transport convectif au travers de la tropopause tropicale ... · ratio between nb of months of t
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Transport Convectif au travers de la Tropopause Tropicale: impact sur la chimie de l’ozone et le climat
Jean -Pierre PommereauCNRS Service d’Aéronomie, Verrières le Buisson, France
Echange Troposphere- Stratosphère aux tropiques
Source des espèces chimiques naturelles et anthropogéniquesresponsables de la destruction de l’ozone stratosphérique (methane, N2O, chlore, brome, iode, aerosols organiques, CO des feux de biomasse, NOx éclairs et pollution, etc.. )
Source des gaz à effet de serre, aérosols sulfatés, poussièresdésertiques et vapeur d’eau, ayant un impact sur le climat
Impact des uns et des autres très dépendant de la constante de temps du transport de la surface vers la stratosphère
Incertitude sur les mécanismes en jeu
Transport convectif jusqu’à 14 km environ suivi d’une montée lente (1-2 mois) par échauffement radiatif (schéma actuellement accepté)
ou
Transport convectif rapide (dizaine de minutes) jusqu’à la stratosphère (19-20 km). Importance à l’échelle globale ?
Enjeux
Mécanisme responsable de l’augmentation de la teneur en eau et donc du refroidissement de la stratosphère ?
Conséquences du changement climatique (par ex convection, hauteur et température de la tropopause, éclairs) sur la chimie de l’ozone et le climat? Feedback ?
Impact de la pollution urbaine (Megacités), feux de biomasse, évolution des pratiques agricoles ?
Amélioration des modèles météorologiques et climatiques
Projets de recherches PNCA / CHAT / CE
SA, LMD, LPCE, LA, U. de Reims, LaCy, CETP, LCSR
+ UCAM, DMI, NPL, CNR, ENEA, IPMET, USP
HIBISCUS / TROCCINOX 2002HIBISCUS / TROCCINOX 2002--20052005Observations ballons / avion Observations ballons / avion GeophysicaGeophysica au Brésil en été austral au Brésil en été austral 2004 et 20052004 et 2005
SCOUTSCOUT--O3 2005O3 2005--20092009Ballons / avion Ballons / avion GeophysicaGeophysica, Darwin , Darwin DecDec 2005, AMMA en été 20062005, AMMA en été 2006Campagne ballons à l’équateur fin 2007Campagne ballons à l’équateur fin 2007
Traditional view: Most convective region over the Maritime continent in Micronesia
A stratospheric Fountain ?Newell and Gould-Stewart, 1982
Ratio between Nb of months of T<-82.4°C at 100 hPa and total of months 1970-80
90%50%30%
JanuaryMaritime Continent
Assumption: « the largest vertical motion into the stratosphereoccurs where the temperature of the tropopause is the lowest »
Right ?
The HIBISCUS campaign Jan-March 200418 balloon flights: 6 short duration; 3 MIR, 6 BPS
107 radiosondes (4 per day)13 ozone / backscatter sondes
Rainfall January
Bauru
.
0
10
20
30
40
50
60
Freq
uenc
y of
Day
s (%
)
1 2 3 4 5 6 7Years
February Storms Reaching Tropopause 1996-2002
1996 2002
South AtlanticConvergence Zone SACZ
Inter Tropical Convergence Zone (ITCZ)
G-B radar at Bauru Courtesy : R. V. Calheiros
Pommereau et al., ACPD Hibiscus SI, 2007
QuickTime™ et un décompresseur Graphique sont requis pour visionner cette image.
OZONE
SAOZ-MIR 2001, 2003, 2004
Pommereau et al., ACPD Hibiscus SI, in prep.
