Impact des a´erosols sur la dynamique urbaine

Afin d’´etudier les impacts radiatifs des a´erosols, la m´ethodologie utilis´ee consiste `a comparer

deux simulations. La premi`ere simulation, appel´ee SIMref, est la simulation de r´ef´erence, et ne

prend pas en compte les a´erosols dans le calcul du rayonnement. La seconde simulation appel´ee

SIMrad calcule les propri´et´es optiques des a´erosols en chaque point de maille et `a chaque pas

de temps afin de les prendre en compte dans les calculs du transfert radiatif.

Un des premiers ´el´ements de comparaison entre les deux simulations est la diff´erence de flux radiatifs `a la surface. Ainsi, nous avons repr´esent´e sur la figure 6.8 la diff´erence de flux solaire (« shortwave ») arrivant `a la surface au centre-ville de Toulouse durant les deux journ´ees de

simulation, soit SWrad − SWref, ainsi que l’´epaisseur optique des a´erosols (AOD) correspon-

dante. Ces deux param`etres sont des cons´equences directes de l’interaction des particules avec le rayonnement.

La figure 6.8 nous montre que les a´erosols dans l’atmosph`ere r´eduisent le rayonnement solaire atteignant la surface en l’absorbant et en le r´etrodiffusant. Ainsi, on note qu’un maximum de 30

W.m−2 _{du rayonnement solaire est r´eduit par les a´erosols. Ces 30 W.m}−2 _{repr´esentent moins de}

5 % du flux solaire total qui s’´el`eve au maximum `a 800 W.m−2_{durant ces 3 et 4 juillet `a Toulouse.}

L’´evolution de ces param`etres d´ecoule directement de l’interaction des a´erosols avec le rayon- nement. Plus indirectement, ces interactions entraˆınent des variations sur la dynamique, et no- tamment sur la temp´erature. On peut ainsi se demander quel est l’impact de l’interaction des a´erosols avec le rayonnement solaire sur la temp´erature.

La figure 6.9 nous pr´esente la diff´erence de temp´erature `a 2 m`etres entre les deux simulations,

soit T 2mrad− T 2mref.

Cette figure nous montre tout d’abord que la tendance g´en´erale semble indiquer une temp´erature `a 2 m`etres plus basse lorsque les propri´et´es optiques des a´erosols sont prises en compte dans le calcul des flux radiatifs. On remarque notamment que durant les deux journ´ees, correspondant aux deux p´eriodes entre 5 et 20 heures et entre 30 et 42 heures, la diff´erence de temp´erature

131 6.3. Impacts radiatifs des a´erosols sur la dynamique urbaine

Fig. 6.8: Evolution de la diff´erence de flux solaire arrivant `a la surface entre les deux simulations (en bleu), et l’´epaisseur optique des a´erosols (AOD) (en rouge).

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 Temps en heure D TH (K)

de temp´erature n’exc`ede pas -0.2 ◦_{Cavec une moyenne de -0.1}◦_{C, lors de la seconde journ´ee la}

diff´erence de temp´erature atteint cette fois -0.3◦_{Cavec une moyenne de -0.2}◦_C.

La nuit cependant, ainsi qu’`a la fin de la deuxi`eme journ´ee, les valeurs semblent davantage

bruit´ees, et le signal montre des diff´erences de temp´eratures positives allant jusqu’`a +0.6 ◦_C.

Afin d’´etudier verticalement ces diff´erences, la figure 6.10 nous montre les profils verticaux de

concentrations d’a´erosols sup´erieure `a 5 µg.m−3 _{(en haut) et de diff´erences de temp´erature dont}

la valeur absolue est sup´erieure `a 0.05◦_{C(en bas).}

Fig. 6.10: Evolution temporelle des profils verticaux de concentrations d’a´erosols (haut) et de diff´erences de temp´erature (bas).

La figure 6.10 nous permet tout d’abord de retrouver l’´evolution temporelle et verticale des concentrations d’a´erosols au centre-ville de Toulouse. De plus, on peut observer les fortes concen- trations `a la surface durant la nuit du 3 au 4 juillet correspondant `a une situation dynamique de vent faible et donc d’accumulation d’a´erosols. Enfin on peut noter la forte concentration en altitude en fin de deuxi`eme journ´ee correspondant `a l’arriv´ee d’un panache r´egional d’origine m´editerran´eenne.

Lorsqu’on s’int´eresse aux diff´erences de temp´eratures sur la colonne au-dessus du centre- ville, on remarque que l’ensemble de la couche limite est plus froide lorsque les a´erosols sont pris en compte dans le transfert radiatif. Cette diff´erence de temp´erature est de l’ordre de 0.1

◦_{Cla premi`ere journ´ee et de 0.2 la seconde journ´ee. On remarque ´egalement qu’au sommet de la}

couche limite, la temp´erature est plus importante dans la simulation SIMrad que dans SIMref.

133 6.3. Impacts radiatifs des a´erosols sur la dynamique urbaine la couche limite. En effet, comme montr´e par la figure 6.8, une partie du rayonnement incident est diffus´ee et absorb´ee. Cette diff´erence de flux entraˆıne un d´eveloppement moins important de la convection, et ainsi une ´epaisseur de couche limite moins importante, jusqu’`a 100 m`etres la seconde journ´ee.

Enfin, on remarque qu’`a la fin de la seconde journ´ee, le signe de la diff´erence de temp´erature s’inverse pendant quelques heures. Ce ph´enom`ene local est dˆu `a la perturbation de la dynamique r´esultant de la prise en compte des a´erosols dans le calcul des flux radiatifs. Ainsi, les structures dynamiques entre les deux simulations sont spatialement d´ecal´ees, entraˆınant des diff´erences plus importantes et oppos´ees `a seulement quelques heures d’intervalle (entre 42 et 45 heures, et entre 45 et 48 heures). On retrouve les mˆemes tendances sur l’ensemble de la couche limite que sur la temp´erature `a 2 m`etres pr´esent´ee en figure 6.9.

