Observations continues de la composition atmosphérique au sud Groenland

Continuous monitoring of the atmospheric composition in southern Greenland

• Auteur / Autrice : Jean-Louis Bonne
• Direction : Valérie Masson-Delmotte, Marc Delmotte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Météorologie, océanographie physique et physique de l’environnement
• Date : Soutenance le 27/04/2015
• Etablissement(s) : Versailles-St Quentin en Yvelines
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement [Gif-sur-Yvette]
• Jury : Président / Présidente : Philippe Bousquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Delmotte, Thomas Blunier, Hubert Gallée, Harald Sodemann, Chantal Claud, Martina Schmidt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Blunier, Hubert Gallée

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isotopes

Isotopes stables

Cycle hydrologique

Cycle du carbone

Atmosphère

Mots clés libres

Groenland

Observations atmosphériques continues

Cycle du carbonne

CO2

O2

APO

CH4

Cycle hydrologique

Isotopes stables de l’eau

Greenland

Continuous atmospheric observations

Carbon cycle

CO2

O2

APO

CH4

Hydrologic cycle

Water stables isotopes

Résumé

Le but de ma thèse est de conduire et d’utiliser les premières observations atmosphériquesde surface du CO2, de l’O2, du CH4 et de la composition isotopique de la vapeur d’eau et desprécipitations dans la région peu instrumentée du sud du Groenland. Quelles informations cesobservations locales peuvent-elles nous apporter à la fois concernant les processus atmosphériqueslocaux et concernant le transport atmosphérique à grande échelle ? Peut-on en extrairedes informations sur les échanges entre la surface et l’atmosphère, qui constituent une part crucialedes cycles biogéochimiques du carbone et de l’eau ? L’interprétation paléoclimatique desenregistrements de carottes de glace au Groenland peut-elle bénéficier de ces observations ?Après une validation des observations menées à Ivittuut, sur la côte sud-ouest du Groenland,en regard de normes internationales de qualité, confirmant leur représentativité des variationsatmosphériques, j’ai commencé par interpréter ces observations en analysant leur variabilité àdifférentes échelles de temps et découlant de processus spécifiques. Ceci m’a permis de montrerque le site de mesure était très peu influencé par des phénomènes locaux : peu de sources localesde gaz à effet de serre, et de processus locaux agissant sur la composition isotopique de la vapeurd’eau. Cette caractéristique facilite l’attribution des variations observées à des changements detransport atmosphérique de grande échelle en lien avec des sources distantes.Pour comprendre les variations observées, je les ai mises en relation avec des observationsissues d’autres sites ainsi qu’avec des sorties de modèles atmosphériques de grande échelle. D’unepart, j’ai constaté que de nombreuses variations de la composition atmosphérique à l’échelle synoptiquepouvaient être expliquées par des modifications du transport atmosphérique de grandeéchelle. J’ai aussi pu identifier la représentativité spatiale de nos observations, et contribuerà l’évaluation de modèles atmosphériques de grande échelle. Enfin, un cas d’étude durant lavague de chaleur ayant affecté la totalité du Groenland durant l’été 2012 m’a permis de suivrele transport atmosphérique de masses d’air et d’observer en plusieurs points ses impacts sur lacomposition isotopique de la vapeur d’eau, notamment sur la conservation du signal d’excès endeutérium, qui n’avait jamais été observée auparavant.Enfin, la combinaison des observations et de la modélisation atmosphérique m’a permis demettre en évidence les contributions de l’observation atmosphérique en terme de documentationdes échanges entre la surface et l’atmosphère : par une attribution des valeurs observées auxsources potentielles identifiées par modélisation des masses d’air affectant la station pour le CH4et la composition isotopique de la vapeur d’eau, et par la comparaison des observations à dessimulations de transport direct de sources connues issues d’inventaires pour le CH4 ou modéliséespour le CO2 et l’O2 océanique.

South Greenland is a key region placed under Arctic and Northern Atlantic influences, whichis poorly documented in terms of atmospheric monitoring. The aim of my thesis is to conductand use the first regional atmospheric observations of CO2, O2, CH4 and isotopic compositionof water vapour and precipitation performed in Ivittuut, a coastal site in south-west Greenland.Which information can we infer from these atmospheric observations, in terms of localatmospheric processes and large scale atmospheric transport variations? Can we use these observationsto document the surface-air exchanges of these compounds, which represent an importantpart of the water and carbon biogeochemical cycles?After validating the observations regarding international precision recommandations, I havebeen able to analyse the variabilities at different time scales, resulting from different specificprocesses. This highlighted the fact the atmospheric composition of our site is weakly influencedby local processes, either for local greenhouse gases sources or small scale atmosphericvariations affecting water vapour isotopic composition. This facilitates the interpretation of ourobservations in terms of large scale atmospheric transport signals.To better understand the observed variations, I related our data series with other observationsoriginating from different sites, and with outputs from different atmospheric models. Ihave first witnessed the links between variations of atmospheric composition and large synopticscale atmospheric transport changes. Then, I have identified the spatial representativity of ourobservations and contributed to the evaluation of atmospheric models. The case study of astrong heat wave covering Greenland during summer 2012 allowed me to study the transport ofwater vapour within an air mass between different stations. It allowed me to provide the firstexperimental observation of deuterium excess conservation during atmospheric transport.Finally, combining observations and atmospheric simulations, I have documented surfaceairexchanges of the observed compounds: first by the attribution of observed values of CH4and water vapour isotopic composition to their simulated potential origins, secondly by thecomparison of observed variations with the direct simulation of atmospheric transport of eitherCH4 sources estimated from inventories or simulated CO2 and O2 air-sea fluxes from an oceanmodel.