Pommereau et al., ACPD Hibiscus SI, 2007
BP flights (F. Vial, A. Hertzog)
350 300 250 200 150 100 50 0
25
20
15
10
5
0
40 30
30
20
5 5
-10
-10
-20
-50 -50
-20
Z 360-340 K
O3 DEVIATION (%)
Walker Circulation (Newel 1979)
Ozone at 20°S MIR SAOZ
% deviation from zonal mean
Minima in TTL over convective areas, particularly maritime (O3 destruction at surface level over Ocean), Maxima over subsident regions (meridional horizontal transport)
Ozone distribution mainly controlled by transport (quasi-horizontalfrom mid-latitudeand vertical by convection)
OZONE
100806040200O3 variability (std dev %)
MIR-SAOZ
SHADOZGOMOS
SMR-ODIN
MIPAS
OSIRIS-ODIN
HALOE
-100 -50 0 50 100Relative Difference (%)
OSIRIS
MIPAS
SMR-ODIN
HALOE
SHADOZ
GOMOS
35
30
25
20
15
Alti
tude
(Km
)
6x1012543210Number density
MIR-SAOZ
SMR-ODIN
GOMOS
SHADOZ
MIPAS
OSIRIS
HALOE
Mean profile Difference with SAOZ Variability
Bias and alt. registration Precision
Evaluation of SAOZ, satellites and sondes (1)
Satellites: - Excellent coverage in stratosphere(accuracy dependent on technique)
- Little reliable in tropical troposphere Borchi et al., ACP 2005
OZONE
Borchi et al., ACPD Hibiscus SI, 2006
OZONEEvaluation of SAOZ, satellites and sondes (2)
Validation SatellitaireEvaluation des mesures de vapeur d’eau SAOZ-MIR, GOMOS, HALOE, MIPAS, SAGE II et AIRS.
Mesures satellitaires peu fiables dans la TTL particulièrement HALOE et SAGE II
Montoux et al., ACPD Hibiscus SI, 2007
50
40
30
20
10
0
Alt
itu
de (
km
)
4003002001000
Mixing Ratio (ppb)
ODIN SMR Avg DIRAC REPROBUS
N2O ODIN-SMR, DIRAC, REPROBUS
Urban et al., JGR, 2005
Knudsen et al., ACPD Hibiscus SI, 2006
Chritensen et al., ACPD Hibiscus SI, 2007
Hetzog et al. , Mon Weath Rev. 2006
Evaluation of ECMWF, NCEP, ERA40 temperature and wind
from past MIR and BP data
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Temperature anomaly compared to mean
TEMPERATURE DIURNAL CYCLE
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Fast convective transport of tropospheric air up to 20 km into the stratosphere over tropical land in the afternoon
Pommereau et al., 2007
Transport Convectif
Transport Convectif
Ricaud et al., ACPD Hibiscus SI, 2007
N2O ODIN-SMR et MLS à 17 km en MAM
Injection d’air troposphérique dans la basse stratosphère au-dessus de l’Afrique etde l’Amérique du Sud
Vapeur d’eau
SF2: langue d’air stratosphérique (faible PV) pauvre en CH4 et H2O entre 16.5 et 17.5 km
SF4: injection d’air troposphérique riche en CH4 et H2O entre 17 et 18 km
Durry et al., ACPD Hibiscus SI, 2006
SF4, Feb 24th 2004 Courtesy : G. Di Donfrancesco and F. Cairo
Clouds from micro-lidar
Altitude of the balloon
Vapeur d’eau
Simulations vapeur d’eau et température µSDLAdans la haute troposphère
ECMWF
BRAMS
Marécal et al., ACPD Hibiscus SI, 2006
Vapeur d’eau
Vapeur d’eauSimulations MesoNH de la vapeur d’eau mesurée par Geophysica
Chaboureau et al., ACPD Troccinox SI, 2006
Chaboureau et al., ACPD Troccinox SI, 2006
Vapeur d’eau
SAOZ-MIR 2004
Temperature
Minimum H2O above thecold point
H2O maxima (5 ppm) above convective regions,at coldest temperature
(Afr., S. America and SPCZ) and not the opposite(consistent with local flights)
Vapeur d’eau
Pommereau et al., ACPD Hibiscus SI, in prep.
Mari et al., ACPD Troccinox SI, 2006
Simulations MesoNH de la production de NOx par les éclairs observée par Geophysika 2005
Detrained flux between75-400 kg(N)/s
NO in pptv/s a 12km MesoNH 10.7 µm BT (K) Goes 10.7 µm BT (K)
NOx Eclairs
Marécal et al., ACP, 2005
Rivière et al., ACP, 2005
Simulations BRAMS de la production de NOx par les éclairs, des précurseurs de l’ozone et de la production photochimique d’ozone
NOx Eclairs
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NOx EclairsVariation (%) longitudinale de NO2 à 20°S observée par SAOZ-MIR en Février 2001
Pommereau et al., ACPD Hibiscus SI, in prep.
