Module d’aérosols ORISAM

5.5. Evaluation du modèle ORISAM-TM5 à l’échelle de l’Afrique...164

5.5.1. Distributions spatiales des aérosols carbonés en 2005 ...165 5.5.2. Distributions spatiales des aérosols carbonés en 2030 ...169 5.5.3. Zoom sur les concentrations de carbone suie et de carbone organique en quelques stations, pour 2005 et 2030 ...174 5.5.4. Estimations des propriétés radiatives des aérosols carbonés dans ORISAM-TM5...188

Chapitre 5 : Simulations avec le modèle ORISAM-TM5

5.1. Introduction

Ce chapitre présente les résultats des simulations que j’ai effectuées pour modéliser le transport et les impacts des aérosols carbonés à l’échelle du continent africain, prenant en compte les spécificités régionales des émissions développées aux chapitres précédents (chapitres 3 et 4). Les résultats des simulations pour l’année 2005 ont été comparés aux mesures disponibles en certains sites.

5.2. Présentation générale du modèle de chimie-transport TM5 5.2.1. Généralités sur le modèle TM5

Le modèle TM5 correspond à la version 5 récente du modèle TM (Transport Model) et reprenant plusieurs concepts et paramétrisations déjà présents dans le modèle TM3 (Krol et al., 2005). Le modèle TM, initialement développé par Heimann et al. (1995), a été largement utilisé dans plusieurs études globales de chimie atmosphérique. Nous citerons par exemple l’impact des hydrocarbures sur la chimie atmosphérique (Houweling et al., 1998) et les émissions de méthane lors de simulations 1978-1993 (Dentener et al., 2003). On peut également citer l’étude de Peters et al. (2002) sur les comparaisons entre l’ozone modélisé et les données satellitales sur des colonnes atmosphériques. Récemment, Guillaume et al. (2007) ont étudié les aérosols, leurs émissions et la formation des aérosols organiques secondaires avec un zoom sur les aérosols carbonés (carbone suie et carbone organique) en Europe. De plus, Liousse et al. (2010) ont montré les impacts des aérosols de combustion issus des feux de biomasse en Afrique de l’Ouest.

5.2.2. Bref descriptif du modèle TM5

Le modèle TM5 est un modèle off-line (CTM) qui utilise les données météorologiques du modèle du Centre Européen (ECMWF pour European Centre for Medium range Weather and Forecast, http://www.ecmwf.int/data/era/html). Le modèle TM5 a une résolution de 6°x4° (longitudexlatitude) sur le globe, avec possibilité de zoom à une résolution de 1°x1° sur une zone particulière d’intérêt. Afin d’assurer la conservation de la masse entre ces deux domaines, une résolution intermédiaire à 3°x2° (longitudexlatitude) a été incorporée pour tenir compte de la dépendance de la résolution de certains paramètres, également pour générer

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des conditions aux frontières du domaine 1°x1° relaxante et éviter ainsi une transition trop brutale entre les domaines 6°x4° et local (1°x1°). Dans ce travail, le zoom à 1°x1° a porté sur l’Afrique. Par ailleurs, le modèle présente une même structure verticale à 25 niveaux, de 1010 hPa à 0.47 hPa avec 5 niveaux dans la couche limite atmosphérique. Les 25 niveaux du modèle TM5 sont compatibles avec les 60 niveaux hybrides de pression du modèle du Centre Européen. En outre, le modèle TM5 utilise les paramètres atmosphériques suivants :

• composantes horizontales du vent

• pression

• température

• humidité

• teneur en eau liquide des nuages

• teneur en glace des nuages

• couverture nuageuse (% de la maille)

• paramètres de convection nuageuse

• précipitations (en mm/jour), avec distinction entre les pluies convectives et stratiformes

• résistance aérodynamique du sol

Les différents processus physico-chimiques pris en compte dans le modèle TM5 représentés sur la figure 5.1 sont décrits dans les paragraphes suivants.

