Benoit Laurent Laboratoire Interuniversitaire des Systmes Atmosphriques Simulations
Benoit Laurent Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques Simulations des émissions d’aérosols désertiques à l’échelle continentale: Analyse climatologique des émissions du nord-est de l’Asie et du nord de l’Afrique Sous la direction de Béatrice Marticorena et Gilles Bergametti 14 décembre 2005, Université Paris 12, Créteil
Le cycle des aérosols désertiques Transport Dépôt humide Dépôt sec Émissions depuis les zones désertiques
Le cycle des aérosols désertiques Différents impacts Participation à la chimie multiphasique atmosphérique Impact sur le bilan radiatif terrestre Apport de nutriments (Fe, P …) dans les zones de retombées Conséquences socio-économiques Appauvrissement des sols (horizons fertiles) en zone source Géomorphologie éolienne (ergs, loess …) Sédimentation océanique profonde
Les émissions d’aérosols désertiques Quantification des émissions annuelles Références Judson [1968] Peterson et Junge [1971] Emissions annuelles (Mt. an-1) 60 -360 500 Hidy et Brock [1971] 60 -360 SMIC [1971] 100 -500 Joseph et al. [1973] 130 -200 d’Almeida [1986] Schütz [1987] Jaenicke et Matthias-Masser [1992] Tegen et Fung [1994] Duce [1995] Tegen et Fung [1995] Mahowald et al. [1999] 1800 -2000 1500 -2000 3000 1000 -2000 1222 3000 Penner et al. [2001] 2150 Chin et al. [2002] 1650 Werner et al. [2002] Tegen et al. [2002] 1060 ± 194 1100 Mahowald et Luo [2003] 1654 Tegen et al. [2004] 1921 D’après Duce [1995] et Zender et al. [2004]
Variabilité des concentrations d’aérosols désertiques Concentrations typiques d’aérosols désertiques au dessus des océans (µg. m -3) D’après Chester [1986] ® Variabilité spatiale due à la distance aux zones sources (6 ordres de grandeurs) ® Variabilité temporelle due à la fréquence et à l’intensité des émissions (3 ordres de grandeurs)
Variabilité spatiale des émissions d’aérosols désertiques Index d’aérosol atmosphérique saisonnier dérivé de Météosat (IDDI) (1994 -2002) Com. pers. J. F. Léon (LOA) Au sein des grandes régions désertiques sources localisées et variables
Variabilité temporelle des émissions d’aérosols désertiques Épaisseurs optiques (AOT) à 670 nm au Cap Vert Données du réseau AERONET mesures individuelles moyenne glissante sur 30 jours Forte variabilité temporelle sur ≠ échelles de temps
L’érosion éolienne, un phénomène à seuil Émissions spatialement hétérogènes et sporadiques Seuil d’érosion → caractéristiques de surface = variables dans l’espace → paramètres météo = variables dans le temps et l’espace Vastes étendues désertiques et spécificités des sources Étude de domaines continentaux avec une résolution adaptée pour étudier la variabilité spatiale des émissions Plusieurs échelles de temps mise en jeu Étude des émissions journalières sur une période représentative sur un plan climatologique
Simulations des émissions d’aérosol désertique Principaux objectifs Quantifier les émissions d’aérosols désertiques Déterminer des zones les plus émettrices en fréquence et en intensité Documenter la variabilité des émissions journalières, saisonnières, interannuelles Pour le nord-est de l’Asie et le nord de l’Afrique
Simulations des émissions d’aérosol désertique Méthode générale développée Modélisation à l’échelle continentale - Utilisation du modèle d’émission explicite MB 95 - Établissement de données d’entrée à une résolution adaptée Simulation des fréquences et des flux d’émission d’aérosols désertiques sur plusieurs années avec un pas de temps inférieur à la journée pour le NE de l’Asie et pour le N de l’Afrique Cohérence des données et des résultats à partir des données disponibles
