¼° × ¼°) U * t = f (D p,Z 0 ) et le profil vertical de vitesse de vent à la neutralité Z 0 et vitesse seuil d’érosion à 10 m m.s -1 U t (10m) [Laurent et al., J.G.R., 2005]

27 U t (10m) Dans le désert du Taklimakan: ● Nos résultats: médiane ~7 m.s -1 ● Vitesses de vent associées à des tempêtes de sable: 6-8 m.s -1 [Wang et al., Water, Air, and Soil Poll., 2003] Dans le désert de Gobi: ● Nos résultats: médiane ~15 m.s -1 ● Vitesses de vent associées à des tempêtes de sable: 11-20 m.s -1 [Natsagdorj et al., Atmos. Env., 2003] ● Études en souffleries: 10-12 m.s -1 [Murayama, Met. Satell. Cent. Tech. Note, 1988; Hu and Qu, Chin. Meteo. Press, 1997] Z 0 et vitesse seuil d’érosion à 10 m m.s -1 Très bonne représentation des seuils d’érosion

28 Données d’entrée du modèle d’émission Taille des grains du sol (D p ) Texture (%argile, %sable,%silt) %surface érodable (E) Hauteur de rugosité (Z 0, Z 0s ) CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACEDONNEES METEOROLOGIQUES Vents de surface (U10m) Couverture neigeuse Precip., alb., T°, geopot.

29 Granulométries sèches et textures des sols dérivées de mesures échantillonnage in situ tamisage à sec  Mesures de granulométrie sèche  Mesures de texture échantillonnage in situ dispersion par voie humide Même protocole dans les deux régions, mais spatialisation de l’information ≠ Détermination des données de sols Distribution granulométrique (D pi,  i,% i ) Fonctions lognormales %argile, %silt, %sable

30 Echantillonnage in situ des zones désertiques Dispersion faible pour les mesures de chaque désert Echantillonage des granulométries sèches et textures des sols [Mei et al., 2004] Loess Sandy Loess [Yang et al., 2001] Nord-est de l’Asie

31 Population 1Population 2 %argile%silt%sable MMD 1 (µm) 11 P 1 (%)MMD 2 (µm) 22 P 2 (%) Gobi861.38424571.745811.934.153.0 Loess area651.28100---17.079.53.5 Sandy Loess area741.17100---17.079.53.5 Taklimakan and Kumtaq841.34974421.4232.010.787.8 Ulan Buh and Badain Jaran971.30523161.59483.48.688.2 Tengger and Kubqi1201.48723221.29282.67.390.7 Mu Us991.17353301.37651.67.790.2 Horqin3151.29100---1.67.790.2 East of Xinjiang area901.24292931.66719.934.755.3 Hexi Corridor971.26403861.59604.814.880.6 Gurban Tunggut941.12361701.69643.613.582.0 [Laurent et al., GPC, sous presse] Spatialisation des granulométries sèches et textures des sols Nord-est de l’Asie

32 Spatialisation des granulométries sèches et textures des sols Granulométries sèches de surface cartographiées 1° x 1° [Marticorena et al., 1997; Callot et al., 2001] Granulométries sèches et %argile des sols au 1 / 4 ° x 1 / 4 ° Carte Z 0 ( 1 / 16 °) Nord de l’Afrique  Information de base 50% reg 50% erg 1°x1° Carte IGN 11°12° 28° 29° Information spatialisée 1°x1° 11°12° 28° 29°

33 Spatialisation des granulométries sèches et textures des sols (n= 18) Détermination de la texture complète des sols du N de l’Afrique à partir du %argile Relation entre %argile et %sable Nord de l’Afrique

34 Données d’entrée du modèle d’émission Taille des grains du sol (D p ) Texture (%argile, %sable,%silt) %surface érodable (E) Données de surface de l’ECMWF - Base de données opérationnelles (OAA) - Base de données réanalysées (ERA 40) CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACE Hauteur de rugosité (Z 0, Z 0s ) DONNEES METEOROLOGIQUES Vents de surface (U10m) Couverture neigeuse Precip., alb., T°, geopot.

35 Données météorologiques ECMWF Vent de surface Fréquence vitesse de vent (OAA) > 6.5 m.s -1 (1997) Couverture neigeuse Humidité des sols Base de données ERA-40 Calcul de l’humidité Precip., alb., T°, geopot. Texture des sols Fréquence vitesse de vent (ERA 40) > 6.5 m.s -1 (1997) % %

36 Simulation des émissions du nord-est de l’Asie Résultats

37 Localisation des zones d’émissions fréquentes du NE de l’Asie [Sun J. et al., 2001][Sun L. et al., 2003] Tempêtes de poussières 1960-1999Tempêtes de poussières 1961-2000 Fréquences d’émission 1996-2001 (ERA-40)

38 Longitude Comparaison avec les fréquences de l’Indice d’Aérosol Absorbant (AAI) TOMS (1997-1999) Fréquences simulées d’émission significative de poussière (flux > 10 -10 g.cm -2.s -1 ) Fréquences de AAI TOMS > 0.7 Simulation des fréquences d’émission du NE de l’Asie Latitude [Laurent et al., JGR, 2005] Dans le désert du Taklimakan: Monthly average dust event frequency Monthly average frequency of TOMS AAI > 0.7 r ~ 0.95 slope ~ 0.44 OAA ECMWF

39 Simulations des émissions journalières pour le printemps 2001 Dans le désert du Taklimakan Dans les déserts du nord de la Chine et de Gobi Comparaison avec les mesures de réduction de visibilité des stations météorologiques [Laurent et al., GPC, sous presse]