Afin de s’affranchir de ces variabilit´es spatiales, il est int´eressant de comparer les diff´erences de temp´eratures moyenn´ees sur plusieurs points de mailles. Dans un premier temps, les figures 6.11(a) et 6.11(b) pr´esentent la diff´erence de temp´erature moyenn´ee en rouge, ainsi que la densit´e de temp´erature sur (a) l’ensemble des points de l’agglom´eration toulousaine, soient 256 points et (b) sur l’ensemble des points du second domaine, c’est-`a-dire sur une zone de 125 km par 125 km r´epartie en 3600 points. Il est `a noter que le premier contour englobe, `a chaque pas de temps, 99 % des valeurs et que chaque contour suivant inclut 2 % de points en moins.

On remarque tout d’abord sur la figure 6.11(a) que la moyenne en rouge pr´esente la mˆeme tendance que la diff´erence au point de mesure du centre-ville pr´esent´ee sur les figures 6.9 et 6.10. Ainsi, la tendance g´en´erale est un refroidissement de la temp´erature au sol, mais avec des temp´eratures localement plus chaudes aux alentours de 20 heures les deux journ´ees. On peut ´egalement noter que la variabilit´e spatiale est beaucoup plus importante durant les nuits que durant les journ´ees. On remarque sur la figure 6.11(b) que la tendance g´en´erale est ´egalement au refroidissement, et est plus fortement marqu´ee que sur la zone urbaine. En effet, on voit que

la diff´erence de temp´erature moyenne au sol atteint 0.6 ◦_{C. Contrairement `a la zone urbaine,}

le signal est tr`es peu bruit´e. Ceci nous permet de d´eduire la tendance g´en´erale de fa¸con plus pr´ecise. La figure 6.12 r´esume les ´evolutions compar´ees des temp´erature moyenn´ees au sol sur la ville de Toulouse `a une r´esolution de 500 m`etres, et sur l’ensemble de la r´egion toulousaine `a une r´esolution de 2.5 km.

Cette figure nous montre dans un premier temps que durant les 42 premi`eres heures de la simulation, les tendances sont les mˆemes pour les diff´erences de temp´erature sur les deux zones. On peut cependant observer que la moyenne obtenue sur la zone urbaine est nettement plus bruit´ee que la moyenne sur l’ensemble des points du second domaine. La diff´erence du nombre de points ´echantillonn´es ainsi que la surface de la zone est certainement la cause de ce bruit. La principale diff´erence entre les deux zones a lieu durant les 6 derni`eres heures de simulation. Alors que la diff´erence de temp´erature est nettement n´egative sur la zone couvrant le second domaine, elle est davantage bruit´ee sur la zone urbaine et pr´esente un maximum local nettement

(a)

(b)

Fig. 6.11: Evolution des diff´erences de temp´erature `a 2 m`etres sur la zone urbaine de Toulouse et sur la r´egion toulousaine. Les contours repr´esentent la densit´e de points pour chacune des zones.

135 6.3. Impacts radiatifs des a´erosols sur la dynamique urbaine 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 Temps en heure DTH (K) Toulouse Domaine 2

Fig. 6.12: Evolution temporelle des moyennes de diff´erence de temp´erature sur le domaine urbain et sur la r´egion toulousaine.

positif `a 20 heures et atteignant 0.4 ◦<sub>C. Ce maximum local ´equivaut `a une diff´erence spatiale</sub>

de structures dynamiques, certainement due `a une divergence de la spatialisation des structures dynamiques entre les deux simulations.

Enfin, la figure 6.13 nous pr´esente les diff´erences de temp´eratures `a la surface entre les deux simulations sur le second domaine le 4 juillet `a 12 heures. Sur cette figure sont superpos´ees les valeurs d’´epaisseurs optiques des a´erosols en isolignes noires.

On peut remarquer dans un premier temps que comme attendu, la tendance g´en´erale est au refroidissement de la couche limite par l’interaction des a´erosols avec le rayonnement solaire. La

valeur moyenne de diff´erence de temp´erature sur ce second domaine est de -0.2 ◦_{C. On peut}

´egalement remarquer la pr´esence de maxima positifs atteignant la valeur de +0.05◦_{C, principa-}

lement dus `a une diff´erence spatiale de structures dynamiques. Enfin, les AOD report´ees nous montrent que bien que les valeurs maximales (0.1) se situent dans le panache de Toulouse, `a l’ouest du domaine, ce n’est pas dans cette zone que le refroidissement radiatif dˆu aux a´erosol est maximal. Pour aller plus loin, il n’apparaˆıt pas sur cette figure de signal d’un refroidissement localis´e, mais plus un refroidissement sur l’ensemble de la couche limite. Il apparaˆıt donc que le refroidissement radiatif dˆu aux a´erosols selon la situation m´et´eorologique de la POI intervient sur l’ensemble de la r´egion de simulation, et ne semble pas ˆetre plus favorablement pr´esent dans les zones `a fortes concentrations d’a´erosols. De ce fait, il apparaˆıt difficile d’´etablir un lien entre la localisation des a´erosols et la situation spatiale des impacts radiatifs qui en d´ecoulent.

Fig. 6.13: Diff´erences de temp´erature entre les deux simulations (couleur) et l’´epaisseur optique des a´erosols (isolignes noires) sur le second domaine le 4 juillet `a 12 heures.