Etude de la hauteur de la tropopause thermique

L’étude de la hauteur de la tropopause permet d’évaluer la proximité de cellules dé-pressionnaires, lorsque la tropopause est basse, avec comme conséquence des déplacements verticaux (Echange Stratosphère-Troposphère, WCB). Inversement, lorsque la tropopause est haute, les échanges verticaux sont moins fréquents et la stratification verticale de l’ozone est plus marquée. Ces différentes situations ont un impact sur les concentrations d’ozone dans les hautes couches de la troposphère.

Il existe plusieurs définitions de la tropopause (Bethan et al., 1996) : – thermique (profil de température)

– dynamique (vorticité potentielle) – chimique (profil d’ozone)

−100 −80 −60 −40 −20 0 20 40 20 30 40 50 60 70 80

OHP 500 hPa lidecc ann 1991−1995

Eu 20% EM 1% AT 34% AN 45%

(a) BADC - Toutes les observations

(AT=34 %, AN=45 %, Eu=20 %, EM=1 %)

−100 −80 −60 −40 −20 0 20 40 20 30 40 50 60 70 80

OHP 500 hPa ozday ann 1991−1995

Eu 18% EM 3% AT 33% AN 46%

(b) FLEXTRA - Toutes les observations (AT=33 %, AN=46 %, Eu=18 %, EM=3 %)

−100 −80 −60 −40 −20 0 20 40 20 30 40 50 60 70 80

OHP 500 hPa allday ann 1991−1995

Eu 22% EM 0% AT 27% AN 51%

(c) FLEXTRA - Tous les jours

(AT=27 %, AN=51 %, Eu=22 %, EM=0 %)

Figure 3.6: Position des masses d’air 3 jours avant leur arrivée à l’OHP à 500 hPa (5 km) pour la période 1991-1995, (a) avec les calculs de BADC pour les jours d’observations lidar et ECC confondus, (b) avec les calculs de FLEXTRA pour les jours d’observations lidar et ECC confondus, (c) avec les calculs de FLEXTRA pour tous les jours (sondés et non sondés par les instruments).

−100 −80 −60 −40 −20 0 20 40 20 30 40 50 60 70 80

OHP 500 hPa allday ann 1991−1995

Eu 22% EM 0% AT 27% AN 51% (a) 1991-1995

(AT=27 %, AN=51 %, Eu=22 %, EM=0 %)

−100 −80 −60 −40 −20 0 20 40 20 30 40 50 60 70 80

OHP 500 hPa allday ann 1996−1999

Eu 16% EM 3% AT 41% AN 40% (b) 1996-1999

(AT=41 %, AN=40 %, Eu=16 %, EM=3 %)

−100 −80 −60 −40 −20 0 20 40 20 30 40 50 60 70 80

OHP 500 hPa allday ann 2000−2004

Eu 25% EM 2% AT 30% AN 43% (c) 2000-2004

(AT=30 %, AN=43 %, Eu=25 %, EM=2 %)

−100 −80 −60 −40 −20 0 20 40 20 30 40 50 60 70 80

OHP 500 hPa allday ann 2005−2008

Eu 11% EM 3% AT 49% AN 37% (d) 2005-2008

(AT=49 %, AN=37 %, Eu=11 %, EM=3 %)

Figure 3.7: Position des masses d’air 3 jours avant leur arrivée à l’OHP à 500 hPa (5 km) pour tous les jours et pour chaque période (1991-1995, 1996-1999, 2000-2004, 2005-2008).

température qui est un paramètre mesuré. La limite de cette méthode est qu’elle peut faire apparaître une multitude de hauteurs de tropopause lors d’un passage de front pour une région donnée. Ceci pose des problèmes dans le calcul de flux de masses entre les deux réservoirs troposphère et stratosphère mais ce n’est pas ce que l’on cherche à faire ici. Pour déterminer la hauteur de la tropopause thermique, nous avons utilisé les profils de température des ECC à l’OHP et des radiosondages de Nîmes, à une centaine de km du site de l’OHP, pour les jours de mesure du lidar. Puis, nous avons appliqué la définition WMO : niveau le plus bas où le gradient thermique vertical, en valeur algébrique, devient supérieur ou égal à −2℃/km, sous réserve que les taux moyens de variation de la température entre ce niveau et les niveaux situés dans une couche sus-jacente de 2 km d’épaisseur gardent des valeurs au moins égales à −2℃/km.