Modèle d’émission d’aérosols désertiques MB 95 Modèle d’émission MB 95 développé au LISA [Marticorena et Bergametti, 1995] Description physique des processus de mise en mouvement et d’émission Variables intégratives pour une application à grande échelle
Principe général du seuil d’érosion Représentation de l’effet du sol sur l’écoulement de l’air contrainte tangentielle t exercée par l’écoulement sur le sol Profil de vitesse du vent: U(z) composante horizontale de la vitesse du vent, en fonction de l’altitude z Dans des conditions de neutralité thermique: U* > U*t Seuil d’érosion
Vitesse de friction seuil pour une surface lisse et un sol sec Parametrisation de U*t Énergie minimale requise Énergie éolienne transmise
Vitesse de friction seuil pour une surface lisse et un sol sec Parametrisation de U*t Énergie minimale requise poids forces de cohésion interparticulaires Forces de maintien = f(Dp) U*t = f (Dp, a, p) U*t augmente quand Dp diminue [Iversen et White, 1982] U*t augmente avec Dp
Vitesse de friction seuil pour une surface lisse et un sol humide Parametrisation de U*t Énergie minimale requise Film d’absorption Eau entre les interstices Fc poids forces de cohésion interparticulaires forces capillaires Humidité résiduelle des sols W > W’ (w’) = f (% argile) [Fécan et al. , 1999]
Vitesse de friction seuil pour une surface lisse et un sol humide Parametrisation de U*t Énergie minimale requise poids forces de cohésion interparticulaires forces capillaires U*tw/U*td = f (w, %argile) [Fécan et al. , 1999]
Vitesse de friction seuil pour une surface rugueuse Parametrisation de U*t Énergie minimale requise s Énergie éolienne transmise tot = r+ s r poids forces de cohésion interparticulaires r s Éléments de rugosité (cailloux, végétation pérenne …) forces capillaires Fraction efficace feff = f(Z 0, Z 0 s)
Vitesse de friction seuil pour une surface rugueuse Parametrisation de U*t = f (Dp, Z 0) [Marticorena et al. , 1997] Énergie éolienne transmise tot = r+ s r r s Éléments de rugosité (cailloux, végétation pérenne …) Fraction efficace feff = f(Z 0, Z 0 s)
Principe du modèle d’émission d’aérosols désertiques DONNEES METEOROLOGIQUES Precip. , alb. , T°, geopot. CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACE Vents de surface (U 10 m) Hauteur de rugosité (Z 0 Z 0 s) Répartition de l’énergie éolienne entre les obstacles et la surface érodable Humidité des sols (w, w’) Énergie minimale nécessaire pour initier le mouvement SEUIL D’EROSION Vitesse de friction seuil Taille des grains du sol (Dp) Texture (%argile, %sable, %silt)
Processus mis en jeu dans la production des aérosols désertiques Flux horizontal de saltation des grains du sol (G) U* > U*t Vent de surface Saltation Flux horizontal G [Marticorena and Bergametti, 1995] [White, 1979]
Processus mis en jeu dans la production des aérosols désertiques Distribution en taille des particules dans les sols Sol argileux Sol sableux ○ Prôche état naturel Dispersé D’après Shao, [2000] Pas de particules de taille micronique libres dans les sols Nécessité d’une action mécanique
Processus mis en jeu dans la production des aérosols désertiques Flux vertical d’émission d’aérosols désertiques (F) F=a. G et a = f(% argile) [Marticorena and Bergametti, 1995] U* > U*t Vent de surface Flux vertical F Saltation Sandblasting Flux horizontal G [Marticorena and Bergametti, 1995]
