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Vers une diagnose opérationnelle des
échanges stratosphère - troposphère (ÉST)
Michel Bourqui, Rachid Moustabchir, Pier-Yves Trépanier, Université McGill
Avec remerciements à Mike Moran, Environnement Canada
Heini Wernli, Université de MainzMichael Sprenger, ETHZ
Environnement Canada, Dorval, 25 mai 2007
Plan du séminaire
• Introduction
• La méthode Lagrangienne
• Illustration par une étude de cas
• Climatologies d’échanges stratosphère – troposphère
• Un exemple de prédictions d’échanges stratosphère – troposphère au-dessus de l’Europe
• Potentiels pour une diagnose opérationnelle
Introduction: La circulation globale et ÉST
Été Hivers
W = vent d’ouest; E = vent d’est
Hémisphère sud Hémisphère nord
PVU
Circulation globale et ÉST
Tropopause instantanée
(Surface 2PVU calculée à partir de données ECMWF)
Effets des ÉST sur la qualité de l’air
1. Effets directs sur la qualité de l’air dans la couche limite:
Injections épisodiques d’air stratosphérique dans la couche limite
PVU
Effets des ÉST sur la qualité de l’air
1. Effets directs sur la qualité de l’air dans la couche limite:
Injections épisodiques d’air stratosphérique dans la couche limite
Propriétés:
• Transport vertical rapide (quelques jours) par rapport à la chimie troposphérique
• Évènements relativement rares (fréquence ?)
• Épisodes de forte pollution
Effets des ÉST sur la qualité de l’air
2. Effets sur la troposphère libre:
• contribution au budget moyen d’ozone
• perturbations épisodiques de la chimie troposphérique
SH NH
O3
2. Effets sur la troposphère libre
Effets des ÉST sur la qualité de l’air
2. Effets sur la troposphère libre:
• contribution au budget moyen d’ozone
• perturbations épisodiques de la chimie troposphérique
Propriétés:
• Évènements de transport trans-tropopause fréquents
• Contribution moyenne importante à la chimie troposphérique (env. 30% de l’ozone troposphérique)
• Contribution à la qualité de l’air (?)
Autres effets des ÉST
Injections épisodiques d’air troposphérique (pollué) dans la basse stratosphère
?
H2OCO...
L’état actuel de la recherche sur les ÉST
Processus physiques des ÉST:
• Processus diabatiques liés aux nuages
• Turbulence associée au cisaillement dans les vents
• Convection
• Déferlement des ondes de gravité
Ces connaissances proviennent d’études de cas individuels, simulés avec des modèles à haute résolution.
→ Importance relative de ces processus?
L’état actuel de la recherche sur les ÉST
Impacts des ÉST sur la chimie troposphérique:
• Estimations du budget de l’ozone troposphérique avec des modèles chimie – transport à relativement basse résolution
→ représentation des petites échelles?
• Échanges rapides stratosphère – couche limite:
→ fréquence? persistance?
→ Effets de ces perturbations sur la qualité de l’air au Canada?
• Données: champs de vents et température tri –
dimensionnels, par exemple:
• Modèle méso - échelle (HRM): résolution horizontale
50km, verticale ~ 20hPa, temporelle 1 heure• ERA-15 (ECMWF): résolution horizontale 1° x 1°,
verticale ~ 30hPa, temporelle 6 heures
• Tropopause: surface de tourbillon potentiel constant 2PVU
La méthode Lagrangienne pour quantifier les ÉST
La méthode Lagrangienne pour quantifier les ÉST
• Discrétisation Lagrangienne du fluide atmosphérique:
• Un ensemble dense de trajectoires est calculé pour
chaque tronçon de 24h• Les trajectoires traversant la tropopause sont ensuite
prolongées de 4 jours dans le future et dans le passé• Seules les trajectoires ayant des temps de résidence
suffisamment grands sont sélectionnées comme
trajectoires d’échange
strat ≥ trop ≥
2PVU
selected trajectory
strat.
trop.
S→T Transp:
F STT ()
T→S Transp:
F TST ()
= 12, ..., 96 h
La méthode Lagrangienne pour quantifier les ÉST
• Discrétisation Lagrangienne du fluide atmosphérique:
tropopause
Temps de résidence
A+B→C
La méthode Lagrangienne pour quantifier les ÉST
Flux normalisés
La méthode Lagrangienne pour quantifier les ÉST
S→T Transp:
F STT ()
T→S Transp:
F TST ()
= 12, ..., 96 h
Illustration par une étude de cas
1er septembre 1997
Développement d’une onde baroclinique au-dessus de
l’Europe de l’ouest, avec la tropopause atteignant une
altitude de 6 km.
