La Couche de la Tropopause Tropicale pendant la mousson d'Asie: transport et composition – TTL-Xing

Nous utiliserons plusieurs techniques complémentaires pour charactériser les nuages dans la zone de mousson: les observations de la campagne StratoClim, les nouveaux imageurs en orbite géostationaire, les sondeurs infra-rouges hyperspectraux et les instruments spatiaux actifs (lidar et radar).
Nous complémenterons par des mesures en ballons étalées dans le temps pour étudier la variabilité de l’ATA et des mesures de lidar sol pour étudier son impact à grande échelle.
Des calculs radiatifs seront menés pour déterminer l’mpact radiatif des nuages dans la région de la mousson.
Une modèle avancé, résolvant la dynamique des nuages et comprenant une description détaillée des processus chimiques, sera utilisé pour comprendre la formation de l’ATAL, son impact et son évolution sous l’effet du changement climatique.
Des calculs lagrangians extensifs, couplés à une modélisation microphysique, permettront à la fois d’interpréter les observations à petite échelle et d’étudier l’impact global de la convection localisée.
Ces actions exploiteront le succès de la campagne aéroportée StratoClim en 2017 à laquelle plusieurs membres de l’équipe ont été associés. La campagne a apporté un ensemble unique de nouvelles observations qui comprennent une caractérisation complète de l’ATAL et de ses gaz précurseurs et une foison de données sur les nuages hauts dans la mousson d’Asie.

Les trajectoires lagrangiennes ont permis de relier les observations de produits nitrés dans l’ATAL et d’ammonium en altitude lors de la campagne StratoClim aux activités agricoles intensives des vallées de l’Indus et du Gange.
L’analyse des données sur l’eau et la glace permet de mettre en évidence une variété exceptionnelle de situations, parfois au cours d’un même vol, résultant en hydration ou déshydratation au sommet des nuages convectifs.
Nous avons expliqué le confinement de l’anticyclone de mousson et de l’impact régional de la convection en haute altitude (au-dessus de 370K en température potentielle) par un simple modèle 1D d’advection avec pertes.
La comparaison des réanalyses (souvent prises comme références dans les études climatiques) révèle des différences essentielles dans les propriétés nuageuses, dues à la représentation de la phase glace, qui sont exacerbées dans la zone de mousson d’Asie.
Nous avons établi l’excellente capacité du modèle Meso-NH à haute résolution pour initier et reproduire correctement la convection de mousson et son impact en altitude.
Réalisation d’une base de données des propriétés physiques et radiatives des nuages hauts à partir des sondeurs IR.
Démonstration que le transport autour de l’anticyclone de mousson est capable de redistribuer en latitude l’influence des panaches volcaniques ou de pyro-convection issus des hautes latitudes.
Mise en évidence à la fois de la permanence et de la grande variabilité de l’ATAL par les observations et les modèles.

A court terme, durant la deuxième phase du projet, nous allons consolider les résultats obtenus et étendre les études vers l’impact à grande échelle et l’impact anthropique.

Feofilov, A. G., C. J. Stubenrauch, Diurnal variation of high-level clouds from the synergy of AIRS and IASI space-borne infrared sounders Atmosph. Chem. Phys. Discuss., 10.5194/acp-2019-166 in revision (2019).

Hemmer, F., C. J. Stubenrauch, and S. E. Protopapadaki, Predicting 3D Radiative Heating Rate Fields from Synergistic A-Train Observations combined with Deep Learning Techniques, 9th International Workshop on Climate Informatics Proceedings, 2-4 Oct. 2019, Paris

Höpfner, M., Ungermann, J., Borrmann, S., Wagner, R., Spang, R., Riese, M., Stiller, G., Appel, O., Batenburg, A. M., Bucci, S., Cairo, ..., Legras, B., et al., I.: Ammonium nitrate particles formed in upper troposphere from ground ammonia sources during Asian monsoons, Nat. Geosci., 12(8), 608–612, doi:10.1038/s41561-019-0385-8, 2019.

Kloss, Corinna, Gwenaël Berthet, Pasquale Sellitto, Felix Ploeger, Silvia Bucci, Sergey Khaykin, Fabrice Jégou, Ghassan Taha, Larry Thomason, Brice Barret, Eric Le Flochmoen, Marc von Hobe, Adriana Bossolasco, Nelson Begue, Bernard Legras, Transport of the 2017 Canadian wildfire plume to the tropics and global stratosphere via the Asian monsoon circulation, ACP Discussions, en révision, doi.org/10.5194/acp-2019-204, 2019.
Stubenrauch, C. J., M. Bonazzola, S. E. Protopapadaki and I. Musat, New Cloud System Metrics to Assess Bulk Ice Cloud Schemes in a GCM, J. Advanc. Model. Earth Sys., in press (2019).