Principe du modèle d’émission d’aérosols désertiques DONNEES METEOROLOGIQUES Couverture neigeuse Precip. , alb. , T°, geopot. CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACE Vents de surface (U 10 m) Hauteur de rugosité (Z 0, Z 0 s) Taille des grains du sol (Dp) Texture (%argile, %sable, %silt) %surface érodable (E) Répartition de l’énergie éolienne entre les obstacles et la surface érodable Humidité des sols (w, w’) Énergie minimale nécessaire pour initier le mouvement SEUIL D’EROSION Vitesse de friction seuil SALTATION Flux horizontal, G %argile Capacité du sol à libérer des particules transportables Rapport du flux vertical au flux horizontal, AJOUTER FLECHES SANDBLASTING Flux vertical d’aérosols désertiques, F
Principe du modèle d’émission d’aérosols désertiques DONNEES METEOROLOGIQUES Couverture neigeuse Precip. , alb. , T°, geopot. CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACE Vents de surface (U 10 m) Hauteur de rugosité (Z 0, Z 0 s) Taille des grains du sol (Dp) Texture (%argile, %sable, %silt) %surface érodable (E) Répartition de l’énergie éolienne entre les obstacles et la surface érodable Humidité des sols (w, w’) Énergie minimale nécessaire pour initier le mouvement SEUIL D’EROSION Vitesse de friction seuil %argile Fréquence des soulèvements Capacité du à libérer (localisation spatiale et sol temporelle) des particules transportables SALTATION Flux horizontal, G des émissions Rapport du flux vertical. Intensité au (quantités) flux horizontal, SANDBLASTING Flux vertical d’aérosols désertiques, F
Données d’entrée du modèle d’émission DONNEES METEOROLOGIQUES Couverture neigeuse Precip. , alb. , T°, geopot. Vents de surface (U 10 m) CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACE Hauteur de rugosité (Z 0, Z 0 s) Taille des grains du sol (Dp) Texture (%argile, %sable, %silt) %surface érodable (E)
Estimation de Z 0 à partir du coefficient de protrusion POLDER-1 Détermination de Z 0 • Mesures de profil vertical de vitesse de vent LIMITATION - Mesures ponctuelles • Estimation (étude géomorphologique) [Callot et al. , 2000] LIMITATIONS - Qualité et quantité de documentation/données disponibles à haute résolution - Observations directes = calage quantitatif Méthodes non adaptées pour une étude à grande échelle
Estimation de Z 0 à partir du coefficient de protrusion POLDER-1 Détermination de Z 0 • Télédétection POLDER-1 (POLarization and Directionality of the Earth’s Reflectance) Réflectance bidirectionnelle: ( s, v, ) s: angle zénithal de la source v: angle zénithal de visée : angle azimutal relatif - Nombreuses mesures: (période de revisite quasi-quotidienne, jusqu’à 14 visées à chaque passage du satellite) - Couverture globale, résolution (~6 km x 7 km, ~1/16°) - Deux longueurs d’onde (670 nm et 865 nm) - Huit mois de fonctionnement (30 Octobre 96 au 30 Juin 97) Chaîne de traitement POLDER-1 Mesures de ( s, v, ) + Modèle de BRDF de Roujean Ajustement sur trente jours Produits standards: k 0, k 1, et k 2 liés aux caractéristiques de surface 200 observations Coefficient de protrusion PC = k 1/k 0, caractérise la rugosité de surface Surfaces stables dans le temps donc composition possible
Estimation de Z 0 à partir du coefficient de protrusion POLDER-1 Produits de surface POLDER-1 Relation empirique [Marticorena et al. , 2004] Z 0 = a. exp (PC / b) a = 4. 859. 10 -3 cm b = 0. 052
Estimation de Z 0 à partir du coefficient de protrusion POLDER-1 Cartes des Z 0 → Cartes composites des PC → Résolution optimale ¼° Nord-est de l’Asie Nord de l’Afrique Mêmes données, même composition pour les deux régions
Z 0 et vitesse seuil d’érosion à 10 m U* t = f (Dp, Z 0) carte Z 0 (¼° × ¼°) et le profil vertical de vitesse de vent à la neutralité carte de vitesse seuil d’érosion à 10 m (¼° × ¼°) m. s-1 Ut(10 m) [Laurent et al. , J. G. R. , 2005]
