Towards an operational diagnosis of Stratosphere

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 Mainz
Michael 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
Circulation globale et ÉST
Tropopause instantanée
(Surface 2PVU calculée à partir de données ECMWF)
PVU
Hémisphère sud
Hémisphère nord
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
2. Effets sur la troposphère libre
O3
SH
NH
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
?
H 2O
CO
...
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?
La méthode Lagrangienne pour
quantifier les ÉST
• 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
La méthode Lagrangienne pour
quantifier les ÉST
• Discrétisation Lagrangienne du fluide atmosphérique:
strat ≥ 
strat.
S→T Transp:
trop ≥ 
F STT ()
2PVU
trop.
T→S Transp:
F TST ()
selected trajectory
 = 12, ..., 96 h
La méthode Lagrangienne pour
quantifier les ÉST
tropopause
A+B→C
Temps de résidence

La méthode Lagrangienne pour
quantifier les ÉST
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
Climatologies: Flux à travers la tropopause
Unités: kg km-2 s-1
Sprenger and Wernli 2003, basé sur ERA15
Climatologies: Flux à travers la tropopause
Généralisé pour les surfaces 1.5 – 8PVU:
La branche inférieure de la circulation globale
STT-TST Winter
STT-TST Summer
Basé sur les données d’analyse ECMWF (1995-1996)
Unités: 106 kg/(km s)
Adapté de Bourqui, 2001
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
Échanges rapides entre la stratosphère et la
couche limite
STT étendus
TST étendus
Stratosphère
Stratosphère
tropopause
tropopause
700 hPa
Couche limite
700 hPa
Couche limite
 Lieu de passage à travers la tropopause
 Destinations / origines des trajectoires dans la couche limite
 Cheminement dans la troposphère
STT étendus: Tropopause et destination
Flux trans-tropopause
a)
Unités: kg km-2 s-1
Destinations dans la couche limite
b)
Unités: probabilité en % qu’une
parcelle quelconque de la couche
limite vienne de la basse
stratosphère dans les 4 jours
STT étendus: Cheminement dans la troposp.
Flux trans-tropopause associé aux
destinations de la côte ouest
Unités: kg km-2 s-1
Flux trans-tropopause associé aux
destination de la côte est
TST étendus: Tropopause et origines
Flux trans-tropopause
Origines dans la couche limite
a)
Unités: kg km-2 s-1
Sprenger and Wernli 2003, basé sur ERA15
Unités: probabilité en % qu’une
parcelle quelconque atteigne la
basse stratosphère dans les 4 jours
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
 Prédictions possibles concernant la qualité de l’air:
• 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
 Préparations de campagnes de mesures
 En conjonction avec le future modèle de prédiction de
la qualité de l’air d’Environnement Canada:
• Évaluation du transport Lagrangien dans le modèle (ÉST ou autres)
• Détermination des sources de pollution
Potentiels pour une diagnose opérationnelle
 Potentiels d’une telle base de donnée, si archivée:
• 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
• ...
TST étendus: Cheminement dans la troposp.
Flux trans-tropopause associé aux
origines dans l’atlantique ouest et
le pacifique ouest
Unités: kg km-2 s-1