Estimation des sources et puits de méthane en Arctique par assimilation de données atmosphériques

Estimating methane sources and sinks in the Arctic using atmospheric data assimilation

• Auteur / Autrice : Sophie Wittig
• Direction : Isabelle Pison, Antoine Berchet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Soutenance le 13/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Brogniez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andreas Stohl, Tuula Aalto, Line Jourdain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas Stohl, Tuula Aalto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arctique -- Climat

Bilan des émissions de gaz à effet de serre

Simulation, Méthodes de

Climat

Modèles écologiques

Méthane atmosphérique

Mots clés libres

Méthane

Arctique

Inversions

Émissions

Methane

Arctic

Inversion

Emission

Résumé

L'Arctique est une région critique pour le changement climatique. Les températures aux hautes latitudes Nord augmentent environ trois fois plus vite que la moyenne mondiale : les changements environnementaux tels que la diminution de l'étendue de la banquise ou le dégel du pergélisol progressent donc rapidement. En conséquence, des rétroactions climatiques positives sont déclenchées dans cette région, ce qui accélère encore son réchauffement. L'un de ces changements est la possible augmentation des émissions de méthane (CH4). Le CH4 est un puissant gaz à effet de serre dont la concentration moyenne mondiale dans l'atmosphère a augmenté d'environ 160 % depuis l'ère préindustrielle, une tendance qui se retrouve en Arctique. Actuellement, diverses sources de CH4, naturelles et anthropiques, contribuent aux émissions en Arctique. Les émissions anthropiques sont principalement dues à l'extraction et à la distribution de combustibles fossiles par les nations arctiques. La principale source naturelle de CH4 est constituée par les zones humides situées aux hautes latitudes Nord, mais d'autres systèmes d'eau douce, les feux de forêt, des flux géologiques et des émissions océaniques de différentes origines contribuent également au bilan de CH4 de l'Arctique. En outre, le dégel et la déstabilisation du pergélisol terrestre et sous-marin pourraient augmenter les émissions de CH4 dans un avenir proche, par exemple en raison de l'exposition de la matière organique du sol. Cependant, l'évaluation des émissions de CH4 en Arctique et de leur contribution au budget mondial reste difficile. Cela est dû, d'une part, aux difficultés à effectuer des mesures dans des zones aussi difficiles d'accès. D'autre part, de fortes variations dans la distribution spatiale des sources de méthane et une mauvaise compréhension des effets des changements en cours sur la décomposition du carbone, la végétation et l'hydrologie compliquent l'évaluation. Le but de ce travail est donc de réduire les incertitudes sur les estimations actuelles des émissions de CH4 grâce à une approche de modélisation inverse pour mieux quantifier les sources et les puits de CH4 pour les années récentes (2008 à 2019). Plus précisément, il s'agit de détecter les tendances des émissions de CH4 et les changements éventuels dans les cycles saisonniers et d'analyser la capacité du réseau d'observation in-situ actuel à caractériser les différents secteurs et les tendances futures potentiellement causées par une "bombe à méthane". La mise en œuvre de l'inversion comprend des simulations par le modèle de transport atmosphérique FLEXPART, des émissions provenant d'inventaires et de modèles biogéochimiques et des données de concentrations atmosphériques de CH4 en 42 sites d'observation dans différentes nations arctiques. Les résultats de l'inversion montrent que la majorité des sources de CH4 actuellement présentes aux hautes latitudes sont peu contraintes par le réseau d'observation existant. On ne peut donc tirer des conclusions sur les tendances et les changements dans le cycle saisonnier pour les secteurs correspondants. Seuls les flux de CH4 des zones humides sont suffisamment contraints, principalement en Amérique du Nord. Au cours de la période étudiée, les émissions des zones humides ont une légère tendance négative en Amérique du Nord et une légère tendance positive en Eurasie orientale. Dans l'ensemble, les émissions de CH4 obtenues sont inférieures aux estimations ascendantes mais supérieures aux résultats des inversions globales. La contrainte insuffisante du réseau d'observation se retrouve dans un scénario simulant des augmentations futures des émissions de CH4. Les tendances appliquées ont non seulement été détectées de manière incorrecte dans les régions où elles étaient prescrites mais encore, des émissions élevées de CH4 ont été attribuées à des zones où aucune tendance n'était présente. Un hypothétique réseau d'observation étendu ne montre que des améliorations mineures.

The Arctic is an especially critical region with regard to global climate change. With temperatures in high northern latitudes increasing around three times faster than the global average, changes in environmental characteristics such as declining sea ice extend or thawing permafrost soils are proceeding rapidly. As a consequence, positive climatic feedbacks are triggered in this region, whereby the Arctic warming is accelerated even further. One important impact is the high risk of increased methane (CH4) emissions. CH4 is a potent greenhouse gas whose global average concentration in the atmosphere has increased by about 160 % since pre-industrial times, a trend that is also reflected in the Arctic. Currently, various CH4 sources, both natural and anthropogenic, are contributing to CH4 emissions from the Arctic region. Anthropogenic emissions are predominantly caused by the extraction and distribution of fossil fuels by the Arctic nations. The dominant natural source of CH4 are high northern latitude wetlands; however, other freshwater systems, wildfire events, geological fluxes and oceanic emissions of different origins also contribute to the Arctic CH4 budget. Furthermore, the thawing and destabilization of terrestrial and sub-sea permafrost will potentially increase CH4 emissions in the near future, for instance by the exposure of degradable soil organic matter. However, assessing the amount of CH4 emissions in the Arctic and their contribution to the global budget still remains challenging. This is on the one hand due to the difficulties in carrying out accurate measurements in such remote areas. Besides, high variations in the spatial distribution of methane sources and a poor understanding of the effects of ongoing changes in carbon decomposition, vegetation and hydrology also complicate the assessment. Therefore, the aim of this work is to reduce uncertainties on current bottom-up estimates of CH4 emissions as well as soil oxidation by implementing an inverse modeling approach in order to better quantify CH4 sources and sinks for the most recent years (2008 to 2019). More precisely, the objective is to detect occurring trends in the CH4 emissions and potential changes in seasonal emission patterns as well as to analyze the capability of the current stationary observation network in the Arctic to constrain the different CH4 sectors and to detect possible future trends caused by a potential “methane bomb”. The implementation of the inversion included hereby footprint simulations obtained with the atmospheric transport model FLEXPART, various emission estimates from inventories and land surface models as well as data of atmospheric CH4 concentrations from 42 surface observation sites in the Arctic nations. The results of the inversion showed that the majority of the CH4 sources currently present in high northern latitudes are poorly constrained by the existing observation network. Therefore, conclusions on trends and changes in the seasonal cycle could not be obtained for the corresponding CH4 sectors. Only CH4 fluxes from wetlands are adequately constrained, predominantly in North America. Within the period under study, wetland emissions show a slight negative trend in North America and a slight positive trend in East Eurasia. Overall, the estimated CH4 emissions are lower compared to the bottom-up estimates but higher than similar results from global inversions. The insufficient constraint by the observation network is also shown by a hypothetical scenario simulating future increases in CH4 emissions. Thereby, the applied trends are not only incorrectly detected in the regions they are assigned to, but elevated CH4 emissions are also attributed to areas where no trend is given by the scenario. A hypothetical expanded observation network of stationary sites show hereby only minor improvements.