Z 0 et vitesse seuil d’érosion à 10 m Dans le désert du Taklimakan: ● Nos résultats: médiane ~7 m. s-1 ● Vitesses de vent associées à des tempêtes de sable: 6 -8 m. s-1 [Wang et al. , Water, Air, and Soil Poll. , 2003] Dans le désert de Gobi: ● Nos résultats: médiane ~15 m. s-1 ● Vitesses de vent associées à des tempêtes de sable: 11 -20 m. s-1 [Natsagdorj et al. , Atmos. Env. , 2003] ● Études en souffleries: 10 -12 m. s-1 [Murayama, Met. Satell. Cent. Tech. Note, 1988; Hu and Qu, Chin. Meteo. Press, 1997] m. s-1 Ut(10 m) [Laurent et al. , J. G. R. , 2005]
Données d’entrée du modèle d’émission DONNEES METEOROLOGIQUES Couverture neigeuse Precip. , alb. , T°, geopot. Vents de surface (U 10 m) CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACE Hauteur de rugosité (Z 0, Z 0 s) Taille des grains du sol (Dp) Texture (%argile, %sable, %silt) %surface érodable (E)
Granulométries sèches et textures des sols dérivées de mesures Détermination des données de sols Mesures de granulométrie sèche échantillonnage in situ tamisage à sec Fonctions lognormales Distribution granulométrique (Dpi, i, %i) Mesures de texture échantillonnage in situ dispersion par voie humide %argile, %silt, %sable Même protocole dans les deux régions, mais spatialisation de l’information ≠
Echantillonage des granulométries sèches et textures des sols Nord-est de l’Asie [Mei et al. , 2004] Loess Sandy Loess [Yang et al. , 2001] Echantillonnage in situ des zones désertiques Dispersion faible pour les mesures de chaque désert
Spatialisation des granulométries sèches et textures des sols Nord-est de l’Asie Population 1 Population 2 %argile %silt %sable 58 XXX XXX XXX - - - XXX XXX 97 442 1. 42 3 XXX XXX 1. 30 52 316 1. 59 48 XXX XXX 120 1. 48 72 322 1. 29 28 XXX XXX Mu Us (a) 99 1. 17 35 330 1. 37 65 XXX XXX Horqin (a) 315 1. 29 100 - - - XXX XXX East of Xinjiang area (a) 90 1. 24 29 293 1. 66 71 XXX XXX Hexi Corridor (a) 97 1. 26 40 386 1. 59 60 XXX XXX Gurban Tunggut (a) 94 1. 12 36 170 1. 69 64 XXX XXX MMD 1 (µm) 1 P 1 (%) MMD 2 (µm) 2 P 2 (%) Gobi (a) 86 1. 38 42 457 1. 74 Loess area (b) 65 1. 28 100 - Sandy Loess area (b) 74 1. 17 100 Taklimakan and Kumtaq (a) 84 1. 34 Ulan Buh and Badain Jaran (a) 97 Tengger and Kubqi (a) [Laurent et al. , GPC, sous presse]
Spatialisation des granulométries sèches et textures des sols Nord de l’Afrique Granulométries sèches de surface cartographiées 1° x 1° [Marticorena et al. , 1997; Callot et al. , 2001] Carte IGN Information spatialisée Information de base 1°x 1° 50% reg 50% erg 1°x 1° Carte POLDER-1 1/16° Granulométries sèches et %argile des sols au 1/4° x 1/4°
Spatialisation des granulométries sèches et textures des sols Nord de l’Afrique Relation entre %argile et %sable (n= 18) Détermination de la texture complète des sols du N de l’Afrique à partir du %argile
Données d’entrée du modèle d’émission DONNEES METEOROLOGIQUES Couverture neigeuse Precip. , alb. , T°, geopot. Vents de surface (U 10 m) Données de surface de l’ECMWF - Base de données opérationnelles (OAA) - Base de données réanalysées (ERA 40) CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACE Hauteur de rugosité (Z 0, Z 0 s) Taille des grains du sol (Dp) Texture (%argile, %sable, %silt) %surface érodable (E)
Données météorologiques ECMWF Vent de surface % Fréquence vitesse de vent (OAA) > 6. 5 m. s -1 (1997) % Fréquence vitesse de vent (ERA 40) > 6. 5 m. s -1 (1997) Base de données ERA-40 Couverture neigeuse Humidité des sols Calcul de l’humidité Precip. , alb. , T°, geopot. Texture des sols (surface et profil)