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5.2.3. Transport des polluants dans TM5 5.2.3.1. Advection

L’algorithme est issu du schéma d’advection de Russel and Lerner (1981). Dans cette formulation, on exprime l’évolution du rapport de mélange χ d’une espèce chimique donnée, ainsi que ses 3 dérivées spatiales :

z χ et y χ , x χ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂

Chaque pas de temps est subdivisé en 9 intervalles et un schéma traitant des moments de second ordre (Prather, 1986) est mis en œuvre pour le transport dans la stratosphère.

5.2.3.2. Diffusion et convection

Le transport vertical par convection (profonde et peu profonde) due aux cumulus a été paramétrisé selon les hypothèses Tiedtke (1989). Ce schéma détermine pour tout point de la surface, la présence statistique d’un nuage sur la colonne atmosphérique à la verticale de ce point. Selon qu’il y a ou non nuage, les composantes d’entraînement, de détraînement, ainsi que la subsidence au sommet du nuage sont paramétrisées à partir des paramètres de la convection nuageuse des champs météorologiques importés dans TM5. La paramétrisation de la diffusion verticale de Holstag and Boville (1993) est utilisée dans la couche limite atmosphérique. Par contre, dans la troposphère libre, c’est la formulation de Louis (1979) qui est utilisée. En effet, cette différenciation vient du fait que dans la couche limite atmosphérique, le cisaillement vertical est nettement plus important que dans l’atmosphère libre.

5.2.4. Dépôts chimiques dans TM5 5.2.4.1. Dépôt sec

Le dépôt sec des aérosols carbonés (cf. figure 5.1) suit le schéma de Ganzeveld et al. (1998) dont l’équation au premier ordre a pour formulation :

Chapitre 5 : Simulations avec le modèle ORISAM-TM5 k k d depot k C h V t C = ∂ ∂

où Ck est le rapport de mélange au niveau k, Vd la vitesse de dépôt sec et hk, l’épaisseur de la couche atmosphérique dans laquelle se trouve le niveau k.

Jusqu’à présent, la vitesse de dépôt sec Vd était supposée constante (0,1 cm/s). Récemment, Vd est déterminée avec plus de précision sur la base des 3 résistances suivantes :

• la résistance aérodynamique R_a, fonction de la turbulence dans la couche limite. Ce paramètre est calculé à partir de la stabilité de la couche limite du modèle, de la vitesse du vent et de la rugosité de surface.

• la résistance quasi-laminaire Rb contrôlée par la diffusion moléculaire

• la résistance de surface Rc qui combine les processus de captation par les différents types de surface.

Ainsi, pour une surface hétérogène, R_b et R_c sont calculées séparément pour les fractions d’eau liquide, de neige et de végétation dans chaque maille du modèle.

5.2.4.2. Dépôt humide

Le dépôt humide (cf. figure 5.1) tient compte de deux types de pluies, les pluies d’origines convective et stratiforme. Il est judicieux d’introduire cette distinction car les vitesses ascensionnelles sont sensiblement plus élevées dans les nuages cumuliformes qu’au sein des nuages stratiformes, augmentant la proportion de dépôt humide par les nuages cumuliformes (Xing and Chameides, 1990). Au vu de l’importance des variations verticales du contenu en eau pour le traitement du dépôt humide (Xing and Chameides, 1990), ces variations verticales sont calculées via la formulation de Tiedke (1989), les champs du modèle du Centre Européen donnant accès aux quantités d’eau précipitées au sol (en mm/jour).

Dans les nuages stratiformes, le lessivage des aérosols suit le même schéma que celui des gaz, sauf que les aérosols sont solubles à 100% (aérosols hydrophiles) (Roelofs and Lelieveld, 1995) avec une diffusion moléculaire de valeur moyenne 10^-6 cm²/s (Seinfeld and Pandis, 1998). Sous le nuage, on suppose une distribution granulométrique log-normale des aérosols

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les différences entre vitesses ascensionnelles au sein d’un nuage, l’efficacité du lessivage est considérée différemment selon que l’on est au sommet ou à la base du nuage. Ainsi, dans la partie basse du nuage (Pression > 700 hPa), on schéma considère que le lessivage est de 50% (i.e. 50% de la masse des espèces chimiques est entraînée vers le sommet du nuage). Par contre, dans la partie haute du nuage (Pression < 700 hPa), la convection profonde lessive 100% de la masse entraînée vers le sommet. Il faut préciser que c’est la composante hydrophile de l’aérosol qui est capté lors de ce processus dont le descriptif se trouve au paragraphe suivant.

