Vers une approche ensembliste de l'analyse de surface pour le modèle à échelle convective AROME-France

Auteur moral

Université de Toulouse

Auteur moral

Fourrié, Nadia ; Birman, Camille

Année de publication

2025

La composition atmosphérique est issue de nombreux processus, et en particulier des échanges d'échelles variables, allant jusqu'au transport intercontinental. Le monoxyde de carbone (CO) étant un marqueur de la pollution émise en surface, cette thèse a été consacrée à l'étude du transport de panaches de CO sur le globe. Cette étude a été faite à l'aide des observations in-situ IAGOS. Ces observations ont été combinées à l'outil SOFT-IO. Cet outil combine le modèle FLEXPART à des inventaires d'émissions pour calculer la contribution du CO récemment émis aux observations. Dans une deuxième partie de la thèse, nous avons aussi utilisé le modèle de chimie-transport MOCAGE. Des traceurs de CO ont été implémentés dans celui-ci afin de permettre de caractériser le type d'émission et l'origine géographique du CO modélisé. Nous avons pu attribuer, pour les différentes régions du globe, l'origine géographique du CO présent, ainsi que les caractéristiques chimiques des panaches de CO observés ou modélisés. L'hémisphère Nord est largement influencé par les fortes émissions anthropiques. Selon l'altitude étudiée, l'origine du CO va être plus ou moins éloignée. En basse troposphère, le CO L'interface surface-atmosphère est le siège de nombreux échanges d'énergie, de quantité de mouvement, de phénomènes d'évaporation et d'évapotranspiration, qui influencent la circulation atmosphérique. La modélisation du couplage surface-atmosphère permet de mieux représenter les processus dans la couche limite atmosphérique. Ce couplage s'effectue au cours de la prévision à travers un échange d'information entre le modèle atmosphérique et le modèle de surface. La prévision numérique du temps (PNT) étant particulièrement sensible aux conditions initiales, il est essentiel de fournir aux prévisions des conditions initiales cohérentes entre la surface et l'atmosphère lors de la création de l'analyse. Bien qu'il soit robuste, l'actuel système d'assimilation de données de surface, basé sur une méthode d'interpolation optimale, est statique, univarié et indépendant du système d'assimilation atmosphérique. L'introduction de nouveaux types d'observations n'est également pas facilitée dû au manque de flexibilité du système actuel. L'objectif de ce travail de thèse est de construire un système d'analyse de surface avancé, basé sur une approche ensembliste, capable d'assimiler des observations de différentes natures, en particulier satellitaires. Une meilleure connaissance des états initiaux des variables dans le sol permettrait ainsi d'obtenir de meilleurs prévisions dans les basses couches de l'atmosphère. Les activités de ma thèse ont consisté à améliorer la partie bidimensionnelle de l'analyse de surface pour le modèle AROME-France. Grâce aux ensembles d'assimilation, un système variationnel ensembliste bidimensionnel (2DEnVar) pour analyser les variables de température et d'humidité relative à 2 m a été mis en place dans une première partie. Les covariances d'erreurs d'ébauche sont alors plus réalistes car elles sont multivariées et dépendantes de la situation météorologique du jour. La qualité des prévisions en basse atmosphère est ainsi légèrement améliorée, tout en restant comparable au système opérationnel actuel. Dans un deuxième temps, l'analyse d'une nouvelle variable de surface, la température de surface continentale (Land Surface Temperature, LST), a été mis en place dans le système 2DEnVar. Cette nouvelle variable est analysée grâce à l'assimilation de nouvelles observations provenant du radiomètre infrarouge SEVIRI à bord du satellite géostationnaire Meteosat Seconde Génération. La synergie entre les différentes observations de surface assimilées, à la fois conventionnelles, telles que la température et l'humidité relative à 2m, et provenant de satellite, comme la LST, a ainsi été étudiée. L'utilisation de cette nouvelle observation satellite améliore la qualité des prévisions dans les basses couches de l'atmosphère, en particulier grâce à la prise en compte des corrélations d'erreurs d'ébauche entre les variables, permises par le nouveau système ensembliste. Ces travaux ont montré la robustesse et la flexibilité de ce nouveau système, permettant d'envisager l'assimilation de nouvelles observations directement en lien avec les variables du sol afin de mieux contraindre le système sur les surfaces continentales.est d'origine majoritairement locale. Avec l'altitude, en revanche, le CO provient de plus en plus des régions combinant à la fois de fortes émissions ainsi que des conditions permettant le rapide transport de celle-ci vers les hautes altitudes. Les émissions de la région Est-Asiatique sont celles ayant le plus d'influence sur le CO de l'hémisphère nord. En été boréal, aux émissions anthropiques présentes toute l'année, vont s'ajouter les émissions de feux de biomasse. Ces feux vont être à l'origine des valeurs de CO les plus élevées de la saison. Par l'importante quantité de précurseurs qu'ils vont co-émettre, ceux-ci vont aussi être à l'origine de fortes anomalies d'ozone. Les tropiques et les régions de l'hémisphère Sud vont être influencés par les quantités importantes de CO émises par les feux durant la saison sèche locale. Il va donc y avoir dans ces régions une forte variabilité saisonnière. Durant la saison sèche, les feux vont aussi provoquer la production d'importantes quantités d'ozone. La proximité de la plupart des régions de l'hémisphère sud avec la zone de convergence intertropicale permet le rapide transport vertical de ces masses d'air pollués. Cela va permettre à ces masses d'air de pouvoir atteindre rapidement des régions éloignées. Notre méthode nous a permis de bien comprendre les processus et caractéristiques de panaches de CO et pourrait par la suite être appliquée à d'autres précurseurs d'ozone comme les NOx.</div>

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