Extinction du rayonnement

Le premier param`etre optique ´evalu´e pour la simulation SAFMED+ est l’extinction du rayonnement dans le visible, `a l’aide des observations r´ealis´ees `a bord de l’avion par l’ins- trument CAPS (Cavity Attenuated Phase Shift). Ces mesures in-situ ont ´et´e r´ealis´ees `a la longueur d’onde de 530 nm et `a une humidit´e relative inf´erieure `a 50 %. L’extinction due aux a´erosols marins uniquement en sortie du mod`ele est `a 550 nm et estim´ee `a l’humidit´e relative de la maille consid´er´ee. Les figures 5.30 pr´esentent l’extinction mod´elis´ee `a trois niveaux diff´erents (correspondant `a des altitudes de 10 m, 370 m et 1000m) le 10 juillet `a 1200 UTC. Tout d’abord, on note que l’extinction du rayonnement simul´ee sur le domaine M´editerran´ee est corr´el´ee `a la charge en a´erosols marins et on retrouve bien visuellement le panache sur

les figures 5.30 (a) (b) et (c). On observe que l’extinction `a la surface est plus importante qu’`a 370 m. Ainsi, `a la surface, l’extinction atteint des valeurs respectives de 10 Mm−1 et de 15 Mm−1 `a l’ouest et au sud de la Sardaigne. A 1000 m, proche de la hauteur limite de la CLM, l’extinction est moins homog`ene qu’`a la surface et y est plus importante avec des valeurs de 15 Mm−1 beaucoup plus fr´equentes.

Figure 5.30 – Extinction due aux a´erosols marins `a trois altitudes diff´erentes dans la CLM, 10 m, 370 m et 1000 m, le 10 juillet 2014 `a 1200 UTC.

De fa¸con similaire aux analyses de la concentration pendant la simulation ADRIMED, nous avons utilis´e ici un transect particulier qui nous aide `a mieux appr´ehender le profil vertical de l’extinction du rayonnement. La figure 5.31 pr´<sub>esente le transect « mistral » qui</sub> traverse le bassin m´editerran´een ouest selon l’axe du vent pendant cet ´episode. Ce transect d´ebute `a Frioul, passe par Carloforte (Sardaigne) et se termine `a Tunis. Ces trois sites, qui correspondent `a trois stations AERONET, sont utilis´es par la suite pour l’´etude de l’AOD et de l’effet radiatif direct (ERD).

La figure 5.32 pr´esente l’extinction du rayonnement `a 550 nm, la hauteur de la CLM ainsi que l’humidit´e relative (RH) pour trois dates, avant le vol ((a) et (d)), pendant le vol ((b) et (e)) et apr`es le vol ((c) et (f)) sur le transect mistral. Pour les trois dates, on observe que l’extinction est maximale (_{∼ 18 Mm}−1) vers 1000 m, au sommet de la couche limite qui correspond aux valeurs d’humidit´e relative maximales. En effet, pour des altitudes centr´ees autour de 1200 m, l’humidit´e relative (RH) atteint des valeurs proches de 100 %. Ce r´esultat est li´e au facteur de grossissement des a´erosols marins qui augmente fortement pour des RH sup´erieures `a 70%. On aper¸coit tout de mˆeme en parall`ele une augmentation de l’extinction en fonction du temps et de la localisation. En effet, l’extinction est plus forte `a 1517 UTC entre la Sardaigne et la Tunisie (<sub>∼ 18 Mm</sub>−1) qu’`a 0900 UTC (_{∼ 12 Mm}−1).

Compar´e `a la litt´erature, Shinozuka et al. (2004) rapportent des valeurs de diffusion (d´eriv´ee d’un OPC, `a 633 nm) obtenues au niveau de l’oc´ean Austral, comprises entre 70 et 80 Mm−1 en dessous de 500 m asl. et pour des vitesses de vent comprises entre 8 et 12 m s−1. Entre 500 et 1000 m, la diffusion diminue et est comprise entre 20 et 50 Mm−1 alors qu’elle

Figure 5.31 – Axe du transect ”mistral”. Ce transect d´ebute `a Frioul, passe par Carloforte (Sardaigne) et se termine `a Tunis.

