De l'impact des aérosols sur le cycle de vie des nuages stratiformes au sud de l'Afrique de l'Ouest

On the impact of aerosols on the stratiform clouds life cycle over Southern West Africa

• Auteur / Autrice : Lambert Delbeke
• Direction : Chien Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 07/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Aérologie (Toulouse ; 1983-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-2024)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Chaboureau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Planche, Christelle Barthe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cyrille Flamant, Peter Knippertz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets du feu

Stratocumulus

Afrique occidentale

Aérosols atmosphériques

Mots clés libres

Aérosols

Feux de biomasse

Black carbon

Stratocumulus

Effet semi-direct

Meso-NH

Aerosols

Biomass burning

Black Carbon

Stratocumulus

Semi-direct effect

Meso-NH

Résumé

Les aérosols atmosphériques sont des particules solides/liquides en suspension dans l'air qui interagissent directement avec les rayonnements atmosphériques (RA) en les absorbant/diffusant. Ils peuvent être activés thermodynamiquement pour former des gouttelettes nuageuses. Leurs propriétés peuvent déterminer les caractéristiques physiques des nuages et affecter indirectement les RA. Leurs effets directs/indirects sur les RA ont été démontrés comme un facteur critique du climat régional et mondial. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact des aérosols sur les nuages bas radiativement importants au sud de l'Afrique de l'Ouest (sAO). L'Afrique est la plus grande source de poussières minérales et d'aérosols issus de feux de biomasse. Ces poussières (sahariennes/sahéliennes) et ces aérosols issus des feux de biomasse (Afrique équatoriale/centrale) coexistent souvent dans cette région lors de la saison de la mousson, coïncidant avec des nuages stratiformes de basse altitude couvrant une vaste zone fréquemment. L'étude consiste à examiner l'impact de différents types d'aérosols sur le cycle de vie (CDV) de ces nuages à l'aide des données obtenues lors de la campagne de terrain DACCIWA et du modèle à méso-échelle Meso-NH. Le cas du 3 juillet 2016 de la campagne DACCIWA a été simulé en détail sur la base des profils d'aérosols et de nuages observés avec une configuration LES à résolution ultra-fine, une première dans le cadre de DACCIWA. Le modèle a reproduit le CDV des nuages observés et l'évolution des principales caractéristiques macro/microphysiques des nuages. Les résultats de cette analyse de référence ont fait progresser la compréhension du CDV ainsi que le forçage lié aux aérosols du système nuageux observé. En effet, on constate que la distribution en taille des aérosols et l'hygroscopicité fixe influencent le CDV de ces nuages. La réflexion du flux solaire génère un effet de refroidissement augmentant la durée de vie des nuages en raison de la suppression de la bruine, les aérosols étant trop petits pour en former. Des simulations avec un module aérosol ont démontré l'importance d'utiliser un modèle interactif de chimie des aérosols pour étudier leurs impacts sur le CDV des nuages. Enfin, plusieurs simulations de sensibilité ont été réalisées avec différentes distributions en tailles et compositions chimiques des aérosols pour comprendre leurs effets directs/indirects sur le CDV des nuages. La distribution en taille des aérosols a un impact évident sur le nombre de gouttelettes nuageuses, leur taille moyenne et affecte la réflectivité des nuages. Cependant, la variation de celle-ci n'est pas le seul facteur déterminant le flux solaire atteignant le sol et donc le CDV des nuages après le lever du soleil. Ainsi, la différence de fraction nuageuse (FN) provoquée par l'entraînement d'air sec par le haut et donc la vitesse d'évaporation qui en résulte (influencée par la concentration d'aérosols) joue un rôle crucial. Ainsi, des nuages avec une concentration en nombre plus élevée et des gouttelettes plus petites s'évaporent plus facilement (FN plus faible). Les analyses de sensibilité, incluant/excluant les effets radiatifs directs des aérosols, ont démontré l'impact de l'absorption solaire par le carbone noir sur le CDV des nuages. L'effet semi-direct résultant d'un échauffement atmosphérique excessif par le carbone noir abaisse le sommet du nuage ainsi que du trajet de l'eau liquide diminuant le flux solaire entrant en surface et l'entraînement secaugmentant la FN. Ces cas d'étude sur l'influence des aérosols sur ces nuages au sAO pourraient être la base d'études de recherche plus avancées si davantage de données pouvaient être intégrées à Meso-NH pour contraindre davantage la simulation. Des projections seraient possible dans le cas où le Bénin décide d'exploiter ses ressources minières (mines à ciel ouvert) en émettant des poussières qui pourraient éventuellement impacter les nuages stratiformes dans cette région.

