e-Lettre N°1 – AerChemMip

e-Lettre Climeri-France N°1 - Novembre 2020

CMIP6 : L’écho des contributions françaises dans les différents MIPs

AerChemMip - Projet d'intercomparaison des modèles d'aérosols et de chimie

Le projet d'inter-comparaison des modèles d’aérosols et de chimie (AerChemMIP) est conçu pour quantifier les impacts des aérosols et des gaz chimiquement réactifs sur le climat. Il s'agit en particulier des forceurs climatiques de courte durée (SLCF : méthane, ozone troposphérique et aérosols, et leurs précurseurs), du protoxyde d'azote et des composés halogénés qui appauvrissent la couche d'ozone. AerChemMIP regroupe entre autres les activités d'AeroCom (Aerosol Comparisons between Observations and Models) et de CCMI (Chemistry-Climate Modelling Initiative), plutôt centrées sur la stratosphère). L'objectif d'AerChemMIP est de répondre à quatre questions scientifiques :

  1. Comment les émissions anthropiques d’aérosols et de gaz chimiquement réactifs ont contribué au forçage radiatif global et affecté le climat régional au cours de la période historique ?
  2. Comment les politiques futures (sur le climat, la qualité de l'air et l'utilisation des terres) pourraient-elles affecter l'abondance des SLCF et leurs impacts sur le climat ?
  3. Comment les incertitudes liées aux émissions historiques des SLCF peuvent-elles être mises en correspondance avec les changements de l'ère préindustrielle à nos jours ?
  4. Quelle est l'importance des rétroactions du climat sur les émissions naturelles de SLCF, la composition de l'atmosphère et le forçage radiatif ?

Ces questions sont traitées par des simulations ciblées avec les modèles climatiques CMIP6 qui comprennent une représentation interactive des aérosols et de la chimie atmosphérique.


Simulations couplées chimie-aérosols-climat à l’aide du modèle CM5A2-INCA de l’IPSL

Le modèle de chimie atmosphérique et d’aérosols INCA a été couplé au modèle de l’IPSL CM5A2 pour effectuer plusieurs simulations dans le cadre du programme AerChemMIP. Pour ces simulations, c’est la version IPSL-CM5A2-VLR du modèle couplé de l’IPSL qui a été choisie en particulier pour permettre une utilisation à plus basse résolution horizontale (96x95) et verticale (39 niveaux), tout en gardant l’ancienne physique du modèle LMDz, bien évaluée pour nos simulations avec chimie et aérosols. C’est également une version du modèle en phase avec les travaux effectués en paléoclimatologie, un autre intérêt pour des simulations des climats anciens demandant également la prise en compte de la chimie et des aérosols.

Pour les simulations effectuées pour CMIP6 dans le cadre du programme AerChemMIP, nous avons utilisé une version du modèle INCA incluant à la fois la chimie de l’ozone dans la troposphère et dans la stratosphère ainsi que les différents types d’aérosols troposphériques. Au total, ce sont 160 espèces chimiques et aérosols qui sont prises en compte, transportées par la dynamique atmosphérique, éliminées de l’atmosphère par dépôt au sol ou par les précipitations et transformées chimiquement dans l’atmosphère par 500 réactions chimiques. De plus, un module d’émissions permet au modèle de végétation ORCHIDEE de calculer les émissions biogéniques de composés organiques volatils qui alimentent ensuite la production photochimique d’ozone et la formation d’Aérosols Organiques Secondaires. Un couplage étroit est ainsi réalisé entre la biosphère, la chimie atmosphérique, les aérosols, et leurs interactions avec le rayonnement solaire et infrarouge dans LMDz, perturbant ainsi le climat.

Comme il s’agit d’une nouvelle configuration du modèle couplé de l’IPSL, il a été nécessaire d’effectuer les simulations imposées dans le cadre du DECK (en particulier abrupt-4xCO2 et 1pctCO2, des simulations de type AMIP ayant déjà été effectuées dans d’autres cadres de recherche). Par la suite nous avons effectué une simulation historique 1850-2014, poursuivie jusqu’en 2050 par deux simulations futures suivant les scénarios SSP3-7.0 et SSP1-2.6. Pour ces différentes simulations, l’évolution des émissions anthropiques de précurseurs des aérosols et de l’ozone sont imposées d’après les cadastres d’émissions CEDS pour le passé, SSP pour le futur. Plusieurs autres simulations sont actuellement en préparation pour étudier notamment les effets distincts des aérosols, des précurseurs de l’ozone troposphérique et des gaz destructeurs de l’ozone stratosphérique sur l’évolution de la composition chimique et le climat. Notons que ces simulations demandant beaucoup de temps de temps de calcul, une seule réalisation est effectuée pour chaque expérience.

Evolution temporelle (1960-2050) de l’ozone troposphérique (haut) et de l’ozone total (bas) simulés à l’aide du modèle IPSL-CM5A2-VLR-INCA dans le cadre de AerChemMIP. Les contenus en ozone intégrés sur la verticale sont moyennés sur la longitude et annuellement. Unités : DU (Dobson Unit ; 1DU = 2.687x1016 molécules/cm2.

