3.4 Conclusion
4.1.2 Sch´ ema a´ erosols
Avant de pr´esenter la param´etrisation des a´erosols dans MesoNH, la physique gouvernant la distribution de taille des a´erosols est rappel´ee.
Distribution de taille des a´erosols
Une des caract´eristiques principales des populations d’a´erosols est leur distribution de taille. Ce param`etre est primordiale car il permet de reconnaˆıtre les diff´erents types d’a´ero- sols et de d´efinir leur propri´et´es hygroscopiques et optiques. La distribution qui est g´en´era- lement utilis´ee pour repr´esenter le spectre granulom´etrique des a´erosols est la loi lognormale (Equation 4.1). dN d log(dp) = √ N 2π log(σg) exp −(log(dp)− log(dpg)) 2 2(log(σg))2 (4.1) Un mode lognormal est d´efini par trois param`etres : un diam`etre modal (dpg), un ´ecart-
cm−3. On peut ´egalement exprimer la distribution de taille en surface, masse ou volume, d’unit´e respective µm2 cm−3, µg m−3 et µm3 cm−3. Les distribution en nombre, surface et volume sont repr´esent´ees sur la figure 4.1. Chaque type d’a´erosol est en g´en´eral compos´e de plusieurs modes lognormaux. On distingue, par ordre de taille, les modes ultrafins, Aitken, d’accumulation et grossiers.
Figure 4.1 – Distribution de taille en nombre (figure du haut), en surface (figure du milieu) et
en volume (figure du bas) d’une population d’a´erosols (Seinfeld et Pandis, 2016).
Les a´erosols dans MesoNH
Les ´emissions des a´erosols sont effectu´ees par le mod`ele de surface externalis´ee (SUR- FEX) de MesoNH qui envoie ensuite les moments de la distribution de taille au mod`ele atmosph´erique. On suppose que la distribution de taille des a´erosols marins est consitu´ee de trois (Schulz et al., 2004) ou cinq modes (Ovadnevaite et al., 2014) lognormaux et ces modes sont d´ecrits par leur 0, 3eme et 6eme moment. Ces 3 moments peuvent ˆetre ensuite transform´es en variables diagnostiques de distribution de taille ; σ (coefficient de dispersion), r (rayon median) et N (concentration en nombre) (Tulet et al., 2005). Ce sont les trois para- m`etres n´ecessaires pour d´ecrire le spectre granulom´etriques des a´erosols, explicit´e en section 4.1.2. Les puits pour les a´erosols marins sont la s´edimentation et le lessivage par les nuages
convectifs. La s´edimentation d´epend de la taille des a´erosols, les plus grosses particules ayant une vitesse de s´edimentation plus ´elev´ee. Le lessivage suppose que les a´erosols sont solubles dans les gouttelettes d’eau de pluie avec un facteur de solubilit´e ´egal `a 0.3.
Ils est important de mentionner que les a´erosols marins sont inertes dans cette ´etude. En d’autres termes, ils ne r´eagissent ni avec d’autres esp`eces d’a´erosols ni avec des esp`eces ga- zeuses.
Dans le mod`ele, l’´evolution prognostique de la distribution de taille des a´erosols est d´e- termin´ee par une ´equation de dynamique g´en´erale sans solution analytique (Eq. 4.2) (Fried- lander, 1977; Seinfeld et Pandis, 2016) :
δn(rp)
δt = f (n(rp)) (4.2) o`u n est la fonction de distribution de taille des a´erosols (particle cm−3) et rp est le rayon
des a´erosols (µm). Cette ´equation peut ˆetre int´egr´ee pour obtenir le syst`eme d’´equation 4.3 : δMk
δt = f (Mk) (4.3) o`u le kime moment est donn´e par le terme Mk (µmk cm−3) 4.4 :
Mk=
Z inf 0
rkpn(rp)drp (4.4)
On peut exprimer f(Mk) en terme de moments.
