Module d’aérosols ORISAM

Présentation générale du modèle de chimie-transport TM5

Généralités sur le modèle TM5

Le modèle TM5 correspond à la version 5 récente du modèle TM (Transport Model) et reprenant plusieurs concepts et paramétrisations déjà présents dans le modèle TM3 (Krol et al., 2005). Le modèle TM, initialement développé par Heimann et al. (1995), a été largement utilisé dans plusieurs études globales de chimie atmosphérique. Nous citerons par exemple l’impact des hydrocarbures sur la chimie atmosphérique (Houweling et al., 1998) et les émissions de méthane lors de simulations 1978-1993 (Dentener et al., 2003). On peut également citer l’étude de Peters et al. (2002) sur les comparaisons entre l’ozone modélisé et les données satellitales sur des colonnes atmosphériques. Récemment, Guillaume et al. (2007) ont étudié les aérosols, leurs émissions et la formation des aérosols organiques secondaires avec un zoom sur les aérosols carbonés (carbone suie et carbone organique) en Europe. De plus, Liousse et al. (2010) ont montré les impacts des aérosols de combustion issus des feux de biomasse en Afrique de l’Ouest.

Bref descriptif du modèle TM5

Le modèle TM5 est un modèle off-line (CTM) qui utilise les données météorologiques du modèle du Centre Européen (ECMWF pour European Centre for Medium range Weather and Forecast, http://www.ecmwf.int/data/era/html). Le modèle TM5 a une résolution de 6°x4° (longitudexlatitude) sur le globe, avec possibilité de zoom à une résolution de 1°x1° sur une zone particulière d’intérêt. Afin d’assurer la conservation de la masse entre ces deux domaines, une résolution intermédiaire à 3°x2° (longitudexlatitude) a été incorporée pour tenir compte de la dépendance de la résolution de certains paramètres, également pour générer des conditions aux frontières du domaine 1°x1° relaxante et éviter ainsi une transition trop brutale entre les domaines 6°x4° et local (1°x1°). Dans ce travail, le zoom à 1°x1° a porté sur l’Afrique. Par ailleurs, le modèle présente une même structure verticale à 25 niveaux, de 1010 hPa à 0.47 hPa avec 5 niveaux dans la couche limite atmosphérique. Les 25 niveaux du modèle TM5 sont compatibles avec les 60 niveaux hybrides de pression du modèle du Centre Européen. En outre, le modèle TM5 utilise les paramètres atmosphériques suivants :
• composantes horizontales du vent
• pression
• température
• humidité
• teneur en eau liquide des nuages
• teneur en glace des nuages
• couverture nuageuse (% de la maille)
• paramètres de convection nuageuse
• précipitations (en mm/jour), avec distinction entre les pluies convectives et stratiformes
• résistance aérodynamique du sol
Les différents processus physico-chimiques pris en compte dans le modèle TM5 représentés sur la figure 5.1 sont décrits dans les paragraphes suivants.

Diffusion et convection

Le transport vertical par convection (profonde et peu profonde) due aux cumulus a été paramétrisé selon les hypothèses Tiedtke (1989). Ce schéma détermine pour tout point de la surface, la présence statistique d’un nuage sur la colonne atmosphérique à la verticale de ce point. Selon qu’il y a ou non nuage, les composantes d’entraînement, de détraînement, ainsi que la subsidence au sommet du nuage sont paramétrisées à partir des paramètres de la convection nuageuse des champs météorologiques importés dans TM5. La paramétrisation de la diffusion verticale de Holstag and Boville (1993) est utilisée dans la couche limite atmosphérique. Par contre, dans la troposphère libre, c’est la formulation de Louis (1979) qui est utilisée. En effet, cette différenciation vient du fait que dans la couche limite atmosphérique, le cisaillement vertical est nettement plus important que dans l’atmosphère libre.

Dépôts chimiques dans TM5

Dépôt sec

Le dépôt sec des aérosols carbonés (cf. figure 5.1) suit le schéma de Ganzeveld et al. (1998) dont l’équation au premier ordre a pour formulation :

Dépôt humide

Le dépôt humide (cf. figure 5.1) tient compte de deux types de pluies, les pluies d’origines convective et stratiforme. Il est judicieux d’introduire cette distinction car les vitesses ascensionnelles sont sensiblement plus élevées dans les nuages cumuliformes qu’au sein des nuages stratiformes, augmentant la proportion de dépôt humide par les nuages cumuliformes (Xing and Chameides, 1990). Au vu de l’importance des variations verticales du contenu en eau pour le traitement du dépôt humide (Xing and Chameides, 1990), ces variations verticales sont calculées via la formulation de Tiedke (1989), les champs du modèle du Centre Européen donnant accès aux quantités d’eau précipitées au sol (en mm/jour).
Dans les nuages stratiformes, le lessivage des aérosols suit le même schéma que celui des gaz, sauf que les aérosols sont solubles à 100% (aérosols hydrophiles) (Roelofs and Lelieveld, 1995) avec une diffusion moléculaire de valeur moyenne 10-6 cm 2 /s (Seinfeld and Pandis, 1998). Sous le nuage, on suppose une distribution granulométrique log-normale des aérosols (Jaenicke, 1998), ainsi que les gouttelettes de rayon moyen 0,02 cm. Ces hypothèses conduisent à adopter un coefficient de lessivage de 0,05 s-1 (Dana and Hales, 1976). Pour les pluies convectives, le dépôt humide suit la formulation de Guelle et al. (1998). Pour traduire les différences entre vitesses ascensionnelles au sein d’un nuage, l’efficacité du lessivage est considérée différemment selon que l’on est au sommet ou à la base du nuage. Ainsi, dans la partie basse du nuage (Pression > 700 hPa), on schéma considère que le lessivage est de 50% (i.e. 50% de la masse des espèces chimiques est entraînée vers le sommet du nuage). Par contre, dans la partie haute du nuage (Pression < 700 hPa), la convection profonde lessive 100% de la masse entraînée vers le sommet. Il faut préciser que c’est la composante hydrophile de l’aérosol qui est capté lors de ce processus dont le descriptif se trouve au paragraphe suivant.