Pour vérifier la pertinence de l’utilisation des mesures de Nîmes dans l’étude de la hauteur de la tropopause lors des sondages lidar, nous avons comparé les hauteurs de tropopause pour les jours de mesures par les ballons sondes de Nîmes à 12 h et celles des sondes de l’OHP. La résolution verticale des sondages de Nîmes à 12 h est faible, nous avons alors choisi d’ajouter un critère sur le gradient thermique vertical de −3℃/km. La différence entre les valeurs trouvées en utilisant −2℃/km et −3℃/km correspond alors à l’incertitude sur le calcul de l’altitude de la tropopause à Nîmes pour ces sondages obtenus à basse résolution. Cette méthode est finalement appliquée à tous nos calculs aussi bien pour le lidar que pour les ECC et les barres verticales de la Figure 3.8 correspondent à cette incertitude.

La tropopause à Nîmes est plus haute que celle à l’OHP, mais les différences ne sont pas significatives puisque les intervalles de valeurs se chevauchent, sauf en été 1991-1995 et en automne après 1995 (Figure 3.8). En été 1991-1995 et en automne après 1995, la variabilité inter-annuelle de la tropopause obtenue pour les profils lidar à l’OHP ne peut donc pas être prise en considération lors de l’analyse des données d’ozone. On notera aussi que les saisons été et automne correspondent à des flux nord-sud souvent plus marqués que le flux d’ouest qui domine en hiver et au printemps. Nîmes se situant plus à l’est de l’OHP, il est donc logique d’avoir un gradient est-ouest de la hauteur de la tropopause détectable uniquement en dehors de ces deux saisons : hiver et printemps. Il est même étonnant de n’avoir des différences significatives que pour une seule période en été. Les moyennes saisonnières de la hauteur de la tropopause correspondant aux mesures

DJF MAM JJA SON 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 N12h E

Altitude Tropopause Nimes/OHP, km

Altitude Tropopause Nimes−OHP comparison 1991−1995

1996−1999 2000−2004 2005−2008

Figure 3.8: Variation saisonnière de la hauteur de la tropopause (km) pour chaque période et chaque instrument : les sondes météorologiques à la station de Nimes à 12 h (N12h) à gauche et les sondes ECC à l’OHP lancées à 12 h (E) à droite. Les valeurs limites des barres (croix) correspondent à la hauteur de la tropopause calculée avec les gradients thermiques −2˚C/km et −3˚C/km sur 2 km d’épaisseur.

DJF MAM JJA SON

10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 L E

Altitude Tropopause Lid/ECC, km

Altitude Tropopause Lidar−ECC comparison 1991−1995

1996−1999 2000−2004 2005−2008

(a)

DJF MAM JJA SON

10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 Altitude tropopause, km

Altitude Tropopause Lidar−ECC combined 1991−1995

1996−2000 2001−2005 2006−2010

(b)

Figure 3.9: (a) Variation saisonnière de la hauteur de la tropopause (km) pour chaque période et chaque instrument : lidar (L) à gauche et ECC (E) à droite. Les valeurs limites représentées par les extrémités (croix) des barres correspondent aux hauteurs de tropopause calculées avec les deux gradients de −2˚C/km et de −3˚C/km sur 2 km d’épaisseur.

(b) Variation saisonnière de la hauteur de la tropopause (km) pour chaque période et pour les jeux de donnée lidar et ECC combinés. Les périodes sont légèrement différentes car les données des ECC jusqu’en 2010 sont prises en compte (cf. Chapitre 4).

sont représentées sur la Figure 3.9a. Le cycle saisonnier avec un minimum en hiver et un maximum en été est toujours observé sauf pour le lidar en 1996-1999 puisque le maximum continue en automne. La variabilité inter-annuelle par saison est similaire entre les deux instruments. La tropopause associée aux mesures lidar est plus élevée que celle des ECC en hiver (sauf en 2000-2004) et en été (sauf en 2005-2008). En été, ceci est probablement lié à l’incertitude dûe au calcul des hauteurs de tropopause pour le lidar, comme expliqué plus tôt.

On considère la hauteur de la tropopause sur les deux instruments combinés pour étudier la variabilité inter-annuelle de la tropopause. Ainsi, on observe une diminution d’environ 100 m/décennie en hiver et au printemps (Figure 3.9b). Wilcox et al. (2012) ont observé une tendance négative de la hauteur de la tropopause en hiver dans l’Europe de l’ouest en utilisant un plus large jeu de données.