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Evaluation de la circulation stratosphérique dans les modèles du climat

Research Topic Chapter
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La Circulation Brewer-Dobson (CBD) est un système global de courants atmosphériques dans la stratosphère et la mésosphère. Elle transporte les masses d’air vers le haut dans les tropiques, vers les pôles dans les latitudes moyennes et vers le bas dans les régions polaires. L’impact de la CBD sur la couche d’ozone est important et connu depuis longtemps, mais ce mécanisme n’est pas encore compris en détail et sa représentation dans les modèles de climat nécessite des recherches approfondies. Nous avons abordé cette question en étudiant l'impact moyen de la CBD sur le traceur à longue durée de vie qu'est le protoxyde d'azote (N2O) dans la stratosphère, en comparant une grande variété de jeux de données.
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En tant que traceur chimique à longue durée de vie, le protoxyde d'azote est moins réactif que l'ozone dans la stratosphère, et donc plus clairement influencé par le transport, ce qui le rend idéal pour étudier l'impact de la circulation de Brewer-Dobson sur la couche d'ozone. De plus le N2O est en lui-même un important sujet d’étude car il contribue à la destruction de la couche d’ozone et est un puissant gaz à effet de serre.

Nous avons calculé le budget des variations du N2O stratosphérique, en séparant les contributions du transport et des contributions chimiques. L’impact de la CBD sur le taux de variation du N2O a ensuite été décomposé en advection (transport par les courants dominants) et mélange (par les tourbillons à grande échelle). Nous nous sommes concentrés sur les contributions de l’advection verticale et du mélange horizontal, car ce sont les causes les plus importantes des variations du N2O dans la stratosphère.

L’impact de ces deux processus dépend fortement de la latitude. Le N2O est produit dans la troposphère et entre dans la stratosphère dans les Tropiques. L’advection verticale entrainée par la CBD augmente ensuite l’abondance de N2O dans toute la stratosphère tropicale. Cela génère des gradients méridionaux de l’abondance de N2O dans la stratosphère: dans les tropiques la concentration de N2O est élevée, mais aux latitudes moyennes elle est beaucoup plus faible. C’est ici que le mélange horizontal entre en jeu en homogénéisant les concentrations de N2O entre les Tropiques et les latitudes moyennes. Dans les régions polaires, l’advection verticale change de signe et transporte le N2O vers le bas et la tropopause.

Nous avons évalué et comparé les rôles de l’advection verticale et du mélange horizontal dans plusieurs jeux de données:

  • le modèle de Chimie-Climat CESM/WACCM;
  • le modèle de Chimie-Transport BASCOE entrainé par quatre réanalyses différentes de la dynamique atmosphérique: ERA-Interim, JRA-55, MERRA et MERRA-2;
  • BRAM2, une réanalyse par le système d’assimilation BASCOE des observations chimiques obtenues par l’instrument Aura/MLS de la NASA.

Evaluation de l’advection verticale dans les modèles

Ces jeux de données sont très similaires dans l’hémisphère Nord et assez similaires dans l’hémisphère Sud, sauf dans la région Antarctique où WACCM et JRA-55 diffèrent notablement. La variabilité inter-annuelle du terme d’advection verticale est très différente dans chaque jeu de donnée dans la stratosphère moyenne tropicale, à cause de l’Oscillation Quasi-Biennale des vents zonaux et de son impact dans les Tropiques sur le mouvement ascendant depuis la troposphère.

Evaluation du mélange horizontal dans les modèles

Dans l’hémisphère Nord, la contribution du mélange horizontal est plus faible pendant l’hiver avec WACCM qu’avec les réanalyses. Mais c’est au-dessus de l’Antarctique que l’on note les plus grandes différences pour ce terme de mélange horizontal, en hiver également et donc dans le vortex polaire.  D’après les réanalyses le mélange horizontal joue un rôle majeur dans cette région alors que ce processus ne joue presque aucun rôle dans WACCM.

Le terme de mélange horizontal est extrêmement variable dans la stratosphère moyenne (25-40 km d’altitude). Au-dessus de l’Antarctique cela est lié à la variabilité de la date de désagrégation du vortex polaire alors que dans l’Arctique en hiver cela est dû à la grande variabilité du vortex lui-même.

Ce travail a mis en évidence les régions de la stratosphère où un modèle climatique de pointe tel que WACCM a besoin d’être amélioré, et fournit des données de référence à cette fin. Ces données de référence sont dérivées des dernières réanalyses d’observations satellitaires, y compris la réanalyse de la chimie stratosphérique BRAM2 créée à l’IASB.

 

Références:

Minganti, D., Chabrillat, S., Christophe, Y., Errera, Q., Abalos, M., Prignon, M., Kinnison, D.E., and Mahieu, E. (2020). Climatological impact of the Brewer-Dobson circulation on the N2O budget in WACCM, a chemical reanalysis and a CTM driven by four dynamical reanalyses. Atmospheric Chemistry and Physics, 20(21), 12609-12631. https://doi.org/10.5194/acp-20-12609-2020 Open Access Logo

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Cycle annuel (2005-2014) à 15hPa (~ 30 km) pour (a, b) le rapport de mélange en volume de N2O (ppbv), (c, d) le terme de mélange horizontal (ppbv / jour) et (e, f) le terme d'advection verticale dans la région antarctique (a, c, e) (80-60 ° S) et la région arctique (b, d, f) (60-80 ° N).