Estimation des émissions et puits de méthane par inversion atmosphérique multi-contraintes du transport et de la chimie atmosphérique à l'aide d'un ensemble d'observations

par Joël Thanwerdas

Projet de thèse en Météorologie, océanographie, physique de l'environnement

Sous la direction de Philippe Bousquet.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris) , en partenariat avec LSCE - Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (laboratoire) , SATINV (equipe de recherche) et de Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement de préparation de la thèse) depuis le 22-10-2018 .


  • Résumé

    Les activités humaines perturbent les cycles biogéochimiques et contribuent à accroître les concentrations des principaux gaz à effet de serre (GES) dans la basse atmosphère : le gaz carbonique (CO2), le méthane (CH4), le protoxyde d'azote (N2O), l'ozone troposphérique (O3). La connaissance des sources et puits de GES et de leurs précurseurs est fondamentale pour la compréhension des cycles biogéochimiques contemporains, mais aussi pour l'établissement de scénarios d'émissions pertinents destinés aux modèles de prévision du climat futur. Le méthane est le 2e gaz à effet de serre anthropogénique, 30 fois plus puissant que le CO2 à l'échelle de 100 ans pour piéger le rayonnement infrarouge. Le méthane a contribué pour plus de 20% de l'effet de serre additionnel depuis 1750. C'est également un précurseur de vapeur d'eau dans la stratosphère et d'ozone dans la troposphère, deux autres gaz à effet de serre. Le méthane offre également des opportunités intéressantes d'atténuation du changement climatiques, grâce à la variété de ses sources et à son temps de vie assez court dans l'atmosphère (~9 ans). Le méthane est émis par une grande variété de sources qui s'organisent en trois catégories selon le processus responsable de l'émission : émissions biogéniques dues à la décomposition anaérobie de la matière organique par des micro-organismes (zones humides, termites, rivières et lacs, décharges, déchets, ruminants), émissions thermogéniques dues à la formation de combustibles fossiles dans le sous-sol à haute pression et température (dégazage de méthane naturel ou émission liée à l'exploitation du charbon/pétrole/gaz), et émissions pyrogéniques dues à la combustion incomplète de biomasse (feux de forêts, utilisation de biofuels). Ces émissions et puits, ainsi que leurs variations spatiales et temporelles, sont toujours très mal compris aujourd'hui. L'estimation de ces différentes sources de méthane peut se faire à l'aide de modèles de processus, d'inventaires d'émissions, ou par inversion du transport et de la chimie atmosphérique. Cette dernière approche optimise les sources et puits de méthane en combinant de façon optimale, au sens Bayésien, des observations atmosphériques de composés contraignant les sources, un modèle de chimie-transport et une estimation a priori des émissions et puits. Si on utilise seulement des observations de méthane, on obtient une contrainte sur les émissions totales de méthane mais peu sur les contributions des émissions individuelles car l'atmosphère les mélange très efficacement. Il faut donc ajouter d'autres contraintes, par exemple sous la forme d'observations de composés atmosphériques traçant une ou plusieurs sources spécifiquement. C'est le cas des isotopes du méthane 13CH4 et CH3D) qui sont fractionnés différemment selon le processus d'émission, de l'éthane qui peut contraindre les émissions liées aux fuites de gaz naturel, ou des composés halogénés qui peuvent apporter une contrainte sur les concentrations du radical OH, responsable de 90% du puits de méthane atmosphérique. C'est aussi le cas du monoxyde de carbone qui peut contraindre les émissions de méthane liées aux feux de biomasse. L'objet de la thèse est de développer et de mettre en œuvre un système d'inversion atmosphérique multi-contraintes afin d'estimer les sources et puits de méthane depuis l'année 2007. L'évolution récente du méthane atmosphérique est particulièrement intéressante car il augmente de nouveau rapidement après presque 10 ans de stagnation. Le(La) doctorant(e) s'appuiera sur le système d'inversion développé au LSCE, qui est déjà multi-espèces, et l'adaptera pour prendre en compte les isotopes du méthane, l'éthane, les HFCs et tout autre traceur qui sera jugé utile pour contraindre les différentes sources (ex : CO). Après une phase de bibliographie (~3 mois) pour identifier les traceurs retenus in fine, le(la) doctorant(e) fera le développement du système d'inversion (~1 an) et l'utilisera à l'échelle planétaire pour analyser la période de croissance du méthane atmosphérique depuis 2007 (~6 mois) et à l'échelle régionale pour l'Asie du Sud et de l'est, région de fortes émissions et de fort recouvrement entre types de sources (~6 mois). Ce dernier travail s'appuiera sur de nouvelles données atmosphériques disponibles en Inde et en Chine et sur une version zoomée du modèle de transport atmosphérique. Le reste du temps sera consacré, à la formation scientifique, à la rédaction d'article scientifiques et du manuscrit de thèse. Un enjeu scientifique important de cette thèse est de mieux identifier et quantifier les sources responsables des variations du méthane atmosphérique récentes, aujourd'hui toujours mal comprises et très discutées dans la communauté scientifique. Le(La) doctorant(e) pourra s'appuyer sur les moyens de calcul du LSCE et du centre national de calcul TGCC, ainsi que sur l'expertise de l'équipe SATINV du LSCE, qui est parmi les équipes en pointe à l'échelle mondiale sur les méthodes inverses appliquées aux gaz à effet de serre. Le modèle de chimie transport utilisé sera LMDz-INCA et le système d'inversion sera PYVAR, développé au LSCE. Pré-requis : - Connaissances en physico-chimie de l'atmosphère - Compétences informatiques en programmation - Attrait pour la modélisation - Des notions an assimilation de données seront appréciées