Tegtmeier, S., Anstey, J., Davis, S., Dragani, R., Harada, Y., Ivanciu, I., Pilch Kedzierski, R., Krüger, K., Legras, B., Long, C., Wang, J. S., Wargan, K. and Wright, J. S.: The tropical tropopause layer in reanalysis data sets, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 1–28, doi:10.5194/acp-2019-580, 2019.

Vernier, Jean-Paul, …, Gwenaël Berthet; Fabrice Jégou; Jean-Baptiste Renard; Travis Knepp; Luke Ziemba; Suneel Kumar, BATAL: The Balloon measurement campaigns of the Asian Tropopause Aerosol Layer, Bull. Met. Am. Soc., doi.org/10.1175/BAMS-D-17-0014.1, 2018.

La région de la tropopause tropicale (TTL=Tropopause TropicaL Layer) est la région de l’atmosphère entre 30°S and 30°N qui est limitée en dessous par la troposphère tropicale dominée par la convection et au dessus par l’écoulement quasi-horizontal dans la stratosphère régulée par la circulation de Brewer-Dobson. La TTL est la porte d’entrée de la stratosphère qui contrôle sa composition. Elle est traversée par l’air frais monté de la surface par la convection, transportant la pollution anthropogénique. En raison de ce rôle et de l’effet radiatif des cirrus qui la remplissent et qui régulent la convection dans les plus basses couches, la TTL est un composant clé du système climatique.
Pendant l’été, la TTL est principalement sous l’influence de la mousson d’Asie dont l’étage supérieur est dominé par un anticyclone de grande échelle s’étendant de l’est de l’Asie à la mer Méditerranée. Cette circulation d’altitude ventile la convection et redistribue l’air ascendant. Depuis une quinzaine d’années une couche d’aérosols (ATAL=Asian Tropopause Aerosol Layer), récemment découverte, s’est développée vers 16 km d’altitude à l’intérieur de l’anticyclone de mousson et est attribuée à l’augmentation de la pollution au niveau du sol en Asie.
En raison du manque d’observations dans le passé, on connaît encore très mal l’impact de la mousson sur la TTL, la distribution des sources au sol, les propriétés de transport dans la TTL et la dynamique des couches d’aérosols et de cirrus dans TTL. En particulier, la connaissance de l’ATAL repose sur très peu d’observations. Une grande quantité d’observations nouvelles sont ou seront cependant bientôt disponibles due à une nouvelle génération d’instruments en orbite et une série de campagnes en Asie basées sur des collaborations internationales. En particulier, la campagne du projet européen StratoClim, à l’été 2017, va apporter pour la toute première fois des mesures aéroportées in situ au cœur de la TTL de la mousson d’Asie et de l’ATAL.
Le but fondamental du projet est de comprendre comment le changement climatique affecte les caractéristiques de la TTL (cirrus, transfert radiatif et composition de l’air qui entre dans la stratosphère) pendant la mousson d’Asie et quelles sont les rétroactions sur le climat. Les questions qui se présentent pour atteindre ce but sont (i) la description des nuages d’altitude et de leur detrainement (ii) les processus aux différentes échelles qui régulent le transport, la distribution des cirrus et des aérosols, (iii) l’impact radiatif des nuages, en particulier les cirrus fins, et des aérosol dans la région de mousson, (iv) la pleine utilisation des données disponibles. Une question immédiate et urgente est de comprendre le changement de composition manifesté par l’ATAL, d’en déterminer les propriétés chimiques et physiques, de comprendre et surveiller les sources et précurseurs et de déterminer son impact chimique et radiatif.
Ces questions seront traitées par une série coordonnée de tâches. Des données multi-satellites seront analysées pour déterminer les propriétés des nuages hauts et des aérosols. Les données de campagne seront exploitées par modélisation lagrangienne pour lier les mesures aux sources et à l’histoire des parcelles d’air. De nouvelles observations par instruments légers sous ballons et à partir des lidars du réseau NDACC seront ajoutées. Un modèle avec représentation complète de la chimie sera utilisé pour comprendre l’ATAL et évalué par comparaison aux observations (in situ et satellite) . Après avoir validé ces approches, des climatologies des sources et des chemins de transport seront produites et des projections climatiques seront estimées.
Le projet sera conduit par une équipe rassemblant la meilleure expertise et entraînée à travailler ensemble. Il constitue une opportunité unique de faire le meilleur usage des observations les plus récentes et de produire des avancées majeures sur un problème clé du climat.