Uplift of ice particles up to 19 km
Cirrus clouds attropopause
Ice particles20 km
16 km
Nielsen et al., ACPD Hibiscus SI 2006
Transport Convectif
Number of Overshooting Precipitation Features (OPFs) at altitude > 14 km seen by the TRMM satellite radar in DJF
(Liu and Zipser, 2005)
Overshoots more frequent over land !Parts per
thousand
Maximum development in theafternoon
Dir
unal
vari
atio
n of
pop
ulat
ionHibiscus
Parts per thousand
Hibiscus / Troccinox Feb 2004 and 2005 SCOUT Darwin Dec 2005
SCOUT-AMMA Aug 2006
Number of Overshooting Precipitation Features (OPFs) at altitude > 14 km
(TRMM Radar, Liu and Zipser, 2005)
SH Summer
NH Summer
SCOUT-AMMA Flight Summary26 July - 25 Aug 2006
Soundings (DMI, Univ. Wyo, CAO, CNRS-SA) in Niamey6 Backscatter BKS / Ozone / Flash-B H2O5 Backscatter BKS / Ozone17 Ozone1 Optical counter, Univ. Wyoming
Small balloons : 7 successful flights in NiameyCombination of UCAM GC, CNR LABS diode laser and µlidar, UnivWyoming Optical counter, CNRS µSDLA tunable diode laser, SAOZ UV-vis spectrometer, electric field
Geophysica / F20, 3-15 Aug Ouagadougou
Autre exemple: 31 Juillet 08:45
Vol du compteur optique de l’Université du Wyoming
immédiatement avant un orage Photo prise à 9:00, 15 minutes après le lâcher
Particules jusqu’à 5 µm de diamètre et noyaux de condensation jusqu’à 23 km
Montée Descente 1 heure plus tard à 50 km à l’Ouest
CN CN
Nuage entre 13 et 19 km toujours présent, mais particules au-dessus disparues et augmentation de la concentration des noyaux de condensation.Poussières ? Glace ?
Courtesy T. Deshler
Local afternoon convection 23 August
CirrusIce Particles Water Vapour MR, FLASH
Ozone lift, ECC
Anvil
BKS
Saturation ratio
• Super-saturation in UT and at LRT• Minimum WV and cirrus at LRT• WV layers and ice particles at same level above
More details on particles in Nielsen et al., Poster A41A-0008
Top TTL
16 km
19 km
Tropopause
Min WV at 20 km
QuickTime™ et un décompresseur codec YUV420 sont requis pour visionner cette image.
Echange tropo-strato dominé par le transport convectif rapide (overshooting en qq minutes) en saison d’été l’après-midi sur les continents tropicaux (et non soulèvement par chauffage radiatif) (1) Afrique (Congo), (2) Amérique du Sud, (3) SE Asiatique
Injection de vapeur d’eau sous forme de jets de cristaux de glace, suivie d’évaporation puis condensation à plus basse température le long de la trajectoire de la masse d’air autour du monde (et non « cold trap » à la tropopause)
Bilan: schéma différent des idées développées depuis 25 ans
Note: inadaptation des observations spatiales à ce domaine d’altitude et mauvaise prise en compte de la convection continentale dans les modèles NWP et CCM
Augmentation de la vapeur d’eau et donc refroidissement de la stratosphère avec la croissance de la convection (et non l’inverse)
Entrée aisée des espèces chimiques de courtes durées de vie (naturelles ou anthropogéniques) dans la stratosphèreImpact direct des émissions de surface (brûlage, pollution..)sur la stratosphère
A stratospheric Fountain ?Newell and Gould-Stewart, 1982
Assumption: « the largest vertical motion into the stratosphereoccurs where the temperature of the tropopause is the lowest »
Definitely Wrong
90%50%30%
JanuaryMaritime Continent
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