Bourqui, ACP 2006 Link
Unités: kg km-2 s-1 Sprenger and Wernli 2003, basé sur ERA15
Climatologies: Flux à travers la tropopause
Unités: 106 kg/(km s)
STT-TST Winter STT-TST Summer
Basé sur les données d’analyse ECMWF (1995-1996)
Adapté de Bourqui, 2001
Généralisé pour les surfaces 1.5 – 8PVU:
La branche inférieure de la circulation globale
Climatologies: Flux à travers la tropopause
Zoom pour l’Amérique du nord et stations de mesures par ballon - sondes
STT, Hivers
Zoom pour l’Amérique du nord et stations de mesures par ballon - sondes
STT, Été
Stratosphère
Couche limite
tropopause
700 hPa
max 4 jours
Stratosphère
Couche limite
tropopause
700 hPamax
4 jo
urs
STT étendus TST étendus
Lieu de passage à travers la tropopause
Destinations / origines des trajectoires dans la couche limite
Cheminement dans la troposphère
Échanges rapides entre la stratosphère et la couche limite
Unités: kg km-2 s-1 Unités: probabilité en % qu’une parcelle quelconque de la couche limite vienne de la basse stratosphère dans les 4 jours
Flux trans-tropopause Destinations dans la couche limite
b)a)
STT étendus: Tropopause et destination
Flux trans-tropopause associé aux destinations de la côte ouest
Flux trans-tropopause associé aux destination de la côte est
Unités: kg km-2 s-1
STT étendus: Cheminement dans la troposp.
Unités: kg km-2 s-1 Unités: probabilité en % qu’une parcelle quelconque atteigne la basse stratosphère dans les 4 jours
Flux trans-tropopause Origines dans la couche limite
Sprenger and Wernli 2003, basé sur ERA15
a)
TST étendus: Tropopause et origines
Un exemple de prédiction d’ÉST à l’ETHZ
• Calculs automatiques basés sur les données de prévision de l’ECMWF (resp. Michael Sprenger)
• Fréquence: journalière
• Diagnostiques:
• Trajectoires STT de 4 jours
• Pression et PV le long des trajectoires
Animation pour la période 10 mars – 16 mai
Source: Michael Sprenger, ETHZ
Un exemple intéressant (17-22 mars)
Un exemple intéressant (17-22 mars)
Un exemple intéressant (17-22 mars)
Un exemple intéressant (17-22 mars)
Un exemple intéressant (17-22 mars)
Un exemple intéressant (17-22 mars)
Ces quatre derniers jours (21-24 mai)
Ces quatre derniers jours (21-24 mai)
Ces quatre derniers jours (21-24 mai)
Ces quatre derniers jours (21-24 mai)
Vérification de la prédiction:
Trajectoires démarrant le 19 mars
Calcul fait le 18 mars Calcul fait le 19 mars
Vérification de la prédiction:
Trajectoires démarrant le 4 mai
Calcul fait le 3 mai Calcul fait le 4 mai
Potentiels pour une diagnose opérationnelle
• Prédiction des échanges stratosphère – troposphère
• Prédiction du cheminement de l’air stratosphérique dans la troposphère
• Prédiction d’épisodes de transport rapide d’air stratosphérique dans la couche limite
En conjonction avec le future modèle de prédiction de la qualité de l’air d’Environnement Canada:
Prédictions possibles concernant la qualité de l’air:
• Évaluation du transport Lagrangien dans le modèle (ÉST ou autres)
• Détermination des sources de pollution
Préparations de campagnes de mesures
Potentiels pour une diagnose opérationnelle
• Production de cartes de la fréquence et persistance d’évènements d’échanges:
• entre la stratosphère et la troposphère
• entre la stratosphère et la couche limite
• Analyse systématique des processus physiques
• ...
Potentiels d’une telle base de donnée, si archivée:
Unités: kg km-2 s-1
Flux trans-tropopause associé aux origines dans l’atlantique ouest et le pacifique ouest
TST étendus: Cheminement dans la troposp.
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