Modélisation des aérosols marins et de leur impact radiatif direct sur le bassin méditerranéen dans le cadre du projet CHARMEX

Modelisation of marine aerosols and their direct radiative impact on the mediterranean basin in the context of the CHARMEX project

• Auteur / Autrice : Marine Claeys
• Direction : Jean-Louis Brenguier, Gregory Roberts
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, climat
• Date : Soutenance le 07/12/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre national de recherches météorologiques (France)
• Jury : Président / Présidente : Céline Mari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Menut, Jacques Piazzola, Malik Chami, Karine Sellegri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Menut, Jacques Piazzola

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérosols atmosphériques

Modélisation tridimensionnelle

Aérosols marins

Mots clés libres

CHARMEX

Effet direct

Aérosols

Bassin méditerranéen

Méso-NH

Marin

CHARMEX

Direct effect

Aerosol

Mediterranean basin

Meso-NH

Marine

Résumé

Les océans couvrant plus de 70 % de la surface de la Terre, les aérosols marins sont une des composantes les plus importantes en terme de concentration atmosphérique. De part leur large gamme de taille, ils interagissent à la fois dans les courtes et grandes longueurs d’onde et impactent ainsi le bilan radiatif à la surface et au sommet de l’atmosphère. Cependant, l’amplitude de cet impact climatique est encore soumise à de nombreuses incertitudes. Actuellement en modélisation, il existe très peu de cas d’études centrés sur les aérosols marins au niveau régional, la plupart étant réalisés au niveau global. Dans ce cadre et afin d’améliorer la connaissance des propriétés des aérosols marins et leurs effets radiatifs dans le bassin méditerranéen, le projet ChArMEx qui s’est déroulé pendant les étés 2013 et 2014, a permis la mise en place de plusieurs sites de mesures, notamment a Ersa (Cap Corse), ainsi que des observations aéroportées. Les observations réalisées à Ersa ont permis de repérer dans une première étude une période (22-26 juin) influencée majoritairement par les aérosols marins lors de l’été 2013 et de caractériser leurs propriétés physico-chimique, optiques et radiatives. De plus, l’impact de ces aérosols marins a pu être comparé à l’influence d’autres types d’aérosols présents dans le bassin méditerranéen (poussières désertiques, aérosols anthropiques et issus de feux de biomasse) également observés pendant la campagne de mesure. L’étude combinée de la composition chimique des aérosols marins et des rétro-trajectoires issues du modèle FLEXPART a permis également de mettre en évidence les multiples origines des aérosols marins, avec des émissions locales et des aérosols âgés associés à du transport longue distance. En se basant sur cette analyse, le modèle MesoNH a été utilisé pour étudier dans un premier temps les émissions, le transport et la concentration atmosphèrique des aérosols marins à l’échelle régionale, sur cette période d'étude. Pour cela, un nouveau schéma d’émission basé sur une paramétrisation récente (Ovadnevaite et al., 2014) a été implémenté dans le modèle. Celle-ci dépend, en plus de la vitesse du vent à la surface, de l’ etat de la mer (représenté par la hauteur des vagues, la température de surface de l’eau ainsi que la salinité). Une première simulation tri-dimensionnelle comprenant trois domaines imbriqués a donc été réalisée sur un domaine méditerranéen du 12 au 27 juin 2013. Les observations réalisées pendant la campagne de mesure ChArMEx-ADRIMED ont permis d’évaluer la capacité du modèle à simuler la concentration en masse et en nombre des aérosols marins ainsi que leur distribution granulométrique. Un deuxième cas d’étude, se déroulant pendant un cas de mistral/tramontane dans le golfe du Lion en juillet 2014, a également été simulé afin d’évaluer dans un second temps les effets radiatifs directs à la surface et au sommet de l’atmosphère (dans les courtes et grandes longueurs d’ondes). Cette simulation est supportée par des observations aéroportées réalisées dans le cadre de la campagne SAFMED+ ainsi que par des observations satellitaires et de télédétection (réseau AERONET). Ce travail indique également un forçage radiatif direct négatif des aérosols marins à la surface, qui est compensé, pour une très faible part, par le forçage radiatif positif exercé dans les grandes longueurs d’ondes.

As the oceans cover more than 70 % of the surface area of the Earth, marine aerosols compose one the most important aerosol types in term of atmospheric burden. As their size distribution comprises submicron and supermicron ranges, marine aerosol interacts with both shortwave and longwave radiation, leading to a radiative impact at the surface, within the atmosphere, and at the top of the atmosphere. However, the magnitude of its climatic impact is still subject to many uncertainties. Most model studies of marine aerosol emissions and their radiative impacts have focused on the global scale rather than the regional scale. In this context and in order to improve the knowledge of aerosol properties in the Mediterranean, and in particular, their impact on regional climate, the ChArMEx-ADRIMED field campaign took place in the Western Mediterranean Basin during the summer 2013. Several ground-based stations were operated throughout the Mediterranean Basin, including a station in Ersa (Corsica). During the ChArMEx-ADRIMED observation period, a major influence of marine aerosols was detected (22-26 June), allowing the characterization of their physical, chemical, optical and radiative properties. Moreover, the radiative impact of marine aerosols was compared to the influence of other types of aerosols usually present in the Mediterranean Basin (desert dust, anthropogenic and biomass burning aerosols) also observed during the field campaign. The combined study of the chemical composition of marine aerosols and backward trajectories using the FLEXPART model was used to characterize aging and origins of marine aerosols observed at the Ersa Station. For this work, the regional scale MesoNH model has been modified to study the radiative effect of marine aerosols on the Mediterranean Basin using a new marine aerosol emission scheme based on a recent parameterization (Ovadnevaite et al., 2014). This parameterization depends not only on the wind speed but also on the sea state (represented by wave height, sea surface temperature and the surface water salinity). A three-dimensional simulation including three nested domains was then conducted on a Mediterranean domain from 12 to 27 June 2013. The observations made during the ChArMEx-ADRIMED field campaign were used to evaluate this parameterization, via comparisons of the modeled and measured mass and number concentration of marine aerosols, as well as their size distribution. Another case study was conducted to assess the shortwave and longwave direct radiative effect, at the surface and top of the atmosphere, of marine aerosol during a period of strong winds (> 20 m s-1; Mistral) in the Golf of Lion (Western Mediterranean Basin). This simulation was conducted in conjunction with airborne observations (during the SAFMED+ field campaign), satellite and remote sensing (AERONET network) observations. Furthermore, this work indicate a negative direct radiative effect at the surface, only partly counterbalanced by a positive forcing in the longwave radiation.