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Assimilation de données satellites au limbe et au nadir dans un modèle de chimie-transport

Barré, Jérôme (2012) Assimilation de données satellites au limbe et au nadir dans un modèle de chimie-transport. (Data assimilation studies in a chemistry transport model using limb and nadir satellite geometries.)

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Résumé

L'assimilation de données permet de combiner d'une manière optimale un modèle numérique décrivant l'évolution de la composition chimique de l'atmosphère et les mesures disponibles. Dans cette thèse, l'assimilation de données est utilisée afin de caractériser les distributions troposphériques et stratosphériques de l'ozone (O3) et du monoxyde de carbone (CO). Le Modèle de Chimie Transport (CTM) MOCAGE (MOdèle de Chimie Atmosphérique à Grande échelle) est utilisé dans une configuration à deux domaines imbriqués avec les résolutions de 2◦ (global) et de 0.2◦ (régional). La technique variationnelle du 3D-FGAT est utilisée pour toutes les études que constituent cette thèse. Nous avons évalué la complémentarité des mesures satellites au limbe et au nadir aujourd'hui disponibles pour la caractérisation de l'UTLS (Haute Troposphère Basse Stratosphère) en assimilant ces deux types de mesures simultanément. Nous nous sommes en particulier intéressé à la propagation de l'information provenant des mesures assimilés dans le modèle et plus particulièrement, aux impacts de l'assimilation de mesures stratosphérique d'ozone en troposphère aux moyennes latitudes. Les principaux objectifs de cette thèse ont été de montrer la valeur ajoutée de l'augmentation de la résolution modèle pour l'assimilation de données et les effets synergiques de l'assimilation combinée d'un sondeur au limbe et au nadir. Des développements au niveau du système d'assimilation en domaine imbriqué à 0.2◦ ont été effectués. L'assimilation des données dans le domaine global est maintenant prise en compte et les conditions aux bords provenant des champs assimilés montre un impact significatif sur le domaine imbriqué. Dans un premier temps, nous avons assimilé les profils d'ozone stratosphériques mesurés au limbe provenant de MLS (Microwave Limb Sounder) afin d'étudier deux cas d'échange entre la Stratosphère et la Troposphère (STE). L'étude compare les résultats obtenus deux résolution horizontales 2◦ et 0.2◦. L'assimilation de MLS montre une meilleure description des champs d'ozone à l'UTLS que celle obtenue avec le modèle seul en particulier à haute résolution où les filaments et les structures stratifiées dans les profils verticaux sont fidèlement représentés. Les résultats des rétro-trajectoires et des prévisions d'ozone démontrent que l'assimilation des profils stratosphériques MLS à haute résolution ont un impact sur les champs d'ozone troposphérique. L'étude montre aussi l'intérêt de disposer de tels instruments pour les applications troposphériques comme la prévision de la qualité de l'air et les études du bilan de l'ozone troposphérique. L'étude est complétée par l'estimation du flux d'ozone à la tropopause et sa sensibilité par rapport à la résolution et à l'assimilation de données. Les profils d'ozone de MLS et les colonnes troposphériques de IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) ont ensuite été assimilés à haute résolution horizontale (0.2◦). Cette étude compare les assimilations séparés et combinées des colonnes troposphériques IASI et profils stratosphériques MLS, afin de mettre en évidence les effets synergiques de l'assimilation combinée. Les comparaisons avec des données indépendantes montrent que l'assimilation combinée de MLS et IASI donne les champs d'ozone particulièrement réalistes au niveau de la stratosphère l'UTLS et la troposphère. L'assimilation combinée montre aussi d'excellents résultats en comparaison avec les mesures indépendantes de colonnes totales par OMI (Ozone Monitoring Instrument). Enfin la dernière partie de ce travail à été consacrée à l'étude du comportement de la couche de mélange à l'UTLS en termes d'épaisseur et d'altitude. L'étude se situe à l'échelle locale et globale en assimilant les mesures d'O3 de MLS les mesures de CO de MOPITT (Measurements Of Pollution In The Troposphere). Des diagnostiques utilisant les corrélations entre O3 et CO ont permis de quantifier l'effet de l'assimilation sur l'altitude et l'épaisseur de la couche de mélange. Nous nous sommes d'abord intéressé à un cas d'étude STE ; l'assimilation de MOPITT permet d'affiner la couche de mélange alors que l'assimilation de MLS étale la couche de mélange vers la troposphère. Quand les champs issu de l'assimilation de MOPITT et de MLS sont utilisés en même temps dans les diagnostiques, la couche de mélange montre un comportement beaucoup plus réaliste et se trouve localisée au niveau de la tropopause thermique. A l'échelle globale, les mêmes effets sont observés. Quand les champs issu de l'assimilation de MOPITT et de MLS sont utilisés en même temps dans les diagnostiques, la couche de mélange correspond à la tropopause thermique au delà de 50 ◦ . Cette étude montre que l'assimilation de données