La composition chimique de la haute troposphère : étude de l'impact des feux de biomasse et des processus de transports verticaux avec le modèle MOCAGE et les mesures IAGOS

The chemical composition of the upper troposphere : study of the impact of biomass burning and vertical transport processes using the MOCAGE model and IAGOS measurements

• Auteur / Autrice : Martin Cussac
• Direction : Virginie Marecal, Valérie Thouret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, climat
• Date : Soutenance le 26/11/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe d'étude de l'atmosphère météorologique (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Céline Mari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Virginie Marecal, Valérie Thouret, Céline Mari, Didier Hauglustaine, Jérôme Brioude, Gérard Ancellet, Emmanuel Rivière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Hauglustaine, Jérôme Brioude

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monoxyde de carbone

Haute atmosphère

Thèses et écrits académiques

Ozone

Mots clés libres

Composition de l'atmosphère

Haute tropsophère

Feux de biomasses

Modélisation numérique

Observations in-situ

Astmospheric composition

Upper Troposphere

Biomass burning

Numerical modelling

In-situ measurments

Résumé

L’ozone troposphérique est un gaz à effet de serre qui maximise son effet dans la haute troposphère. Les feux de biomasse étant une source importante de précurseurs d’ozone, l’objectif de cette thèse est d’étudier l’impact de ces émissions combiné avec celui des processus de transports verticaux sur la production d’ozone dans la haute troposphère. Pour cela, on se sert du modèle de chimie-transport MOCAGE (MOdèle de Chimie Atmosphérique à Grande Échelle), ainsi que des mesures in-situ effectuées à bord d’avions commerciaux issues de l’infrastructure de recherche européenne IAGOS (In service Aircraft for a Global Observating System). On évalue et améliore dans un premier temps les performances de MOCAGE par rapport aux mesures IAGOS, en montrant que les processus de transport vertical que sont la convection et la diffusion atmosphérique sont clés dans la représentation de la composition chimique autour de la tropopause. Ensuite, des produits récents à base d’observations satellites sont utilisés pour améliorer l’injection des émissions des feux de biomasse dans MOCAGE, et donc la représentation des panaches et de leur transport jusqu’à et dans la haute troposphère. Enfin, on montre à l’aide de plusieurs simulations MOCAGE l’impact important des émissions des feux de biomasse sur les concentrations de précurseurs d’ozone dans la haute troposphère, en particulier pour le monoxyde de carbone. La production d’ozone associée est évaluée à la fois à l’échelle des panaches de feux de biomasse, puis à l’échelle globale, où l’on montre qu’elle est maximale dans la haute troposphère aux tropiques.

Tropospheric ozone is a greenhouse gas that maximizes its effect in the upper troposphere. As biomass burning is an important source of ozone precursors, the objective of this thesis is to study the impact of these emissions combined with that of vertical transport processes on ozone production in the upper troposphere. For this purpose, the MOCAGE (MOdèle de Chimie Atmosphérique à Grande Échelle) chemistry-transport model is used, as well as in-situ measurements carried out on board commercial aircraft from the European research infrastructure IAGOS (In service Aircraft for a Global Observing System). The performance of MOCAGE compared to IAGOS measurements is first evaluated and improved, showing that vertical transport such as atmospheric convection and diffusion are key processes in the representation of the chemical composition around the tropopause. Then, recent products based on satellite observations are used to improve the injection of biomass fire emissions into MOCAGE, and thus the representation of plumes and their transport in the upper troposphere. Finally, several MOCAGE simulations are used to show the important impact of biomass fire emissions on ozone precursor concentrations in the upper troposphere, in particular for carbon monoxide. The associated ozone production is evaluated both at the scale of biomass burning plumes and at the global scale, where it is shown to be maximal in the upper troposphere in the tropics.