5.2.5. Hygroscopicité et vieillissement des aérosols

L’hygroscopicité est la capacité d’un aérosol à capter l’eau par condensation. Les aérosols sont plus ou moins hygroscopiques et cette hygroscopicité complexe, dépend de plusieurs facteurs. Elle dépend en particulier de la taille, de la composition chimique des aérosols et du caractère hydrophile/hydrophobe de chaque type d’aérosol. Il s’agit d’une propriété très importante dans les interactions aérosols-nuages car, plus une particule est hygroscopique et plus elle agira avec efficacité en tant que noyau de condensation nuageuse. Dans le modèle TM5, nous avons adopté la même répartition hydrophobe/hydrophile pour l’aérosol carboné que dans Cooke et al. (1999). Dans l’initialisation du modèle TM5, nous supposons 80% de particules hydrophobes contre 20% d’hydrophiles pour le carbone suie. Pour le carbone organique, des proportions de 50% d’hydrophobes et 50% d’hydrophiles sont considérées. Ces ratios évoluent dans le temps selon l’hypothèse suivante : on considère un taux de conversion constant des aérosols carbonés primaires, dont la masse de chaque espèce primaire (carbone suie ou carbone organique primaire) dans chaque bin (classe de diamètre) vérifie l’équation :        ∂ ∂ − = ∂ ∂ − = ∂ ∂ t A t A A T 1 t A hb k i, hl k i, hb k i, c hb k i,

où A_i,^hl_k représente la fraction hydrophile de l’aérosol carboné dans le bin k et A^hb_i,k, la fraction hydrophobe de l’aérosol carboné dans ce bin k. Tc est le temps caractéristique de conversion hydrophobe/hydrophile des aérosols carbonés primaires, soit 1 jour dans nos simulations selon l’hypothèse de Cooke et al., 1999. C’est un paramètre sensible du modèle, car la

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fraction hydrophile est la fraction qui sera lessivée (cf. paragraphe précédent). Ainsi, plus le temps de conversion (T_c) est élevé et plus la particule demeurera hydrophobe et donc, plus son temps de résidence dans l’atmosphère sera long.

5.3. Module d’aérosols ORISAM

Le module d’aérosols ORISAM (ORganic and Inorganic Spectral Aerosol Module) est présenté de manière détaillée dans Guillaume et al. (2007), Cousin et al. (2005), Liousse et al. (2005) et Bessagnet et al. (2004). Deux versions de ce module ORISAM ont été couplées au modèle TM. La première version tient compte de l’évolution physico-chimique des aérosols répartie par classes de diamètres (bins) et modélise explicitement la formation des aérosols organiques secondaires. La deuxième version plus simplifiée, est celle que nous avons utilisée. L’évolution physico-chimique, ainsi que la formation des aérosols ne sont pas incorporées ici pour mon propos : il s’agit du mode traceur. Notons que quatre traceurs (BC hydrophile, BC hydrophobe, OC hydrophile et OC hydrophobe) ont été considérés dans nos simulations et six classes de diamètres (sections ou bins) sont prises en compte suivant le schéma sectionnel de Warren and Seinfeld (1985). Les différentes classes de tailles considérées sont : [0,04-0,126 µm], [0,126-0,4 µm], [0,4-1,265 µm], [1,265-4 µm], [4-12,649

µm] et [12,649-40 µm]. Les distributions en tailles du carbone suie et du carbone organique prises en compte en tant que données d’entrée du modèle sont basées sur les mesures récentes obtenues lors de la campagne Escompte (2001) pour un aérosol urbain (Cachier et al., 2004). Ainsi, deux modes log-normaux sont considérés : un dans le mode fin de diamètre moyen 0,23 µm et un autre (2,5 µm) dans le mode grossier. 100% du carbone suie et 90% du carbone organique sont injectés dans le mode fin. Les 10% restants du carbone organique sont dans le mode grossier. Pour information, le choix du mode traceur constitue un gain sensible de temps de calcul. Ainsi, les simulations pour une année entière durent en moyenne 3 jours seulement avec un système à 4 processeurs.