Modélisation et impact sur le climat des feux de biomasse extrêmes

Auteur moral

Université Toulouse 3 Paul Sabatier : UT3

Auteur moral

Mallet, Marc ; Nabat, Pierre

Année de publication

2024

Cette thèse vise à étudier les aérosols de feux de biomasse (BBA) issus des feux extrêmes observés sur la période 2019-2020 en Australie, Californie et Sibérie, en terme de caractéristiques des aérosols (concentration et structure verticale), d'effet radiatif direct et enfin d'impact climatique. La première partie de ce travail a consisté à la mise en place et à l'évaluation d'une configuration du modèle de climat global ARPEGE-Climat permettant l'étude de ces feux extrêmes. Cette évaluation a été réalisée à l'aide de différents jeux de données d'aérosols de référence (réanalyses, observations au sol et produis satellites). Tout d'abord, nos résultats démontrent la nécessité de contraindre les hauteurs d'injection dans le modèle afin de représenter de manière réaliste les profils verticaux d'extinction observés lors des feux extrêmes, à la fois dans la troposphère et dans la basse stratosphère en raison de la contribution de la pyro-convection. Sans profils d'émission verticaux spécifiques pour ces émissions, les simulations ARPEGE-Climat ne parviennent pas à représenter les profils verticaux d'extinction des aérosols. Pour chaque région étudiée, l'épaisseur optique des aérosols (AOD) modélisée est extrêmement élevée (supérieure à 3 à 550 nm) associé à un important transport longue-distance des BBA émis en Australie et en Californie et caractérisé par de fortes AOD relativement loin des sources. Ces panaches, extrêmement denses, perturbent considérablement le rayonnement solaire incident à la surface et exercent un effet radiatif direct (solaire) important jusqu'à -13, -29 et -17 W/m² en moyenne mensuelle sur l'Australie (Janvier 2020), la Californie (Septembre 2020) et la Sibérie (Août 2019), respectivement. Un effet radiatif direct positif (réchauffement) des BBA est simulé au sommet de l'atmosphère, lorsque ces panaches de fumée denses et fortement absorbants sont advectés au-dessus des régions océaniques nuageuses, caractérisées par un albédo de surface élevé. Cette absorption conduit à une augmentation du taux de chauffage solaire jusqu'à 0.3 K/jour avec des implications possibles sur la température et la dynamique atmosphériques. La deuxième partie de ce travail a consisté en l'étude de l'impact climatique de ces feux extrêmes. Dans ce but, des ensembles de simulation de 40 membres avec et sans les émissions des feux sur les trois régions ont été réalisés et analysés. Dans les deux régions étudiées ici (Californie et Sibérie), les BBA exercent un important forçage radiatif, ayant des impacts relativement forts sur le climat régional ainsi qu'un effet à plus grande échelle sur la circulation atmosphérique notamment en Amérique du Nord. Les résultats indiquent par exemple des anomalies de la couverture nuageuse allant de -10% à +10% associées à des anomalies de température de la surface d'environ 1.5 à 2 K. Les simulations montrent aussi une augmentation de la température avec l'altitude sur les deux régions particulièrement marquée sur l'Arctique et à l'Est des sources sur la région de la Californie. De plus, ces panaches ont également un impact important sur la circulation et la stabilité de l'atmosphère. Une diminution de la hauteur de la couche limite a été simulée (entre 200 m et 1 km), probablement causée par les changements de température associée à des anomalies négatives de l'intensité du vent à la surface (jusqu'à -1,8 m/s), traduisant une stabilité accrue de l'atmosphère. Tous ces résultats nous incitent à mieux prendre en compte les propriétés des aérosols de feux de biomasse dans les modèles de climat, afin d'améliorer notre compréhension des phénomènes associés.</div>

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