Keita, Setigui Aboubacar
(2022).
« Étude des interactions entre les aérosols, les nuages et la radiation avec le modèle WRF-Chem couplé à une microphysique avancée pour la formation des nuages glacés en Arctique » Thèse.
Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Doctorat en sciences de la Terre et de l'atmosphère.
Fichier(s) associé(s) à ce document :
Résumé
Le lancement des satellites CloudSat et CALIPSO dans le cadre de la mission A-Train ainsi que la campagne ISDAC (Indirect and Semi-Direct Aerosols Campaign) de mesures in-situ ont permis à Grenier et al. (2009) et Jouan et al. (2012) de caractériser deux types de nuages de glace (TIC pour Types of Ice Clouds) en Arctique qui diffèrent par leur microstructure. Les TIC-1 sont constitués de nombreux petits cristaux de glace en suspension dans l’air, visibles par le lidar mais invisibles au radar, alors que les TIC-2 sont détectés par le lidar et le radar et sont caractérisés par une faible concentration en gros cristaux de glace donnant lieu à des précipitations. Les travaux précités ont permis d’établir une corrélation entre les concentrations d’acide sulfurique et la présence des TIC-2. L’hypothèse formulée à la suite de ces travaux est que la formation des TIC-2 est liée à l'acidification des aérosols, qui inhibe et affecte les propriétés de nucléation hétérogène de la glace de ces noyaux glaçogènes (INPs pour Ice Nuclei Particles). En conséquence, la concentration en INPs est réduite dans les masses d’air riches en sulfates, ce qui entraîne une plus faible concentration de cristaux de glace. Pour une quantité de vapeur d’eau donnée, les cristaux atteignent une taille plus importante (Jouan et al. 2012; Jouan et al. 2014). Les modèles arrivent difficilement à dissocier ces deux types de nuages de glace (Keita et Girard 2016; Keita et al. 2019). L'utilisation d'un paramétrage approprié pour la nucléation hétérogène des cristaux est essentielle pour représenter correctement les nuages de glace dans les modèles météorologiques et climatiques et pour comprendre ensuite leurs interactions avec les aérosols et le rayonnement. Ainsi, l’objectif de cette thèse est d’améliorer les simulations des nuages de
glace observés et caractérisés durant ces dernières années de recherche en Arctique. Ces expériences font suite à des travaux antérieurs de modélisation de Girard et al. (2013) et de Keita et Girard (2016), où il a été démontré que de fortes concentrations d’acide (associées à des masses d’air sous influence anthropique et/ou volcanique) pourraient avoir un effet substantiel sur la concentration en INPs, sur la microstructure des nuages, sur l’équilibre radiatif en Arctique et sur les systèmes météorologiques arctiques. L’originalité du nouveau schéma final, développé dans cette thèse et appelé MYKE (pour Milbrandt, Yau et KEita), réside dans le couplage de la nucléation hétérogène de la glace avec la chimie de l’atmosphère, et en particulier celle des aérosols. Ce schéma de microphysique des nuages couplé permet de prendre en compte la variation spatiale (horizontale et verticale) et temporelle des propriétés granulométriques et physicochimiques des INPs présents dans le domaine de simulation. La première partie des résultats présente l’implémentation d’un nouveau paramétrage dans le modèle tridimensionnel à méso-échelle WRF. Dans cette première étape, l’angle de contact, qui conditionne l’efficacité de nucléation hétérogène des INPs dans l’approche utilisant la théorie classique de la nucléation (ou CNT pour Classical Nucleation Theory), est fixé et peut prendre chacune des deux valeurs extrêmes d’angle de contact proposées par Eastwood et al. (2008;2009). Ces deux valeurs correspondent à des INPs typiques de poussières terrigènes et à des INPs du même type mais entourés d’une solution acide, l’acidité étant contrôlée par le sulfate (coated INPs). Le modèle intégrant le paramétrage a été évalué, d’une part, avec quatre cas d’étude identifiés pendant ISDAC, soit deux cas de TIC-1 et deux cas de TIC-2, et d’autre part, avec les données satellitaires DARDAR, ce qui a permis d’avoir une représentation à la fois spatiale et temporelle des TICs à différentes échelles. Les résultats de cette étude ont montré que le modèle WRF avec le schéma originel pour la nucléation hétérogène de la glace ne parvenait pas à simuler correctement la plupart des nuages de glace observés contrairement au paramétrage utilisant une valeur de l’angle de contact appropriée au type de masse d’air dans laquelle le nuage s’était formé. La deuxième partie de la thèse présente l’implémentation du paramétrage de nucléation hétérogène de la glace couplé avec la chimie des aérosols (MYKE) dans le même modèle tridimensionnel incluant la chimie atmosphérique, WRF-Chem, et l’application du modèle à trois cas d’étude issus de la campagne ISDAC. Les résultats montrent que MYKE est capable de représenter les caractéristiques microphysiques des TIC-1 et TIC-2 au sommet des nuages, là où la nucléation hétérogène de la glace est le processus le plus important. Aussi dans certains cas, malgré un biais important, MYKE améliore la représentation des concentrations en nombre d’aérosols simulées par WRF-Chem sur l'Arctique. Ce nouveau paramétrage est donc un outil prometteur pour améliorer la simulation des propriétés des nuages de glace en Arctique et l’estimation du forçage radiatif associé.
_____________________________________________________________________________
MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : nuages de glace en Arctique, microphysique des nuages; modélisation numérique, climat arctique; théorie classique de la nucléation, acidification des noyau glaçogènes, WRFChem
| Type: |
Thèse ou essai doctoral accepté
|
| Informations complémentaires: |
Fichier numérique reçu et enrichi en format PDF/A. |
|
Directeur de thèse: |
Blanchet, Jean-Pierre |
| Mots-clés ou Sujets: |
Nuages glacés / Arctique / Modèles numériques / Microphysique / Nucléation / Acidification / Aérosols atmosphériques / Climat arctique |
| Unité d'appartenance: |
Faculté des sciences > Département des sciences de la Terre et de l'atmosphère |
| Déposé par: |
Service des bibliothèques
|
| Date de dépôt: |
23 août 2023 09:55 |
| Dernière modification: |
23 août 2023 09:55 |
| Adresse URL : |
http://archipel.uqam.ca/id/eprint/16895 |
RECHERCHER
PARCOURIR
LIBRE ACCÈS