Figure 5.32 – Extinction due aux a´erosols marins, hauteur de CLA et humidit´e relative sur l’axe du transect mistral pour trois dates : 10 juillet 2014 0900 UTC ((a) et (d)), 1200 UTC ((b) et (e)) et 1517 UTC ((c) et (f)).

devient quasiment nulle `a des altitudes sup´erieures `a 1000 m. Sur le bassin m´editerran´een, Lundgren et al. (2013) ont r´ealis´e un cas d’´etude avec le mod`ele r´egional COSMO-ART (Vogel et al., 2009) `a la r´esolution horizontale de 0.25° et 40 niveaux verticaux. Le m´elange interne des a´erosols humides compos´es de chlorure de sodium, sulfate de sodium et d’eau liquide est consid´er´e dans cette ´etude. Les propri´et´es optiques des a´erosols marins ont ´et´e calcul´ees en fonction de leur composition chimique. Pour cette simulation Lundgren et al. (2013) simulent des extinctions dans le sud-ouest de la M´editerran´ee comprises entre 40 et 80 Mm−1 dans le premier kilom`etre de la CLM, avec un maximum `a la surface et pour des vitesses de vent comprises entre 5 et 7.5 m s−1. Ainsi, pour des conditions de vent similaires, l’extinction mod´elis´ee dans notre cas d’´etude, entre la surface et 500 m d’altitude, est inf´erieure aux valeurs rapport´ees par Shinozuka et al. (2004) et Lundgren et al. (2013).

Contrairement `a Shinozuka et al. (2004) et Lundgren et al. (2013), l’extinction simul´ee pour SAFMED+ augmente jusqu’au sommet de la couche limite, essentiellement `a cause de l’augmentation de RH. Enfin, au dessus de la couche limite, l’extinction d´ecroit tr`es ra- pidement pour atteindre des valeurs nulles. De plus, Piazzola et al. (2012) indiquent une extinction due `a la diffusion des a´erosols (`a 520 nm) `a la station de Porquerolles, apr`es un cas de mistral, inf´erieure `a 15 Mm−1. L’extinction moyenne simul´ee `a Porquerolles par Me- soNH pour la journ´ee du 10 juillet, pendant l’´episode de mistral, est inf´erieure d’un ordre de grandeur (1.67 <sub>± 0.10 Mm</sub>−1). De la mˆeme mani`ere que pour la concentration en nombre, il est probable que l’extinction mesur´ee par Piazzola et al. (2012) soit en partie due `a des particules d’origine anthropique. Toutefois, les valeurs obtenues pour la simulation SAFMED sont inf´erieures aux valeurs rencontr´ees dans la litt´erature, `a la fois pour des ´etudes d’obser- vation et de mod´elisation, et indiquent possiblement un biais du mod`ele dans le calcul des propri´et´es optiques.

Figure 5.33 – (a) Altitude de l’avion pendant le vol, (b) Extinction mod´elis´ee `a 550 nm due aux a´erosols marins primaires

int´eressons aux observations obtenues pendant le vol. Comme mentionn´e pr´ec´edemment, l’extinction totale `a 530 nm, attribuable `a tous les a´erosols pr´esents dans l’atmosph`ere, a ´

et´e mesur´ee par l’instrument CAPS dans l’avion. Cette analyse ne permet donc pas une comparaison directe avec l’extinction simul´ee des a´erosols marins uniquement. De plus, cet instrument a effectu´e ces mesures `a une humidit´e relative faible (< 40 %), qui n’est pas repr´esentative de l’humidit´e relative ambiante. L’extinction ´etant impact´ee par la croissance hygroscopique des a´erosols marins, deux corrections ont ´et´e appliqu´ees aux mesures. Ces corrections correspondent au facteur d’accroissement de la diffusion des a´erosols marins en fonction de l’humidit´e relative. Etant donn´e que les a´erosols marins sont essentiellement diffusifs dans les courtes longueurs d’onde, la diffusion est consid´er´ee ici comme ´egale `a l’extinction. Les corrections appliqu´ees sont issues de Hervo (2013) sur les propri´et´es hygro- scopiques des a´erosols observ´es au Puy de Dˆome. Ces deux corrections, pour des masses d’air oc´eaniques (O) et oc´eaniques modifi´ees (OM), s’appuient sur la formule 5.2 :

fσ550 = a1e

a2RH _{+ a}

3ea4RH (5.2)

Les quatre param`etres a1 `a a4 sont pr´esent´es dans le tableau 5.9.

