Monoxyde de carbone et ozone

Monoxyde de carbone

La repr´esentation du monoxyde de carbone par le mod`ele semble plus d´elicate que pour les autres param`etres observ´es avec une sous-estimation r´ecurrente `a tous les niveaux. Les coefficients de corr´elation entre les mesures MOZAIC et les valeurs simul´ees illustrent les difficult´es du mod`ele `a repr´esenter l’´evolution temporelle du CO pendant l’´et´e. Les coefficients de corr´elation et les biais entre la simulation et les mesures sont pr´esent´es dans le Tableau 3.3 pour les 3 niveaux de pression s´electionn´es.

Fig. 3.2 – Evolution de la vapeur d’eau (en g/kg) `a Francfort du 1er Juin au 31 Aoˆut pour les niveaux de pression (de bas en haut : 800 hPa, 500 hPa et 300 hPa). Les valeurs pour MOZAIC sont repr´esent´ees en noir et en rouge pour GEOS-Chem. La zone gris´ee pr´esente l’erreur de mesure.

La mod´elisation du CO (Fig. 3.3) se d´egrade avec l’altitude et le biais est maximum au milieu de la troposph`ere. La sous-estimation est forte `a tous les niveaux avec respectivement −10 %, −25 % et −17 % par rapport aux donn´ees MOZAIC `a 800 hPa, 500 hPa et 300 hPa. A 800 hPa, l’augmentation du CO pendant la premi`ere semaine de la canicule est bien repr´esent´ee par le mod`ele mais apr`es le 5 Aoˆut ce n’est plus le cas. Les conditions at- mosph´eriques diff´erentes entre ces deux p´eriodes avec un changement de flux apportant de l’air en provenance du sud ramenant les ´emissions par les feux de biomasse Portugais sur l’Europe expliquent vraisemblablement cette diff´erence. Comme on le verra, le cadastre standard d’´emission par les feux n’´etant pas journalier, l’apport suppl´ementaire de CO ne se fait pas au bon moment et n’est pas suffisant pendant la seconde semaine de la canicule. A 500 hPa, le mod`ele sous-estime pour toute la p´eriode d’´etude les rapports de m´elange de CO. A 300 hPa et apr`es le 7 Aoˆut, les niveaux mod´elis´es rejoignent ceux mesur´es par

3.3 Simulation standard pour l’´et´e 2003

Niveau de pression (hPa) 800 500 300

Coefficient de correlation 0,4005 0,1995 0,1274 Biais (GEOS-Chem - MOZAIC) (ppbv) -23,61 -28,81 -17,12

Tab. 3.3 – Coefficient de corr´elation et biais (ppbv) entre les rapports de m´elange du CO provenant de GEOS-Chem et de MOZAIC pour Francfort et selon les 3 niveaux de pression du 1er Juin au 31 Aoˆut.

MOZAIC. Une explication possible est la pr´esence d’une anomalie l´eg`erement n´egative des mesures par rapport `a la climatologie (cf. Fig. 8b de l’Article) pour l’apr`es canicule. Les conditions m´et´eorologiques de cette p´eriode (16-31 Aoˆut) semblent favorables `a une meilleure mod´elisation du CO avec le retour du flux zonal trans-Atlantique. Ce comporte- ment se retrouve sur les profils simul´es pour les trois p´eriodes (Fig. 3.4).

La comparaison des profils mesur´es et observ´es illustre le d´eficit de CO dans le mod`ele `

a tous les niveaux avec des valeurs proches de 20 ppbv. Ces r´esultats sont en accord avec l’´ecart moyen de 25 ppbv entre les mod`eles globaux et les observations trouv´e par Shindell et al., (2006) [62] `a 500 hPa. En plus de l’´ecart g´en´eral des mod`eles globaux, il faut ajouter une saison des feux en Russie particuli`erement virulente ayant pu participer `a cr´eer une valeur de fond en CO encore plus ´elev´ee en affectant tout l’h´emisph`ere Nord (Damoah et al., 2004 [20] ; Generoso et al., 2007 [28]). Dans GEOS-Chem, l’´ecart avec les observations est maximal vers 4 km d’altitude pour les mois de Juin et Aoˆut avec une intensit´e proche de −40 ppbv s’expliquant ici en partie par une sous-estimation des ´emissions en Europe (anthropiques, feux de biomasse) et par une possible accumulation due aux temps de r´esidence plus long que la normale des masses d’air au-dessus du continent pour ces deux mois.

Ozone

Lors de l’´et´e 2003, les ´episodes de pollution se sont succ´ed´es sur toute l’Europe et ont atteint leur paroxisme pendant la canicule. La simulation standard GEOS-Chem rend bien compte des niveaux ´elev´es d’ozone de l’´et´e avec une ´evolution temporelle relativement bien repr´esent´ee au niveau 800 hPa (Fig. 3.5). Mais la qualit´e des r´esultats diminue avec

Fig. 3.3 – Evolution du rapport de m´elange du CO (ppbv) `a Francfort du 1er Juin au 31 Aoˆut pour les niveaux de pression (de bas en haut : 800 hPa, 500 hPa et 300 hPa). Les valeurs pour MOZAIC sont repr´esent´ees en noir et en rouge pour GEOS-Chem. La zone gris´ee pr´esente l’erreur de mesure.

l’altitude avec notamment une sous-estimation maximale des valeurs simul´ees `a 500 hPa comme le montre le Tableau 3.4 qui pr´esente les coefficients de corr´elation ainsi que le biais (en ppbv) pour l’ozone mesur´e vis-`a-vis de l’ozone mod´elis´e `a Francfort durant l’´et´e.