Le kieme moment du mode i est d´efini comme : Mk,i=
Z inf
0
rkni(r)dr (4.5)
Apr`es int´egration et avoir effectu´e le changement de variable suivant : x = log( r Dg) log(σ) (4.6) on obtient Mk,i= N Rkgexp( k2 2 log 2(σ)) (4.7)
On retrouve les trois param`etres qui d´ecrivent la distribution de taille lognormale des a´erosols, N, r et σ : N = M0 (4.8) rg = ( M4 3 M6M03 )16 (4.9)
σg = exp( 1 3 s log(M0M6 M2 3 )) (4.10) Les simulations lanc´ees pour cette ´etude sont des simulations `a 1 moment. Cette confi- guration signifie que seul le moment d’ordre 0 varie. Les deux autres moments sont fix´es `a l’initialisation. En d’autres termes, seule la concentration totale varie pendant la simulation, l’´ecart-type ainsi que le rayon modal sont fixes, pour chaque mode. De plus, la coagulation des a´erosols n’a pas ´et´e simul´ee, ni la conversion gaz-particules.
Anciens Sch´emas d’´emissions d’a´erosols marins
La version actuelle de MesoNH contient deux param´etrisations d’´emissions des a´erosols marins, Vignati et al. (2001) et Schulz et al. (2004). Pour ces deux param´etrisations, un seul param`etre, la vitesse du vent `a 10 m, r´egit les ´emissions d’a´erosols marins et trois modes caract´erisent ces ´emissions. Pour Vignati et al. (2001), le diam`etre modal est en nombre, alors qu’il est en masse pour Schulz et al. (2004), comme pr´esent´e dans le tableau 4.1
Schulz et al. (2004) Vignati et al. (2001)
Diam`etre m´edian en masse σ Diam`etre m´edian en nombre σ
(µm) (µm)
Mode 1 0.28 1.9 0.4 1.9
Mode 2 2.25 2.0 4.0 2.0
Mode 3 15.32 2.0 24.0 3.0
Table 4.1 – Diam`etre et ´ecart-type modaux de la distribution de taille lognormale des param´etrisations de Schulz et al. (2004) et Vignati et al. (2001)
Ces trois modes ont la mˆeme d´ependance `a la vitesse du vent, i.e il n’y a pas de d´ependance de la taille des a´erosols pour l’´emission. La param´etrisation de Schulz et al. (2004) est bas´ee sur des « look-up tables », alors que la param´etrisation de Vignati et al. (2001) est d´ecrite par une fonction source (Eq. 4.11) :
dF d log(r80) = 3 X i=1 Ni √ 2π log(σi) exp(1 2( − log(r80 Ri) log(σi) )2) (4.11) o`u Ni est fonction de la vitesse du vent selon les ´equations 4.12, 4.13, 4.13 pour chacun
des trois modes :
N1 = 100.095U +0.283 (4.12)
N3 = 100.069U −3.5 (4.14)
La fonction source de Vignati et al. (2001) a ´et´e d´etermin´ee pour ´etudier les ´emissions d’a´erosols marins en zone de surf et ´etudier l’´evolution des a´erosols marins dans un environ- nement cˆotier. En plus de l’unique d´ependance `a la vitesse de vent, cette sp´ecificit´e a ´et´e d´eterminante dans le choix de ne pas utiliser cette fonction source pour la mod´elisation `a haute r´esolution des a´erosols marins dans le bassin m´editerran´een `a haute r´esolution.
Comme pr´ecis´e pr´ec´edemment, la pr´ecision du sch´ema d’´emission d’a´erosols marins a un effet pr´epond´erant pour l’´evaluation de leurs effets climatiques. L’incertitude sur les ´emissions d’a´erosols marins d´etermine directement l’incertitude sur l’´evaluation du for¸cage radiative de ces a´erosols. C’est pourquoi les sch´emas d’´emission de Schulz et al. (2004) et Vignati et al. (2001) ont ´et´e remplac´e dans le mod`ele MesoNH par le sch´ema d’´emission d’Ovadnevaite et al. (2014). Par ailleurs, les sch´emas de Schulz et al. (2004) et Vignati et al. (2001) n’avait jamais ´et´e test´e dans le mod`ele MesoNH. C’est donc la premi`ere fois, par ce travail de th`ese, que les a´erosols marins font l’objet d’une ´etude sp´ecifique avec le mod`ele MesoNH.