Masses d’air a1 a2 a3 a4

Oc´eanique 9.18 10−1 _{6.08 10}−3 _{3.10 10}−7 _{1.68 10}−1

Oc´eanique modifi´ee 9.88 10−1 _{5.14 10}−3 _{8.66 10}−4 _{8.82 10}−2

Table 5.9 – Coefficients de la param´etrisation du facteur d’accroissement de la diffusion `a 550 nm en fonction de l’humidit´e relative issus de Hervo (2013).

Les extinctions simul´ees et observ´ees sont repr´esent´ees sur la figure 5.34 pendant le vol instrument´e. Sont pr´esent´ees, en rouge la simulation, en bleu marine les observations (CAPS) sans correction, en bleu roi la correction O et en bleu clair la correction OM. Il faut mention- ner ici que les masses d’air oc´eaniques modifi´ees ont un facteur d’accroissement de la diffusion plus important que les masses d’air oc´eaniques (Holmgren et al., 2014; Freney et al., 2011; Asmi et al., 2013).

Les valeurs moyennes pendant ce vol sont de 1.89 _{± 1.71 Mm}−1, 19.7_{± 12.4 Mm}−1, 29.5_± 21.5 Mm−1 et 37.4_{± 30.6 Mm}−1 pour le mod`ele, les observations CAPS et les corrections O et OM respectivement.

Les valeurs observ´ees sont beaucoup plus importantes que l’extinction simul´ee (biais de -17.81 Mm−1), d’autant plus en appliquant les corrections O et OM (biais respectifs de -27.56 Mm−1 et de -35.47 Mm−1. De la mˆeme mani`ere que pour la comparaison avec la litt´erature au niveau du bassin m´editerran´een, les valeurs simul´ees sont ´egalement beaucoup plus faibles que les observations r´ealis´ees pendant le vol. Le biais entre le mod`ele et les observations ne peut pas enti`erement ˆetre expliqu´e par la pr´esence d’autres types d’a´erosols. En effet, l’ex-

tinction simul´ee due aux a´erosols marins est beaucoup plus faible qu’attendue.

Malgr´e ce biais, on note une bonne coh´erence temporelle entre les mesures et la simu- lation, qui est ´egalement am´elior´ee avec les corrections en fonction de RH, illustr´ee par les corr´elations de 0.65, 0.68 et 0.69 pour les mesures sans correction (CAPS), correction O et OM respectivement.

De plus, cinq pics d’extinction sont observ´es par le CAPS, atteignant des valeurs sup´erieures `

a 50 Mm−1 et sup´erieures `a 120 Mm−1 pour deux d’entre eux (avec la correction OM). Le mod`ele repr´esente en effet quelques ´episodes avec des concentrations plus importantes qui correspondent `a ces pics, mais les valeurs restent tr`es faibles (inf´erieures `a 10 Mm−1). On observe une tr`es forte corr´elation entre l’humidit´e relative et ces extinctions fortes.

L’absence d’observables directement reli´ees aux a´erosols marins limite clairement l’ana- lyse sur la performance du mod`ele `a simuler l’extinction des a´erosols utilis´es pour ´etudier leurs effets sur le rayonnement.

Figure 5.34 – (a) Comparaison entre l’extinction des a´erosols marins mod´elis´ee (courbe rouge), l’extinction totale mesur´ee par le CAPS et corrig´ee en fonction de l’humidit´e rela- tive pour des conditions « oc´eaniques » et « oc´eaniques modifi´ees ». (b) Humidit´e relative ambiante pendant le vol.

CAPS CAPS O CAPS OM Corr 0.65 0.68 0.69 Biais -17.81 -27.56 -35.47 avg(Obs) 19.74 29.48 37.39 std(Obs) 12.42 21.53 30.58 std(Mod`ele) 1.71 1.71 1.71

Table 5.10 – Scores obtenus entre l’extinction mod´elis´ee et observ´ee sans correction de l’humidit´e relative (CAPS) et avec correction pour des masses d’air oc´eaniques (CAPS O) et oc´eaniques modifi´ees (CAPS OM).