  • Titre traduit

    Estimating methane emissions and sinks by multi-constraint inversion of atmospheric transport and chemistry assimilating an ensemble of observations


  • Résumé

    Human activities perturb biogeochemical cycles and contribute to increase the concentrations of the main greenhouse gases (GHGs) in the lower atmosphere: carbon dioxide (CO2), methane (CH4), nitrous oxide (N2O), tropospheric ozone (O3). Knowledge of sources and sinks of GHGs and their precursors is fundamental for understanding contemporary biogeochemical cycles, but also for establishing relevant emission scenarios for climate models. Methane is the second-largest anthropogenic greenhouse gas, about 30 times more powerful than CO2 at the 100-year scale for trapping infrared radiation. Methane has contributed more than 20% of the additional greenhouse effect since 1750. It is also a precursor of stratospheric water vapor and ozone in the troposphere, two other greenhouse gases. Methane also offers interesting mitigation opportunities due to the variety of its sources and its relatively short lifetime in the atmosphere (~9 years). Methane is emitted by a wide variety of sources that are organized into three categories according to the process responsible for the emission: biogenic emissions due to the anaerobic decomposition of organic matter by microorganisms (wetlands, termites, rivers and lakes , landfills, waste, ruminants), thermogenic emissions due to the formation of fossil fuels in the underground under high pressure and temperature (natural methane degassing or emission related to coal / oil / gas exploitation), and pyrogenic emissions due incomplete combustion of biomass (forest fires, use of biofuels). These emissions and sinks, as well as their spatial and temporal variations, are still poorly understood today. Estimation of these different sources of methane can be done using process models, emission inventories, or by inversion of transport and atmospheric chemistry. The latter approach infers methane sources and sinks by optimally combining, in the Bayesian sense, atmospheric observations of source-binding compounds, a transport-chemistry model and a prior estimate of emissions and sinks. If only methane observations are used, a constraint on total methane emissions is obtained but little can be extracted for the contribution of individual emissions because the atmosphere mixes them very efficiently. It is necessary to add additional constraints, for example in the form of observations of atmospheric compounds tracing one or more sources specifically. This is the case of the isotopes of methane 13CH4 and CH3D) which are fractionated differently according to the emission process, ethane which can constrain the emissions related to the leakage of natural gas, or halogenated compounds which can bring a constraint on concentrations of the OH radical, responsible for 90% of the atmospheric methane sink. This is also the case with carbon monoxide, which could constrain the methane emissions associated with biomass burning. The objective of the PhD thesis is to develop, implement, and test a multi-stress atmospheric inversion system to estimate the sources and sinks of methane since 2007. The recent period is of particular interest because atmospheric methane experienced a renewed fast increase after almost 10 years of stagnation. The PhD student will rely on the inversion system developed at the LSCE, which is already multi-species, and will be adapted it to take into account the isotopes of methane, ethane, HFCs and any other tracer that will be considered useful to constrain the different sources (e.g. CO). After a bibliography phase (~ 3 months) to identify the tracers selected in fine, the doctoral student will develop the inversion system (~ 1 year) and use it on a global scale to analyze the atmospheric methane growth period since 2007 (~ 6 months) and at the regional scale for South and East Asia, a region of high emissions and strong recovery between source types (~ 6 months). This latest work may tyake benefit on the new atmospheric data available in India and China and on a zoomed version of the atmospheric transport model. The rest of the time will be spent in scientific training, writing scientific articles and the PhD thesis manuscript. An important scientific issue of this thesis is to better identify and quantify the sources responsible for the recent variations in atmospheric methane, which are still poorly understood and discussed today in the scientific community. The PhD student will be able to rely on the LSCE and the national TGCC computing resources, as well as on the expertise of the LSCE's SATINV team, which is one of the leading teams in the field of global scale inverse methods applied to greenhouse gases. The transport chemistry model used will be LMDz-INCA and the inversion system will be PYVAR, both developed at LSCE. Prerequisites: - Knowledge of physico-chemistry of the atmosphere and biogeochemical cycles - Computer skills and interest in programming - Interest for modeling - Notions of data assimilation will be appreciated