Hygroscopicité et vieillissement des aérosols

L’hygroscopicité est la capacité d’un aérosol à capter l’eau par condensation. Les aérosols sont plus ou moins hygroscopiques et cette hygroscopicité complexe, dépend de plusieurs facteurs. Elle dépend en particulier de la taille, de la composition chimique des aérosols et du caractère hydrophile/hydrophobe de chaque type d’aérosol. Il s’agit d’une propriété très importante dans les interactions aérosols-nuages car, plus une particule est hygroscopique et plus elle agira avec efficacité en tant que noyau de condensation nuageuse. Dans le modèle TM5, nous avons adopté la même répartition hydrophobe/hydrophile pour l’aérosol carboné que dans Cooke et al. (1999). Dans l’initialisation du modèle TM5, nous supposons 80% de particules hydrophobes contre 20% d’hydrophiles pour le carbone suie. Pour le carbone organique, des proportions de 50% d’hydrophobes et 50% d’hydrophiles sont considérées.
Ces ratios évoluent dans le temps selon l’hypothèse suivante : on considère un taux de conversion constant des aérosols carbonés primaires, dont la masse de chaque espèce primaire (carbone suie ou carbone organique primaire) dans chaque bin (classe de diamètre) vérifie l’équation.

Module d’aérosols ORISAM

Le module d’aérosols ORISAM (ORganic and Inorganic Spectral Aerosol Module) est présenté de manière détaillée dans Guillaume et al. (2007), Cousin et al. (2005), Liousse et al. (2005) et Bessagnet et al. (2004). Deux versions de ce module ORISAM ont été couplées au modèle TM. La première version tient compte de l’évolution physico-chimique des aérosols répartie par classes de diamètres (bins) et modélise explicitement la formation des aérosols organiques secondaires. La deuxième version plus simplifiée, est celle que nous avons utilisée. L’évolution physico-chimique, ainsi que la formation des aérosols ne sont pas incorporées ici pour mon propos : il s’agit du mode traceur. Notons que quatre traceurs (BC hydrophile, BC hydrophobe, OC hydrophile et OC hydrophobe) ont été considérés dans nos simulations et six classes de diamètres (sections ou bins) sont prises en compte suivant le schéma sectionnel de Warren and Seinfeld (1985). Les différentes classes de tailles considérées sont : [0,04-0,126 µm], [0,126-0,4 µm], [0,4-1,265 µm], [1,265-4 µm], [4-12,649 µm] et [12,649-40 µm]. Les distributions en tailles du carbone suie et du carbone organique prises en compte en tant que données d’entrée du modèle sont basées sur les mesures récentes obtenues lors de la campagne Escompte (2001) pour un aérosol urbain (Cachier et al., 2004). Ainsi, deux modes log-normaux sont considérés : un dans le mode fin de diamètre moyen 0,23 µm et un autre (2,5 µm) dans le mode grossier. 100% du carbone suie et 90% du carbone organique sont injectés dans le mode fin. Les 10% restants du carbone organique sont dans le mode grossier. Pour information, le choix du mode traceur constitue un gain sensible de temps de calcul. Ainsi, les simulations pour une année entière durent en moyenne 3 jours seulement avec un système à 4 processeurs.

Descriptif des simulations

Les simulations ont porté sur la période du 15 Décembre 2004 au 1er Janvier 2006. Trois simulations ont été effectuées pour l’année 2005 et trois autres pour l’année 2030 utilisant des données de feux de biomasse et de combustibles fossiles/biofuels. Pour les feux de biomasse, c’est l’inventaire AMMABB de 2005 (Liousse et al., 2010) qui a été choisi pour nos 6 simulations à l’échelle du globe, pour les années 2005 et 2030. Les émissions par les combustions de combustibles fossiles et de biofuels sont décrites dans le tableau 5.1. Notons que la dénomination de chaque simulation relatif aux différents inventaires à tester y est mentionné.

Distributions spatiales des aérosols carbonés en 2005

Dans cette partie, nous présentons les concentrations de carbone suie et de carbone organique (en µg/m3 ) obtenues pour 2005, à partir de notre nouvel inventaire (NEW) et de l’ancien inventaire (OLD) en Janvier et Juillet sur l’Afrique.

Carbone suie

Les distributions spatiales des concentrations de carbone suie (en µg/m3 ) en surface obtenues à partir du nouvel et de l’ancien inventaire en Janvier 2005 et Juillet 2005 sont présentées sur la figure 5.2. Globalement, tout comme dans Liousse et al. (2010), les maxima de concentrations sont situées dans les zones de feux de biomasse : en Janvier en Afrique de l’Ouest et en Juillet en Afrique Centrale. Cependant, on constate une différence dans l’extension longitudinale des concentrations le long des pays du Golfe de Guinée en Janvier et le long de l’équateur en Juillet