Atmospheric aerosols are solid/liquid particles suspended in the air interacting directly with radiation in the atmosphere by absorbing/scattering radiations. Aerosols can be activated under thermodynamic conditions to form cloud droplets. Therefore, aerosol properties can also determine cloud physical features and thus indirectly affect atmospheric radiation. These direct/indirect effects of aerosols on radiation have been demonstrated as a critical factor in regional and global climate. The focus of this thesis is the aerosol impact on the radiatively important low clouds over southern West Africa. Africa is the largest source of mineral dust and biomass burning aerosols. Dust from the Saharan and Sahel regions and biomass burning (BB) aerosols from areas in equatorial and central Africa often coexist in southern West Africa during the monsoon season, coinciding with low-level stratiform clouds that cover a large area frequently. Then the study is to examine the impact of different types of aerosols on the life cycle of low clouds using data obtained from the DACCIWA field campaign and the meso-scale model Meso-NH. The 3 July 2016 case of DACCIWA campaign has been simulated in detail based on observed aerosol and cloud profiles with an ultra-fine resolution Large-Eddy simulation configuration that is a first in the DACCIWA framework. The model successfully reproduced the life cyle of observed cloud and evolution of all the major cloud macro/microphysical features. The results of this reference run advanced the understanding of the life cycle as well as forcing particularly related to aerosol behind this cycle of the observed cloud system. Indeed, it is found that aerosol size distribution and fixed hygroscopicity influence the low-level stratiform cloud life cycle. Enhanced reflection of solar radiation generates a cooling effect increasing the clouds lifetime due to the suppression of drizzle as aerosols are too small to form drizzle. Simulations with an aerosol module has also demonstrated the importance of using interactive aerosol-chemistry model in studying the detailed impacts of aerosols on the life cycle of low level cloud. Lastly, several sensitivity simulations have been conducted with different aerosol size distributions and chemical compositions to understand precisely the direct/indirect effect of different types of aerosols on the cloud life cycle. Aerosol size distribution has a clear impact on cloud droplet number, mean droplet size and affects cloud reflectivity. However, the variation in cloud reflectivity induced by different aerosol profiles is not the only factor in determining the incoming solar radiation at ground and thus for the cloud life cycle after the sunrise. Instead, the difference in cloud fraction brought by dry-air entrainment from above and thus the speed of consequent evaporation (influenced by aerosol concentration), plays a critical role. Thus, cloud with a higher number concentration and smaller size of cloud droplets are found to evaporate more easily, imposing a lower cloud fraction. In addition, the sensitivity runs, including versus excluding aerosol direct radiative effects, demonstrated the impacts specifically of solar absorption by black carbon on the cloud life cycle. The semi-direct effect resulting from an excessive atmospheric heating by black carbon in the modeled cases is found to lower the cloud top as well as the liquid water path reducing surface incoming solar radiation and dry entrainment and increasing the cloud fraction. These study cases of aerosols influence on low-level stratiform over southern West Africa could be the base for more advanced research study if more data could be integrated into Meso-NH to constrain more the simulation. It could also serve to make some projections if Benin decides to exploit its mining resources by opening open pit mines which emit dust particles and could possibly have an impact on stratiform clouds in this region.