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