Principe du modèle d’émission d’aérosols désertiques DONNEES METEOROLOGIQUES Couverture neigeuse Precip. , alb. , T°, geopot. CARACTERISTIQUES DES ETATS DE SURFACE Vents de surface (U 10 m) Hauteur de rugosité (Z 0, Z 0 s) Taille des grains du sol (Dp) Texture (%argile, %sable, %silt) %surface érodable (E) Répartition de l’énergie éolienne entre les obstacles et la surface érodable Humidité des sols (w, w’) Énergie minimale nécessaire pour initier le mouvement SEUIL D’EROSION Vitesse de friction seuil SALTATION Flux horizontal, G Rapport du flux vertical au flux horizontal, SANDBLASTING Flux vertical d’aérosols désertiques, F %argile Capacité du sol à libérer des particules transportables
Résultats Simulation des émissions du nord-est de l’Asie
Localisation des zones d’émission fréquente du NE de l’Asie ERA-40 ECMWF 1996 -2001 Tempêtes de poussières 1961 -2000 [Sun L. et al. , 2003] Tempêtes de poussières 1960 -1999 [Sun J. et al. , 2001]
Simulation des fréquences d’émission du NE de l’Asie Comparaison avec les fréquences de l’Index d’Aérosol Absorbant (AAI) TOMS (1997 -1999) Longitude Latitude Fréquences simulées d’émission significative de poussière (flux > 10 -10 g. cm-2. s-1) Dans le désert du Taklimakan: Monthly average dust event frequency Latitude OAA ECMWF r ~ 0. 95 slope ~ 0. 44 Monthly average frequency of TOMS AAI > 0. 7 Longitude Fréquences de AAI TOMS > 0. 7 [Laurent et al. , JGR, 2005]
Simulations des émissions journalières pour le printemps 2001 Comparaison avec les mesures de réduction de visibilité des stations météorologiques Dans le désert du Taklimakan Dans les déserts du nord de la Chine et de Gobi [Laurent et al. , GPC, sous presse]
Simulation du cycle saisonnier des émissions du NE de l’Asie Moyenne sur la période 1996 -2001 Occurrence Intensité [Laurent et al. , GPC, sous presse]
Émissions annuelles du NE de l’Asie Émissions annuelles moyennes (1996 -2001) t 240 Mt/an pour l’ensemble de la zone étudiée [Laurent et al. , GPC, sous presse]
Variabilité interannuelle des émissions du NE de l’Asie Période 1996 -2001 Occurrence Intensité [Laurent et al. , GPC, sous presse]
Simulation des émissions du NE de l’Asie Influence de l’humidité des sols et de la couverture neigeuse sur les quantités d’aérosol émises (1996 -2001) [Laurent et al. , GPC, sous presse]
Synthèse des principaux résultats obtenus pour le NE de l’Asie ● Principales zones d’émission d’aérosol désertique - le désert du Taklimakan: source régulière - les déserts du nord de la Chine: source assez régulière et intense - le désert de Gobi: source sporadique mais hyper intense ● Cycle saisonnier des émissions - en fréquence: prononcé avec un maximum au printemps et régulier - en intensité: marqué avec un maximum au printemps mais extrêmement variable ● Influence de l’humidité des sols et de la couverture neigeuse - faible sur le cycle saisonnier et sur la variabilité interannuelle - importante en hiver ● Estimation des émissions - ~240 Mt/an - forte variabilité annuelle entre 100 et 460 Mt/an
Résultats Simulation des émissions du nord de l’Afrique
Simulation des émissions du N de l’Afrique Comparaison avec les fréquences de l’IDDI Météosat (1996 -2001) Fréquences simulées d’émission significative de poussière (flux > 10 -10 g. cm-2. s-1) Fréquences des IDDI > 25 comptes pour des vitesses de vent > 4 m. s-1
Simulation des émissions du N de l’Afrique Comparaison avec les fréquences de l’AAI TOMS (1997 -1999) Fréquences simulées d’émission significative de poussière (flux > 10 -10 g. cm-2. s-1) Fréquences de AAI TOMS > 0. 7
Simulation des émissions du N de l’Afrique Cycle saisonnier des émissions mensuelles simulées en Mt pour le Sahara - estimations de d’Almeida [1986] (moyenne pour 1981 et 1982, en noir) - simulations de ce travail (moyenne pour 1996 -2001, en gris).
