Évolution de la colonne totale d'ozone à deux stations tropicales : observations et modélisation

par Aymen Frihi

Thèse de doctorat en Physique de l'atmosphère

Sous la direction de Slimane Bekki et de Andrea Pazmiño.

Le président du jury était François Ravetta.

Le jury était composé de Valéry Catoire, Jean-Pierre Pommereau, Virginie Marecal.

Les rapporteurs étaient Philippe Ricaud, Daniel Cariolle.


  • Résumé

    Alors que les tropiques couvrent une grande partie du globe, peu de données d’observations d’ozone sur le long terme existent dans cette région. En outre, les tropiques sont les régions où la majeure partie de l'ozone stratosphérique est formée. En effet, la région tropicale est le principal point d'entrée des espèces chimiques troposphériques et de la vapeur d'eau dans la stratosphère, redistribuées par la suite aux moyennes latitudes par la circulation de Brewer-Dobson. Le suivi de l'évolution de la couche d'ozone dans ces régions est basé sur des observations (satellitaires, au sol et instruments embarqués sur ballons). Ce suivi permet la quantification de la variabilité et les tendances de l'ozone stratosphérique dans le but de comprendre les changements passés et valider les modèles utilisés pour prédire l'évolution de l'ozone dans ces régions. Dans cette optique, le travail de cette thèse se divise en deux parties : tout d’abord, l’analyse et la comparaison entre les données du spectromètre UV-Visible SAOZ et celles de 10 instruments satellitaires aux tropiques au-dessus des stations de Bauru (22.18S, 49.06O) au Brésil et de La Réunion (21.11S, 55.53E) dans l’Océan Indien. Les colonnes d’ozone montrent un biais moyen négatif (-0.84%) entre les colonnes satellites et SAOZ (SAT-SAOZ) à Bauru contrairement à La Réunion (0.75%), où le biais est positif. De plus on observe une augmentation de ce biais à partir de 2004 à Bauru de -1.78%/décennie, moins importante à la Réunion (-0.8%/ décennie). L’étude de cette dérive a montré que cette dernière est corrélée à un soulèvement du profil vertical d’ozone aux latitudes équatoriales caractérisé par une dérive de latitude équivalente de la station de Bauru, non prise en compte dans le calcul de facteur de masse d’air (AMF) utilisé pour convertir les colonnes obliques mesurées par SAOZ en colonnes verticales (TOC). Par la suite, la capacité de 9 modèles de chimie-climat issus du projet CCMI à reproduire les colonnes observées, ses variations et les forçages externes sur la variabilité a été évaluée en comparant les simulations à celles de SAOZ et de la moyenne des satellites aux deux stations. Les modèles montrent une bonne restitution de la variabilité de la colonne d’ozone avec cependant une surestimation de 3% aux deux stations par rapport aux observations. L’analyse des forçages montre une contribution dominée par la QBO (~40%), suivie de l’ENSO (~20%), de l’activité solaire (~20%), de la dérive de latitude équivalente >10% à Bauru et <10% à La Réunion et plus faible pour les aérosols (<10%) en cohérence avec les observations.

  • Titre traduit

    Total Column Ozone evolution at two tropicals stations : Observations and Simulations


  • Résumé

    While the tropics cover a large part of the globe, few long-term ozone observations data exist in this region. In addition, the tropics are the regions where most of the stratospheric ozone is formed. Indeed, the tropical region is the main entry point for tropospheric chemical species and water vapor in the stratosphere, subsequently redistributed at mid-latitudes by the Brewer-Dobson circulation. Monitoring the evolution of the ozone layer in these regions is based on observations (satellite, ground-based and aircraft instruments). This monitoring allows the quantification of stratospheric ozone variability and trends to understand past changes and validate the models used to predict the ozone evolution in these regions. In this perspective, the work of this thesis is divided into two parts: firstly, the analysis and comparison between the UV-Visible SAOZ spectrometer data and those of 10 satellite instruments in the tropics above the Bauru stations (22.18S, 49.06W) in Brazil and Reunion Island (21.11S, 55.53E) in the Indian Ocean. The ozone columns show a negative average bias (-0.84%) between the satellite columns and SAOZ (SAT-SAOZ) in Bauru unlike Réunion (0.75%), where the bias is positive. Moreover, we observe an increase in this bias from 2004 in Bauru of -1.78% / decade, less important in Reunion (-0.8% / decade). The study of this drift has shown that the latter is correlated with an uplift of the vertical ozone profile at equatorial latitudes characterized by an equivalent latitude drift of the Bauru station, which is not considered in the calculation of the Air Mass Factor (AMF) used to convert the slant column measured by SAOZ into vertical column (TOC). Subsequently, the capacity of 9 CCMI-derived climate-chemistry models to reproduce the observed columns, its variations and external forcing on variability was evaluated by comparing the simulations with those of SAOZ and the monthly mean satellites at both stations. The models show a good restitution of the variability of the ozone column with however an overestimation of 3% at both stations compared to the observations. The analysis of the forcings shows a contribution dominated by QBO (~ 40%), followed by ENSO (~ 20%), solar activity (~ 20%), equivalent latitude drift > 10% at Bauru and < 10% at Reunion and lower for aerosols (<10%) consistently with observations.


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