permet de fournir des analyses chimiques de bonne qualité malgré la résolution verticale relativement faible du modèle (et des modèles chimiques de l'état de l'art en général). ABSTRACT : Data assimilation combines in an optimal way a numerical model describing the evolution of the atmospheric chemical composition and the available trace gases measurements. In this thesis, data assimilation is used to characterize the ozone (O3) and the carbon monoxide (CO) distributions in the stratosphere and in the troposphere. The Chemistry Transport Model (CTM) MOCAGE (MOdèle de Chimie Atmosphérique à Grande Echelle) is used in a configuration with two nested domains at 2◦ (global) and at 0.2◦ (regional). To perform the assimilation experiments a 3D-FGAT variational method is used. We evaluate the complementarity of limb and nadir measurements available at the present day at characterizing the UTLS (Upper Troposphere Lower Stratosphere) region by assimilating simultaneously the two type of measurements. We particularly focus on the impacts of data assimilation of stratospheric ozone measurements on troposphere and conversely of tropospheric data assimilation on stratosphere. Showing the added value of the increased horizontal resolution in the UTLS assimilated fields and the synergistic effects of limb and nadir assimilation were the main objectives of this work. Development in the assimilation system have been made in the assimilation system with the nested domain. Data assimilation in the global domain is now taken in account and the boundary condition from the assimilated fields show significant impacts on the regional domain. Firstly, we assimilate stratospheric ozone profiles from MLS (Microwave Limb Sounder) to investigate two Stratosphere-Troposphere Exchange (STE) case studies. This study compares the results at two horizontal grid resolutions 2◦ and 0.2◦. MLS ozone analyses show a better description of the UTLS region than the free model run. In particular, at high horizontal resolution the MLS ozone analyses present realistic filamentary ozone structures in the UTLS and laminae structures in the ozone profile. Results from backward trajectories and ozone forecasts show that assimilation at high horizontal resolution of MLS stratospheric ozone profiles has an impact on tropospheric ozone fields. This study also shows the interest of such instruments for tropospheric applications as air quality forecasts and tropospheric ozone budget studies. Secondly, stratospheric ozone profiles from MLS and tropospheric ozone columns from IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) have been assimilated at high horizontal resolution (0.2◦). This study compares the separate and combined analysis of IASI tropospheric columns and MLS stratospheric profiles, in order to investigate possible synergistic effects. These comparisons with independent data show that the IASI and MLS combined assimilation analyses provides the most realistic ozone fields of the stratosphere, UTLS and troposphere. Through neither instrument covers the entire atmospheric column alone, the combined MLS and IASI analyses also show the best agreement with the independent total column data provided by OMI (Ozone Monitoring Instrument). Lastly, the behavior in terms of height and depth of the extra-tropical mixing layer in the lowermost stratosphere is investigated at local and global scale using MLS O3 and MOPITT (Measurements Of Pollution In The Troposphere) CO assimilation. We apply diagnostics using O3-CO correlations to quantify the effect of the assimilation on the height and depth of the mixing layer. We firstly focused on a STE case study where MOPITT CO analyses have the capability to sharpen the mixing layer distribution whereas MLS O3 analyses provide a tropospheric expansion of the mixing layer distribution with its maximum close to the thermal tropopause. When MLS O3 analyses and MOPITT CO analyses are used together for the diagnostics, the mixing layer shows more realistic results and matches the thermal tropopause. At global scale, MOPITT CO analyses still shows a sharper chemical transition between stratosphere and troposphere than the free model run. MLS O3 analyses lower and spread the mixing layer toward the troposphere. When MLS O3 analyses and MOPITT CO analyses are used together the mixing layer matches the thermal tropopause poleward to 50◦. This study shows that data assimilation can provide good quality chemical analyses despite a relatively low vertical model resolution.

Département ou laboratoire:Groupe d'études de l'Atmosphère Météorologique - GAME (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Rabier, Florence et Peuch, Vincent-Henri
Mots-clés:Assimilation de données - Ozone - UTLS - Troposphère - Stratosphère - Satellite - Limbe - Nadir - Monoxyde de carbone. KEYWORDS : Data assimilation - Ozone - UTLS - Troposphere - Stratosphere - Satellite - Limb - Nadir - Carbon monoxide
Sujets:Atmosphère - Océan
Atmosphère - Océan > Modélisation
Atmosphère - Océan > Observation
Atmosphère - Océan > Physico-chimie de l’atmosphère
Déposé le:04 Mars 2013

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