Simulation des émissions du N de l’Afrique Sahara occidental Épaisseurs optiques Cap Vert 14°E Sahara oriental Épaisseurs optiques Méditerranée orientale D’après Moulin et al. [1998]
Simulation des émissions du N de l’Afrique Émissions annuelles moyennes (1996 -2001) 670 Mt/an pour l’ensemble de la zone étudiée t
Simulation des émissions du N de l’Afrique Sahara occidental Période 1996 -2001 Intensité Occurrence Sahara oriental Intensité Occurrence
Synthèse des principaux résultats obtenus pour le N de l’Afrique ● Principales zones d’émission d’aérosol désertique - Mauritanie/Mali, la côte Mauritanie/Sahara Occidental, la sebkha Mekherrane … comparaison AAI TOMS et les IDDI Météosat - surestimation sur la côte et sous estimation Bodélé ● Cycle saisonnier des émissions - Sahara occidental: maximum en été, cycle marqué et régulier en fréquence et en intensité - Sahara oriental: maximum au printemps, régulier en fréquence mais d’intensité variable - pas d’influence de l’humidité des sols sur le cycle saisonnier ● Estimation des émissions - ~670 Mt/an - variabilité interannuelle entre 585 et 760 Mt/an, notamment pour la partie orientale
Comparaison des émissions du NE de l’Asie et du N de l’Afrique Quantification des émissions de 1996 à 2001 Emissions Nord-est de l’Asie Nord de l’Afrique Total (en Mt) en Mt en % 1996 204 22, 6 699 77, 4 903 1997 100 13, 8 627 86, 2 727 1998 332 30, 4 759 69, 6 1091 1999 151 20, 5 585 79, 5 736 2000 205 24, 2 643 75, 8 848 2001 459 39, 6 700 60, 4 1159 Moyenne 242 25, 2 669 74, 8 911 131 8, 9 62 8, 9 180
Conclusions Fréquence ≠ Intensité complémentarité d’une étude des fréquences d’événements et d’une étude de l’intensité des émissions Caractérisation de la variabilité des émissions description sur plusieurs années des émissions journalières
Conclusions PRODUITS ● Rugosité de surface ● Seuil d’érosion ● Granulométrie sèche des sols RESULTATS ● Simulations journalières au ¼° x ¼° ● Quantification des émissions ● Description du cycle saisonnier ● Interannualité MODELE D’EMISSION D’AEROSOLS DESERTIQUES
Perspectives Base de données des états de surfaces à compléter car nouveaux produits disponibles (POLDER 2, ERS …) et nécessité nouvelles données mesurées pour contraindre le systèmes Champs de vent: point critique comparaison des champs de vent ECMWF avec les mesures des stations météorologiques devrait permettre, si ce n’est de s’affranchir de ce biais, d’au moins en évaluer les conséquences Approche de simulation à plus fine échelle spatiale et temporelle à partir de modèles météorologiques régionaux mieux résolus Nouveaux produits de comparaison Application a d’autres régions
Benoit Laurent Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques Simulations des émissions d’aérosols désertiques à l’échelle continentale: Analyse climatologique des émissions du nord-est de l’Asie et du nord de l’Afrique Sous la direction de Béatrice Marticorena et Gilles Bergametti 14 décembre 2005, Université Paris 12, Créteil
Vitesse de friction seuil tot = r+ s Énergie minimale requise s Énergie éolienne transmise tot r poids, forces de cohésion interparticulaires, forces capillaires Forces de maintien = f(Dp, Humidité des sols) r s Éléments de rugosité (cailloux, végétation pérenne …) Fraction efficace feff = f(Z 0, Z 0 s) Parametrisation explicite de U*t
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