A titre d’exemple, la figure illustre l’évolution temporelle sur la période 1960-2050 de la colonne intégrée de l’ozone dans la troposphère et de la colonne totale d’ozone intégrée sur toute l’atmosphère et obtenue en combinant la simulation historique et la simulation future SSP3-7.0. Les résultats sont moyennés par année et sur la longitude. Sous l’effet des émissions anthropiques de précurseurs (NOx, CO, hydrocabures), le contenu en ozone dans la troposphère augmente de manière presque continue sur la période au-dessus des régions continentales dans l’hémisphère Nord ainsi que dans les tropiques sous l’action des émissions par la combustion de la biomasse (figure du haut). Le contenu total en ozone fait, lui, apparaître un minimum au-dessus du continent Antarctique à partir de 1980, correspondant à l’apparition annuelle du « trou » dans la couche d’ozone. A partir de 2040, et avec la diminution du contenu en chlore dans la stratosphère, le contenu en ozone dans ces régions revient à des valeurs « pré-1980 ». Les études sont actuellement en cours pour finaliser les différentes simulations prévues et pour analyser l’ensemble de ces résultats.

Rédacteurs: D. Hauglustaine, A. Cozic, J. Lathière, A. Caubel, et P. Sepulchre

 


Participation de l’IPSL aux simulations d’AerChemMIP

En plus de la version du modèle INCA (Interactions entre Chimie et Aérosols) décrite par D. Hauglustaine, une seconde version du modèle INCA a été utilisée pour participer au programme AerChemMIP. Il s'agit du modèle ayant une chimie simplifiée et des aérosols interactifs, qui est couplé au modèle de l'IPSL IPSLCM6.1 avec 79 niveaux verticaux et une résolution horizontale de 144x142. Cette version permet d'évaluer le forçage radiatif des aérosols et des gaz réactifs pour le présent, ainsi que les rétroactions qu'ils produisent.

Nous participons à 2 publications AerChemMIP (cf. Références) qui incluent les résultats de ce modèle et pour lesquels nous avons aidé à l’analyse des aérosols minéraux et fourni des simulations permettant d'analyser le rôle des aérosols.
Nos résultats sur le forçage radiatif effectif des aérosols sont cohérents avec ceux calculés pour les modèles CNRM-ESM2 et GFLD-ESM4, bien que les comparaisons multi-modèles montrent des différences relatives sur le dioxyde de soufre (SO2) et le carbone suie (BC).

Nous projetons de réaliser également des simulations pour les scénarios SSP qui permettront d'évaluer les forçages radiatifs effectifs futurs.

Rédacteurs : R. Checa-Garcia et A. Cozic, Y. Balkanski et O. Boucher

Références

 


Simulations couplées chimie-climat stratosphériques à l’aide du modèle LMDz-REPROBUS de l’IPSL

(a) Séries temporelles de la colonne totale d’ozone (DU) Antarctique en octobre issues de 19 modèles de chimie-climat pour les simulations REF-C2 ainsi que des observations du jeu de données fusionnées SBUV-MOD. Les différents types de moyennes des modèles (MMM, MedM et MMM1S) sont représentés par des lignes épaisses vertes, bleues et rouges, respectivement. Le panneau (b) est presque identique au panneau (a) excepté que chaque série d’ozone est ajustée selon son biais par rapport aux observations moyennes de 1980-1984 et lissée sur une fenêtre glissante à 10 points [Tiré de : Dohmse et al., 2018]

Plusieurs simulations sur l’évolution de la stratosphère ont été réalisées avec le modèle de l’IPSL contenant un module de chimie stratosphérique interactive (IPSL-LMDz-REPROBUS). Ces données se trouvent sur la base de données du programme CCMI et ont déjà été utilisées dans des inter-comparaisons avec les autres modèles de. Chimie-Climat (Morgenstern et al., 2017), des analyses et évaluations par des comparaisons avec des observations (e.g. Dohmse et al., 2018; Ayarzagüena et al., 2018; Amos et al., 2020). La figure présente un exemple de résultats sur l’évolution du phénomène du «trou d’ozone» (colonne d’ozone en Antarctique en Octobre).

Rédacteurs : M. Marchand, L. Falletti, D. Cugnet, F. Lefevre, S. Bekki

Références

  • Morgenster et al. (2017) Review of the global models used within phase 1 of the Chemistry–Climate Model Initiative (CCMI).Geosci. Model Dev., 10, 639–671, 2017. https://doi.org/10.5194/gmd-10-639-2017
  • Dohmse, S.S, et al. (2018) Estimates of ozone return dates from Chemistry-Climate Model Initiative simulations. Atmos. Chem. Phys., 18, 8409–8438, 2018. https://doi.org/10.5194/acp-18-8409-2018
  • Ayarzagüena, B. et al. (2018) No robust evidence of future changes in major stratospheric sudden warmings: a multi-model assessment from CCMI. Atmos. Chem. Phys., 18, 11277–11287, 2018. https://doi.org/10.5194/acp-18-11277-2018
  • Amos M., et al. (2020) Projecting ozone hole recovery using an ensemble of chemistry–climate models weighted by model performance and independence. Atmos. Chem. Phys., 20, 9961–9977, 2020. https://doi.org/10.5194/acp-20-9961-2020

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