40 Simulation du cycle saisonnier des émissions du NE de l’Asie Occurrence Intensité Moyenne sur la période 1996-2001 [Laurent et al., GPC, sous presse]

41 Émissions annuelles du NE de l’Asie t Émissions annuelles moyennes (1996-2001) [Laurent et al., GPC, sous presse] 240 Mt/an pour l’ensemble de la zone étudiée

42 Intensité Occurrence Variabilité interannuelle des émissions du NE de l’Asie [Laurent et al., GPC, sous presse] Période 1996-2001

43 Simulation des émissions du NE de l’Asie Influence de l’humidité des sols et de la couverture neigeuse sur les quantités d’aérosol émises (1996-2001) [Laurent et al., GPC, sous presse]

44 ● Principales zones d’émission d’aérosol désertique - le désert du Taklimakan: source régulière - les déserts du nord de la Chine: source assez régulière et intense - le désert de Gobi: source sporadique mais hyper intense ● Cycle saisonnier des émissions - en fréquence: prononcé avec un maximum au printemps et régulier - en intensité: marqué avec un maximum au printemps mais extrêmement variable ● Influence de l’humidité des sols et de la couverture neigeuse - faible sur le cycle saisonnier et sur la variabilité interannuelle - importante en hiver ● Estimation des émissions - ~240 Mt/an - forte variabilité annuelle entre 100 et 460 Mt/an Synthèse des principaux résultats obtenus pour le NE de l’Asie

45 Simulation des émissions du nord de l’Afrique Résultats

46 Simulation des émissions du N de l’Afrique Comparaison avec les fréquences de l’IDDI Météosat (1996-2001) Fréquences simulées d’émission significative de poussière (flux > 10 -10 g.cm -2.s -1 ) Fréquences des IDDI > 25 cts pour des vitesses de vent > 4 m.s -1

47 Simulation des émissions du N de l’Afrique Comparaison avec les fréquences de l’AAI TOMS (1997-1999) Fréquences simulées d’émission significative de poussière (flux > 10 -10 g.cm -2.s -1 ) Fréquences des AAI TOMS > 0.7 Zones sources simulées conforme IDDI ou AAI Sous estimation pour Bodélé sur estimation pour la côte Ouest

48 Simulation des émissions du N de l’Afrique - estimations de d’Almeida [1986] (moyenne pour 1981 et 1982, en noir) - simulations de ce travail (moyenne pour 1996-2001, en gris). Cycle saisonnier des émissions mensuelles simulées en Mt pour le Sahara

49 Simulation des émissions du N de l’Afrique Épaisseurs optiques en aérosols (Méditerranée orientale) Épaisseurs optiques en aérosols (Cap Vert) D’après Moulin et al. [1998] Sahara occidental (19°O-14°E) Occurrences Sahara oriental (14°E-40°E) Occurrences

50 Simulation des émissions du N de l’Afrique Émissions annuelles moyennes (1996-2001) 670 Mt/an pour l’ensemble de la zone étudiée t

51 Simulation des émissions du N de l’Afrique Sahara occidental Sahara oriental Intensité Occurrence Intensité Occurrence Période 1996-2001

52 ● Principales zones d’émission d’aérosol désertique - Mauritanie/Mali, la côte Mauritanie/Sahara Occidental, la sebkha Mekherrane, désert de Libye - surestimation sur la côte et sous estimation Bodélé ● Cycle saisonnier des émissions - Sahara occidental: maximum en été, cycle marqué et régulier en fréquence et en intensité - Sahara oriental: maximum au printemps, régulier en fréquence mais d’intensité variable - pas d’influence de l’humidité des sols sur le cycle saisonnier ● Estimation des émissions - ~670 Mt/an - variabilité interannuelle entre 585 et 760 Mt/an, notamment pour la partie orientale Synthèse des principaux résultats obtenus pour le N de l’Afrique

53 Comparaison des émissions du NE de l’Asie et du N de l’Afrique Emissions Nord-est de l’AsieNord de l’Afrique Total (en Mt) en Mten %en Mten % 199620422,669977,4903 199710013,862786,2727 199833230,475969,61091 199915120,558579,5736 200020524,264375,8848 200145939,670060,41159 Moyenne24225,266974,8911  1318,9628,9180  Quantification des émissions de 1996 à 2001

54 Fréquence ≠ Intensité Caractérisation de la variabilité des émissions Conclusions complémentarité des études en fréquence et en intensité des émissions description sur plusieurs années des émissions journalières  hiérarchisation différentes des sources

55 PRODUITS ● Rugosité de surface ● Seuil d’érosion ● Granulométrie sèche des sols MODELE D’EMISSION D’AEROSOLS DESERTIQUES RESULTATS ● Simulations journalières au ¼° x ¼° ● Quantification des émissions ● Description du cycle saisonnier ● Interannualité Conclusions

56 Perspectives Champs de vent: point critique - comparaison avec les mesures des stations météorologiques - quantification du biais Approche de simulation à plus fine échelle spatiale et temporelle - modèles météorologiques régionaux Base de données des états de surfaces à compléter - nouveaux produits disponibles (POLDER 2, Parasol, ERS …) - nouvelles données expérimentales sur les sols Nouveaux produits aérosols de comparaison Application a d’autres régions

57 Pluriannual simulations of mineral dust emissions from North-eastern Asia and North Africa Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques European Geophysical Union, Vienna, 2-7 April 2006 Benoit Laurent, Béatrice Marticorena, Gilles Bergametti blaurent@lisa.univ-paris12.fr