Niveau de pression (hPa) 800 500 300

Coefficient de correlation 0,7548 0,4274 0,1268 Biais (GEOS-Chem - MOZAIC) (ppbv) -3,23 -9,71 -10,21

Tab. 3.4 – Coefficient de corr´elation et biais (‰) entre les rapports de m´elange de l’ozone provenant de GEOS-Chem et de MOZAIC pour Francfort et selon les 3 niveaux de pression.

Les deux p´eriodes de fortes concentrations en ozone durant la canicule (2-5 Aoˆut et 8-14 Aoˆut) sont bien repr´esent´ees `a 800 hPa (Fig. 3.5). Pour ce niveau, les valeurs du coefficient de corr´elation s’approchent de celles de l’´etude de Guerova et al. (2007) [33] (coefficient de corr´elation de 0,63 vis-`_{a-vis des stations EIONET : « European Environment Information}

3.3 Simulation standard pour l’´et´e 2003

Fig. 3.4 – Profil du rapport de m´elange du CO (ppbv) pour les donn´ees MOZAIC (noir) et GEOS-Chem (rouge) pour les mois de Juin, Juillet et Aoˆut (de gauche `a droite). La zone gris´ee pr´esente l’erreur de mesure.

and Observation Network»). Par contre, l’´evolution temporelle montre un certain retard de la mod´elisation `a reproduire les forts gradients de concentration en ozone. A 500 hPa, la mod´elisation des trois mois d’´et´e pr´esente quelques difficult´es. Ces derni`eres sont encore plus importantes `a 300 hPa. L’´evolution temporelle n’est pas concluante pour ces deux niveaux (500 et 300 hPa) et les biais sont particuli`erement ´elev´es comme l’avaient remarqu´e Auvray et Bey (2005) [4] pour l’ann´ee 1997. Pendant la canicule, une augmentation du rapport de m´elange de l’ozone, `a 800 hPa, est mod´elis´e par GEOS-Chem en accord avec les observations. Il est int´eressant de noter que malgr´e la sous-estimation du puits d’ozone par la vapeur d’eau, le mod`ele tend `a sous-estimer les rapports de m´elange de l’ozone dans la couche limite. Cette sous-estimation de l’ozone par le mod`ele est la cons´equence probable de la sous-estimation des niveaux de monoxyde de carbone et des valeurs de temp´erature. A 500 hPa, l’augmentation d’ozone accompagnant la canicule est beaucoup moins bien mod´elis´ee. A noter que le biais y est plus faible pendant la seconde p´eriode avec des valeurs comprises entre −15 et −5 ppbv se r´eduisant avec le temps contre −25 ppbv pendant la premi`ere p´eriode. La stabilit´e des conditions atmosph´eriques durant la seconde p´eriode permet une stagnation des masses d’air et probablement une production « artificielle » de l’ozone dans le mod`ele r´eduisant ainsi l’intensit´e du biais (Guerova et Jones, 2007 [33]).

Les profils mensuels d’ozone pour les mois de Juin, Juillet et Aoˆut illustrent ce manque d’ozone dans la troposph`ere libre (Fig. 3.6)

Fig. 3.5 – Evolution du rapport de m´elange de l’ozone (ppbv) `a Francfort du 1er Juin au 31 Aoˆut pour les niveaux de pression (de bas en haut : 800 hPa, 500 hPa et 300 hPa). Les valeurs pour MOZAIC sont repr´esent´ees en noir et en rouge pour GEOS-Chem. La zone gris´ee pr´esente l’erreur de mesure.

profils en rend compte avec des ´evolutions fortement diff´erentes avec l’altitude. Pour le mois de Juin, les valeurs des rapports de m´elange observ´es et mod´elis´es sont proches en-dessous de 2 km. Les r´esultats `a ces altitudes sont encore meilleurs en Juillet o`u les concentrations issues de GEOS-Chem sont ´egales `a celles observ´ees. Nous devons toutefois noter que le mois de Juillet 2003 ne connut pas d’anomalies aussi fortes que les autres mois de cet ´et´e. Les niveaux atteints pendant ce mois sont plus proches de la climatologie. Au-del`a de 2 km d’altitude, l’´ecart entre mod´elisation et observation augmente et le mod`ele sous-estime de plus de 5 ppbv. Pour le mois d’Aoˆut, l’augmentation de l’ozone simul´ee dans les basses couches n’est pas suffisante par rapport `a celle mesur´ee par les avions. L’anomalie est tr`es forte pendant le d´ebut du mois et malgr´e l’augmentation qui est correctement simul´ee (Fig. 3.5) le biais est plus important que pour les autres mois dans les basses couches. Au-dessus de ces altitudes, la diff´erence reste ´equivalente `a celle rencontr´ee pour les autres mois avec

3.3 Simulation standard pour l’´et´e 2003

Fig. 3.6 – Profil du rapport de m´elange de l’ozone (ppbv) pour les donn´ees MOZAIC (noir) et GEOS-Chem (rouge) pour les mois de Juin, Juillet et Aoˆut (de gauche `a droite). La zone gris´ee pr´esente l’erreur de mesure.

une intensit´e maximale entre 4 et 6 km au mˆeme niveau que pour le CO (cf. Section 3.3.2). Dans la suite, les processus ayant pu conduire `a l’augmentation d’ozone pendant la vague de chaleur seront analys´es.