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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


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


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


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


• 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


• Discrétisation Lagrangienne du fluide atmosphérique:

tropopause

Temps de résidence

A+B→C


Flux normalisés


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)

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.

vers une diagnose opérationnelle des échanges stratosphère - troposphère (Ést) michel bourqui,...

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