Simulations des émissions d’aérosols désertiques à l’échelle continentale: Analyse climatologique des émissions du nord-est de l’Asie et du nord de l’Afrique.

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1 Simulations des émissions d’aérosols désertiques à l’échelle continentale: Analyse climatologique des émissions du nord-est de l’Asie et du nord de l’Afrique Benoit Laurent Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques 14 décembre 2005, Université Paris 12, Créteil Sous la direction de Béatrice Marticorena et Gilles Bergametti

2 Transport Dépôt sec Émissions depuis les zones désertiques Dépôt humide Le cycle des aérosols désertiques

3 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

4 D’après Duce [1995] et Zender et al. [2004] Les émissions d’aérosols désertiques Références Emissions annuelles (Mt.an -1 ) Judson [1968]60-360 Peterson et Junge [1971]500 Hidy et Brock [1971]60-360 SMIC [1971]100-500 Joseph et al. [1973]130-200 d’Almeida [1986]1800-2000 Schütz [1987]2000 Jaenicke et Matthias-Masser [1992]1500-2000 Tegen et Fung [1994] 3000 Duce [1995] 1000-2000 Tegen et Fung [1995]1222 Mahowald et al. [1999] 3000 Penner et al. [2001]2150 Chin et al. [2002]1650 Werner et al. [2002] 1060 ± 194 Tegen et al. [2002] 1100 Mahowald et Luo [2003]1654 Tegen et al. [2004]1921 Quantification des émissions annuelles

5 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 )

6 Variabilité spatiale des émissions d’aérosols désertiques Au sein des grandes régions désertiques  sources localisées et variables Com. pers. J.F. Léon (LOA) Index d’aérosol atmosphérique saisonnier dérivé de Météosat (IDDI) (1994-2002)

7 Données du réseau AERONET mesures individuelles moyenne glissante sur 30 jours Variabilité temporelle des émissions d’aérosols désertiques Épaisseurs optiques (AOT) à 670 nm au Cap Vert Forte variabilité temporelle sur ≠ échelles de temps

8 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 sur 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

9 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

10 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

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

12 U * > U * t  Seuil d’érosion Principe général du seuil d’érosion Dans des conditions de neutralité thermique: Profil de vitesse du vent: U(z) composante horizontale de la vitesse du vent, en fonction de l’altitude z Représentation de l’effet du sol sur l’écoulement de l’air contrainte tangentielle t exercée par l’écoulement sur le sol

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

14 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

15 Humidité résiduelle des sols (w’) = f (% argile) [Fécan et al., 1999] Film d’absorption 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’absorption Eau entre les interstices FcFc Parametrisation de U * t

16 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

17 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

18 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 Fraction efficace f eff = f(Z 0, Z 0s ) Parametrisation de 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) Taille des grains du sol (D p ) Texture (%argile, %sable,%silt) Precip., alb., T°, geopot. SEUIL D’EROSION

20 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]

21 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 ○ Prôche état naturel  Dispersé

22 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

23 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,  AJOUTER FLECHES

24 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. Fréquence des soulèvements (localisation spatiale et temporelle) Intensité des émissions (quantités)

25 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.

26 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

27 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 Surfaces stables dans le temps donc composition possible

28 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

29 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 → Résolution optimale ¼°  ¼° → Cartes composites des PC

30 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 [Laurent et al., J.G.R., 2005] U t (10m)

31 [Laurent et al., J.G.R., 2005] 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

32 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.

33 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

34 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

35 Population 1Population 2 %argile%silt%sable MMD 1 (µm) 11 P 1 (%)MMD 2 (µm) 22 P 2 (%) Gobi (a)861.38424571.7458 XXX Loess area (b)651.28100--- XXX Sandy Loess area (b)741.17100--- XXX Taklimakan and Kumtaq (a)841.34974421.423 XXX Ulan Buh and Badain Jaran (a)971.30523161.5948 XXX Tengger and Kubqi (a)1201.48723221.2928 XXX Mu Us (a)991.17353301.3765 XXX Horqin (a)3151.29100--- XXX East of Xinjiang area (a)901.24292931.6671 XXX Hexi Corridor (a)971.26403861.5960 XXX Gurban Tunggut (a)941.12361701.6964 XXX [Laurent et al., GPC, sous presse] Spatialisation des granulométries sèches et textures des sols Nord-est de l’Asie

36 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 IGN Carte POLDER-1 1 / 16 ° Nord de l’Afrique  Information spatialisée Information de base 50% reg 50% erg 1°x1° Carte IGN

37 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

38 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.

39 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 (surface et profil) Fréquence vitesse de vent (ERA 40) > 6.5 m.s -1 (1997) % %

40 Principe du modèle d’émission d’aérosols désertiques CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACE 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,  Hauteur de rugosité (Z 0, Z 0s ) DONNEES METEOROLOGIQUES Vents de surface (U10m) Couverture neigeuse Precip., alb., T°, geopot.

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

42 Localisation des zones d’émission fréquente du NE de l’Asie [Sun J. et al., 2001][Sun L. et al., 2003] Tempêtes de poussières 1960-1999Tempêtes de poussières 1961-2000 ERA-40 ECMWF 1996-2001

43 Longitude Comparaison avec les fréquences de l’Index 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

44 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]

45 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]

46 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

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

48 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]

49 ● 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

50 Simulation des émissions du nord de l’Afrique Résultats

51 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 comptes pour des vitesses de vent > 4 m.s -1

52 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 de AAI TOMS > 0.7

53 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

54 Simulation des émissions du N de l’Afrique Sahara occidental Épaisseurs optiques Méditerranée orientale Épaisseurs optiques Cap Vert D’après Moulin et al. [1998] Sahara oriental 14°E Sahara oriental

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

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

57 ● Principales zones d’émission d’aérosol désertique - Mauritanie/Mali, la côte Mauritanie/Sahara Occidental, la sebkha Mekherrane … comparaison AAI TOMS et les IDDI Météosat - 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

58 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

59 Fréquence ≠ Intensité Caractérisation de la variabilité des émissions Conclusions complémentarité d’une étude des fréquences d’événements et d’une étude de l’intensité des émissions description sur plusieurs années des émissions journalières

60 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

61 Perspectives Champs de vent: point critique comparaison des champs de vent ECMWF avec les mesures des stations météorologiques devrait permettre, si ce n’est de s’affranchir de ce biais, d’au moins en évaluer les conséquences Approche de simulation à plus fine échelle spatiale et temporelle à partir de modèles météorologiques régionaux mieux résolus Base de données des états de surfaces à compléter car nouveaux produits disponibles (POLDER 2, ERS …) et nécessité nouvelles données mesurées pour contraindre le systèmes Nouveaux produits de comparaison Application a d’autres régions

62 Simulations des émissions d’aérosols désertiques à l’échelle continentale: Analyse climatologique des émissions du nord-est de l’Asie et du nord de l’Afrique Benoit Laurent Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques 14 décembre 2005, Université Paris 12, Créteil Sous la direction de Béatrice Marticorena et Gilles Bergametti

63 Vitesse de friction seuil Énergie minimale requise Énergie éolienne transmise Éléments de rugosité (cailloux, végétation pérenne …) poids, forces de cohésion interparticulaires, forces capillaires Parametrisation explicite de U* t Forces de maintien = f(D p, Humidité des sols) Fraction efficace f eff = f(Z 0, Z 0s ) ss  tot ss rr rr  tot =  r +  s